Wenn Sie schon einmal eine Fotodiode für ein Projekt auswählen mussten und Datenblätter angestarrt haben, bis Ihnen die Augen weh taten, sind Sie nicht allein. Die große Frage läuft meist auf Folgendes hinaus: “Nehme ich Silizium oder Germanium?” Beide eignen sich hervorragend, aber je nachdem, welches Licht Sie einfangen wollen, sind sie völlig unterschiedliche Tiere. Lassen Sie es uns in einfachem Englisch erklären - ein Doktortitel ist nicht erforderlich.
Warum überhaupt Silizium und Germanium vergleichen?
Silizium-Fotodioden sind überall. Die Kamera Ihres Telefons? Silizium. Die meisten faseroptischen Empfänger? Silizium. Billig, robust, superempfindlich von etwa 400 nm bis 1100 nm. Germanium hingegen ist eher etwas für “Spezialeinsätze”. Es sieht viel tiefer in den Infrarotbereich hinein - bis etwa 1800 nm - und ist daher die erste Wahl, wenn man mit Telekommunikationswellenlängen von 1310 nm oder 1550 nm arbeitet oder Nachtsichtgeräte einsetzt.
Ein kurzer Blick auf den Wellenlängenbereich:
| Material | Hauptempfindlichkeitsbereich | Höchste Empfindlichkeit in der Regel um | Geht raus an (verwendbar) |
|---|---|---|---|
| Silizium (Si) | 400-1100 nm | 900-980 nm | ~1100 nm |
| Germanium (Ge) | 800-1800 nm | 1450-1550 nm | ~1850 nm |
Ja, Germanium lacht im Grunde über alles, was jenseits von 1100 nm liegt, und sagt: “Ich habe dich.”
Empfindlichkeit und Quanteneffektivität - Wer gewinnt wo?
Silizium ist im sichtbaren und nahen IR-Bereich bis 1000 nm unangefochtener Sieger. Die typische Quanteneffizienz (QE) für eine gute Si-PIN-Photodiode liegt bei 900 nm bei 85-95%. Wir haben einige Si-PIN-Photodioden bei Bee Photon, die bei 850 nm 0,65 A/W erreichte, ohne ins Schwitzen zu geraten.
Die QE von Germanium ist niedriger - normalerweise 70-90% im Bereich von 1300-1550 nm - aber das ist immer noch sehr gut für etwas, das tatsächlich so weit sehen kann. Der Haken an der Sache? Germanium hat einen höheren Dunkelstrom (Leckstrom, wenn kein Licht darauf fällt), der bei Raumtemperatur manchmal 10-100 Mal höher ist als bei Silizium. Das bedeutet mehr Rauschen, wenn man bei schwachem Licht ohne Kühlung arbeitet.
Si-PIN-Photodiode mit niedrigem Dunkelstrom (350-1060nm) PDCC34-001
Bee Photon bietet eine kompakte COB-Si-PIN-Photodiode mit breiter spektraler Empfindlichkeit (350-1060nm). Diese Chip-on-Board-Photodiode zeichnet sich durch einen niedrigen Dunkelstrom aus und ist ideal für integrierte und platzbeschränkte Anwendungen.
Lärm und Temperatur - der nicht ganz so lustige Teil
Hier etwas, das ich bei einem Kundenprojekt auf die harte Tour gelernt habe: Der Dunkelstrom von Germanium verdoppelt sich ungefähr alle 8-10 °C. Silizium? Eher alle 15-18 °C. Wenn Ihr Detektor in einem Kasten steht, in dem es warm wird, verhält sich Silizium in der Regel besser ohne einen thermoelektrischen Kühler.
Echte Zahlen von Hamamatsu und anderen seriösen Datenblättern (öffentlich zugänglich):
| Temperatur | Typischer Si-Dunkelstrom (nA) | Typischer Ge-Dunkelstrom (nA) |
|---|---|---|
| 25 °C | 0.1 - 2 | 50 - 500 |
| 40 °C | ~1 - 10 | 500 - 5000 |
Aus diesem Grund verwenden viele Anwendungen im Freien oder in der Industrie Silizium, es sei denn, sie benötigen unbedingt die größere Wellenlänge.
Geschwindigkeit - Wie schnell können sie reagieren?
Beide können schnell hergestellt werden, aber Silizium-PIN-Strukturen sind einfacher herzustellen und haben eine geringere Kapazität. Mit einer 1 mm² großen Si-PIN-Fotodiode kann man leicht eine Anstiegszeit von <1 ns erreichen. Germanium ist etwas langsamer, weil das Material selbst eine höhere Ladungsträgerlebensdauer hat und die Kapazität bei gleicher aktiver Fläche tendenziell größer ist. Typische Ge-PIN-Anstiegszeiten liegen bei 2-10 ns - für die meisten Telekommunikations- oder LIDAR-Anwendungen immer noch rasend schnell, aber nicht ganz auf Siliziumniveau.
Kosten-Realitätscheck (Preise 2025, ungefähr)
| Typ | Typischer Preis (1-99 Stück) | Preis pro mm² aktive Fläche |
|---|---|---|
| Standard-Si-PIN (ohne InGaAs) | $2 - $15 | ~$3-8 |
| Germanium-PIN-Fotodiode | $25 - $120 | ~$30-100 |
| Gekühlte InGaAs (wenn Sie noch länger brauchen) | $200+ | Der Himmel ist die Grenze |
Germanium ist bei ähnlicher Größe tatsächlich 5-20 Mal teurer als Silizium. Wenn Ihr Chef fragt: “Können wir stattdessen Silizium verwenden?” und Sie nur bei 850 nm oder 980 nm arbeiten, lautet die Antwort fast immer "Ja", und Sie werden eine Menge Geld sparen.
Wenn wir Germanium tatsächlich empfehlen (ja, das kommt vor)
Letztes Jahr hatten wir einen Kunden, der OCT (optische Kohärenztomographie) bei 1300 nm durchführte. Silizium war dort völlig blind. Wir tauschten eine Germanium-Photodiode aus, das Rauschen war höher als gewünscht, also fügten wir einen winzigen TEC und einen von uns entwickelten Transimpedanzverstärker hinzu. Das Endergebnis: ein 5× besseres Signal-Rausch-Verhältnis als bei ihrem vorherigen Versuch mit Silizium. Sie grinsten von Ohr zu Ohr.
Eine weitere lustige Geschichte: Ein Forschungslabor misst die Absorptionslinien von Wasserdampf bei 1650 nm. Silizium? Fehlanzeige. Germanium hat es auf Anhieb geschafft.
Spickzettel für schnelle Entscheidungen
Wählen Sie Silicon, wenn:
- Ihr Licht ist 400-1050 nm
- Sie wollen wenig Lärm ohne Kühlung
- Haushaltsfragen
- Sie brauchen eine superschnelle Antwort (<1 ns)
Wählen Sie Germanium, wenn:
- Sie arbeiten mit 1200-1800 nm
- Sie können höheren Dunkelstrom tolerieren (oder abkühlen)
- Eine Geschwindigkeit von 2-10 ns ist in Ordnung.
- Geld ist weniger ein Problem als die Tatsache, dass man das Licht sieht
Noch unsicher? Schreiben Sie uns eine E-Mail an info@photo-detector.com - wir machen das buchstäblich beruflich.
Noch einmal in einer Tabelle (weil Tabellen die Regel sind)
| Merkmal | Silizium-Photodioden | Germanium-Photodioden | Gewinner für die meisten Menschen |
|---|---|---|---|
| Wellenlängenbereich | 400-1100 nm | 800-1800 nm | Hängt von Ihrem λ ab |
| Maximale Empfindlichkeit | ~0,6-0,7 A/W @ 900 nm | ~0,9-1,1 A/W @ 1550 nm | Krawatte |
| Dunkler Strom (25 °C) | Super niedrig | Spürbar höher | Silizium |
| Temperaturstabilität | Ausgezeichnet | Benötigt Kühlung über ~35 °C | Silizium |
| Geschwindigkeit | Schneller (sub-ns möglich) | Ein bisschen langsamer | Silizium |
| Kosten | Günstige | Autsch | Silizium |
| Verfügbarkeit | Überall | Weniger Lieferanten | Silizium |
Real Talk: Ist Germanium jemals “besser”?
Besser ist das falsche Wort. Es ist anders. Stellen Sie sich das wie bei Kameraobjektiven vor: Ein 50-mm-Objektiv ist billig und scharf, aber wenn Sie Vögel in 300 m Entfernung fotografieren müssen, nehmen Sie das 600-mm-Teleobjektiv, obwohl es zehnmal so viel kostet und eine Tonne wiegt.
FAQ - Dinge, die wir tatsächlich gefragt werden
F: Kann ich einfach eine Silizium-Photodiode mit einem optischen Filter verwenden, um sichtbares Licht zu blockieren, und so tun, als würde sie bei 1550 nm funktionieren?
A: Haha nein. Die Bandlücke von Silizium beträgt ~1,1 eV, also erzeugen Photonen bei 1550 nm (0,8 eV) einfach keine Elektron-Loch-Paare. Du wirst genau null Photostrom messen. Filter ändern die Physik nicht auf magische Weise.
F: Ist Germanium giftig oder radioaktiv oder so?
A: Nein. Reines Germanium ist ungefähr so gefährlich wie Silizium. Das alte Gerücht stammt von Germaniumtetrachlorid (das in der Faserproduktion verwendet wird), das beim Einatmen unangenehm ist, aber der Kristall selbst ist völlig sicher.
F: Warum verwenden einige hochwertige SWIR-Kameras jetzt InGaAs anstelle von Germanium?
A: InGaAs hat ein geringeres Rauschen, funktioniert hervorragend im Bereich von 900-1700 nm (oder sogar 2600 nm), und der Dunkelstrom ist viel geringer als bei Germanium. Aber es kostet ein kleines Vermögen. Germanium ist immer noch der Preiskönig, wenn Sie nur bis ~1800 nm brauchen und es etwas kühlen können.
Haben Sie noch Fragen? Möchten Sie ein Angebot für einen kundenspezifischen Si oder Ge Detektor? Kontaktieren Sie uns auf unserer Kontaktseite oder antworten Sie einfach auf diesen Artikel. Wir sind Bee Photon - wir bauen diese Dinge jeden Tag und fachsimpeln gerne.
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- Das Team von Bienen-Photon
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