Fotodetektor: obwód, działanie, rodzaje i zastosowania

Fotodetektor jest niezbędnym elementem odbiornika optycznego, który przetwarza przychodzący sygnał optyczny na sygnał elektryczny. Fotodetektory półprzewodnikowe są zwykle nazywane fotodiodami, ponieważ są to główne typy fotodetektorów stosowanych w optycznych systemy porozumiewania się ze względu na dużą szybkość wykrywania, wysoką skuteczność wykrywania i niewielkie rozmiary. Obecnie fotodetektory są szeroko stosowane w elektronice przemysłowej, komunikacji elektronicznej, medycynie i opiece zdrowotnej, sprzęcie analitycznym, motoryzacji i transporcie oraz wielu innych. Są one również znane jako fotoczujniki i czujniki światła. Tak więc w tym artykule omówiono przegląd a fotodetektor – praca z aplikacjami.

Co to jest fotodetektor?

Definicja fotodetektora to; urządzenie optoelektroniczne używane do wykrywania padającego światła lub mocy optycznej w celu przekształcenia go w sygnał elektryczny jest znane jako fotodetektor. Zwykle ten sygnał o/p jest proporcjonalny do padającej mocy optycznej. Czujniki te są absolutnie potrzebne do różnych zastosowań naukowych, takich jak kontrola procesów, systemy komunikacji światłowodowej, bezpieczeństwo, wykrywanie środowiska, a także w zastosowaniach obronnych. Przykładami fotodetektorów są fototranzystory i fotodiody .

Jak działa fotodetektor?

Fotodetektor działa po prostu poprzez wykrywanie światła lub innego promieniowania elektromagnetycznego, a urządzenia mogą odbierać przesyłane sygnały optyczne. Fotodetektory, które wykorzystują półprzewodniki działają na zasadzie tworzenia pary elektron-dziura na zasadzie napromieniowania światłem.

Gdy materiał półprzewodnikowy zostanie oświetlony przez fotony o energiach wysokich lub równoważnych z jego pasmem wzbronionym, wówczas zaabsorbowane fotony zachęcają elektrony z pasma walencyjnego do przejścia do pasma przewodnictwa, pozostawiając w ten sposób dziury w paśmie walencyjnym. Elektrony w paśmie przewodnictwa zachowują się jak swobodne elektrony (dziury), które mogą rozpraszać się pod wpływem wewnętrznego lub zewnętrznego pola elektrycznego.

Fotogenerowane pary elektron-dziura z powodu absorpcji optycznej mogą rekombinować i ponownie emitować światło, chyba że zostaną poddane separacji za pośrednictwem pola elektrycznego, aby zwiększyć fotoprąd, który jest ułamkiem fotogenerowanych nośników ładunku swobodnego otrzymanych w elektrody układu fotodetektora. Wielkość fotoprądu przy określonej długości fali jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego światła.

Nieruchomości

Poniżej omówiono właściwości fotodetektorów.

Widmowa odpowiedź – Jest to odpowiedź fotodetektora jako funkcja częstotliwości fotonu.

Wydajność kwantowa - Liczba nośników ładunku wygenerowanych dla każdego fotonu

Odpowiedzialność – Jest to prąd wyjściowy oddzielony przez całkowitą moc światła padającego na detektor.

Moc odpowiadająca poziomowi hałasu – Jest to wymagana ilość mocy świetlnej do wygenerowania sygnału o wielkości równoważnej szumowi urządzenia.

wykrywalność – Pierwiastek kwadratowy z powierzchni detektora oddzielony mocą równoważną szumowi.

Osiągać - Jest to prąd wyjściowy fotodetektora, który jest dzielony przez prąd wytwarzany bezpośrednio przez fotony padające na detektory.

Prąd ciemny- Przepływ prądu przez detektor nawet przy niedoborze światła.

Czas odpowiedzi - Jest to wymagany czas, aby detektor przeszedł od 10 do 90% mocy końcowej.

Widmo hałasu – Wewnętrzny prąd lub napięcie szumu jest funkcją częstotliwości, którą można wyrazić w postaci widmowej gęstości szumu.

nieliniowość – Nieliniowość fotodetektora ogranicza wyjście RF.

Rodzaje fotodetektorów

Fotodetektory są klasyfikowane w oparciu o mechanizm detekcji światła, taki jak efekt fotoelektryczny lub fotoemisyjny, efekt polaryzacji, efekt termiczny, oddziaływanie słabe lub efekt fotochemiczny. Różne typy fotodetektorów obejmują głównie fotodiodę, fotodetektor MSM, fototranzystor, detektor fotoprzewodzący, fototuby i fotopowielacze.

Fotodiody

Są to urządzenia półprzewodnikowe ze strukturą złącza PIN lub PN, w której światło jest pochłaniane w obszarze wyczerpania i wytwarza fotoprąd. Urządzenia te są szybkie, wysoce liniowe, bardzo kompaktowe i generują wysoką wydajność kwantową, co oznacza, że ​​generuje prawie jeden elektron na każdy padający foton i duży zakres dynamiczny. Proszę odnieść się do tego linku, aby dowiedzieć się więcej Fotodiody .

Fotodetektory MSM

Fotodetektory MSM (metal-półprzewodnik-metal) obejmują dwa Schottky'ego kontakty, a nie złącze PN . Detektory te są potencjalnie szybsze w porównaniu z fotodiodami o szerokości pasma do setek GHz. Detektory MSM pozwalają detektorom o bardzo dużej powierzchni na łatwe sprzęganie ze światłowodami bez zmniejszania przepustowości.

Fototranzystor

Fototranzystor jest jednym z typów fotodiod, które wykorzystują wewnętrzne wzmocnienie fotoprądu. Ale nie są one często używane w porównaniu z fotodiodami. Są one używane głównie do wykrywania sygnałów świetlnych i przekształcania ich w cyfrowe sygnały elektryczne. Elementy te są po prostu obsługiwane za pomocą światła, a nie prądu elektrycznego. Fototranzystory są tanie i zapewniają duże wzmocnienie, dlatego są wykorzystywane w różnych zastosowaniach. Proszę odnieść się do tego linku, aby dowiedzieć się więcej fototranzystory .

Detektory fotoprzewodzące

Detektory fotoprzewodzące są również znane jako fotorezystory, fotokomórki i Rezystory zależne od światła . Te detektory są wykonane z niektórych półprzewodników, takich jak CdS (siarczek kadmu). Tak więc ten detektor zawiera materiał półprzewodnikowy z dwiema połączonymi metalowymi elektrodami do wykrywania rezystancji. W porównaniu z fotodiodami nie są one drogie, ale są dość powolne, niezbyt czułe i wykazują nieliniową reakcję. Alternatywnie, mogą reagować na światło podczerwone o długich falach. Detektory fotoprzewodzące są podzielone na różne typy w oparciu o funkcję odpowiedzi widmowych, takich jak zakres długości fal widzialnych, zakres długości fal bliskiej podczerwieni i zakres długości fal IR.

Fototuby

Rury wypełnione gazem lub lampy próżniowe, które są używane jako fotodetektory, są znane jako fotorurki. Fototubus to a detektor fotoemisyjny który wykorzystuje zewnętrzny efekt fotoelektryczny lub efekt fotoemisyjny. Rury te są często opróżniane lub czasami napełniane gazem pod niskim ciśnieniem.

Fotopowielacz

Fotopowielacz to jeden rodzaj fototuby, który zamienia padające fotony na sygnał elektryczny. Detektory te wykorzystują proces powielania elektronów w celu uzyskania znacznie zwiększonej czułości. Mają duży obszar aktywny i dużą prędkość. Dostępne są różne typy fotopowielaczy, takie jak fotopowielacz rurowy, fotopowielacz magnetyczny, fotopowielacz elektrostatyczny i fotopowielacz krzemowy.

Schemat obwodu fotodetektora

Obwód czujnika światła wykorzystujący fotodetektor pokazano poniżej. W tym obwodzie fotodioda służy jako fotodetektor do wykrywania istnienia lub braku światła. Czułość tego czujnika można łatwo dostosować za pomocą ustawienia wstępnego.

Wymagane elementy tego obwodu czujnika światła obejmują głównie fotodiodę, diodę LED, Układ scalony LM339 , Rezystor, Preset, itp. Podłącz obwód zgodnie ze schematem pokazanym poniżej.

Pracujący

Fotodioda służy jako fotodetektor do generowania prądu w obwodzie, gdy pada na niego światło. W tym obwodzie fotodioda jest używana w trybie polaryzacji wstecznej przez rezystor R1. Tak więc ten rezystor R1 nie pozwala na dostarczanie zbyt dużego prądu przez fotodiodę w przypadku dużej ilości kropli światła na fotodiodzie.

Gdy na fotodiodę nie pada żadne światło, powoduje to wysoki potencjał na pinie 6 komparatora LM339 (wejście odwracające). Gdy światło pada na tę diodę, umożliwia przepływ prądu przez diodę, a zatem napięcie na niej spada. Styk 7 (wejście nieodwracające) komparatora jest podłączony do VR2 (rezystor zmienny) w celu ustawienia napięcia odniesienia komparatora.

Tutaj komparator działa, gdy nieodwracające wejście komparatora jest wysokie w porównaniu z wejściem odwracającym, a następnie jego wyjście pozostaje wysokie. Tak więc pin wyjściowy układu scalonego, taki jak pin-1, jest podłączony do diody elektroluminescencyjnej. W tym przypadku napięcie odniesienia jest ustawiane w ramach ustawienia wstępnego VR1, aby odpowiadało oświetleniu progowemu. Na wyjściu dioda LED zostanie włączona, gdy światło pada na fotodiodę. Tak więc wejście odwracające spada do niższej wartości w porównaniu do wartości zadanej ustawionej na wejściu nieodwracającym. Tak więc wyjście dostarcza wymagane odchylenie do przodu do diody elektroluminescencyjnej.

Fotodetektor kontra fotodioda

Różnica między fotodetektorem a fotodiodą obejmuje następujące elementy.

Wydajność kwantowa fotodetektora

Sprawność kwantową fotodetektora można zdefiniować jako ułamek padających fotonów, które są absorbowane przez fotoprzewodnik do wytworzonych elektronów, które są gromadzone na terminalu detektora.

Wydajność kwantową można oznaczyć za pomocą „η”

Wydajność kwantowa (η) = Wygenerowane elektrony/Całkowita liczba padających fotonów

Zatem,

η = (Prąd/ Ładunek elektronu)/(Całkowita moc optyczna padającego fotonu/ Energia fotonu)

Więc matematycznie stanie się to jak

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

Zalety i wady

Zalety fotodetektora są następujące.

• Fotodetektory są niewielkich rozmiarów.
• Jego prędkość wykrywania jest szybka.
• Jego skuteczność wykrywania jest wysoka.
• Generują mniej hałasu.
• Nie są drogie, kompaktowe i lekkie.
• Mają długą żywotność.
• Mają wysoką wydajność kwantową.
• Nie wymaga wysokiego napięcia.

The wady fotodetektora zawierać następujące.

• Mają bardzo niską czułość.
• Nie mają żadnego wewnętrznego zysku.
• Czas reakcji jest bardzo powolny.
• Obszar aktywny tego detektora jest mały.
• Zmiana w prądzie jest bardzo mała, więc może nie być wystarczająca do napędzania obwodu.
• Wymaga napięcia offsetowego.

Zastosowania fotodetektorów

Zastosowania fotodetektora obejmują następujące.

• Fotodetektory są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, począwszy od automatycznych drzwi w supermarketach, a skończywszy na pilotach telewizyjnych w domu.
• Są to istotne komponenty stosowane w komunikacji optycznej, bezpieczeństwie, noktowizji, obrazowaniu wideo, obrazowaniu biomedycznym, wykrywaniu ruchu i wykrywaniu gazów, które mają zdolność dokładnej zmiany światła na sygnały elektryczne.
• Służą do pomiaru mocy optycznej i strumienia świetlnego
• Są one stosowane głównie w różnego rodzaju konstrukcjach mikroskopów i czujników optycznych.
• Są one istotne dla dalmierzy laserowych.
• Są one zwykle używane w metrologii częstotliwości, komunikacji światłowodowej itp.
• Fotodetektory w fotometrii i radiometrii służą do pomiaru różnych właściwości, takich jak moc optyczna, natężenie optyczne, natężenie promieniowania i strumień świetlny.
• Są one używane do pomiaru mocy optycznej w spektrometrach, optycznych urządzeniach do przechowywania danych, barierach świetlnych, profilerach wiązki, mikroskopach fluorescencyjnych, autokorelatorach, interferometrach i różnego rodzaju czujnikach optycznych.
• Są one używane do eksperymentów LIDAR, dalmierzy laserowych, urządzeń noktowizyjnych i optyki kwantowej.
• Mają one zastosowanie w metrologii częstotliwości optycznych, komunikacji światłowodowej, a także do klasyfikacji szumu laserowego lub laserów impulsowych.
• Dwuwymiarowe matryce z kilkoma identycznymi fotodetektorami są używane głównie jako matryce płaszczyzny ogniskowej i często do zastosowań związanych z obrazowaniem.

Do czego służy fotodetektor?

Fotodetektory służą do przetwarzania energii fotonów światła na sygnał elektryczny.

Jakie są cechy fotodetektora?

Charakterystyka fotodetektorów to światłoczułość, odpowiedź widmowa, wydajność kwantowa, szum przewodzenia, prąd ciemny, moc równoważna szumowi, odpowiedź czasowa, pojemność końcowa, częstotliwość odcięcia i szerokość pasma częstotliwości.

Jakie są wymagania fotodetektora?

Wymagania fotodetektorów to; krótkie czasy reakcji, najmniejszy udział szumów, niezawodność, wysoka czułość, liniowa odpowiedź w szerokim zakresie natężenia światła, niskie napięcie polaryzacji, niski koszt i stabilność charakterystyki działania.

Co jest używane w specyfikacji czujek optycznych?

Równoważna moc szumu jest używana w specyfikacji detektorów optycznych, ponieważ to optyczna moc wejściowa generuje dodatkową moc wyjściową równą mocy szumu dla określonej szerokości pasma.

Czy wydajność kwantowa i wydajność kwantowa są takie same?

Wydajność kwantowa i wydajność kwantowa nie są takie same, ponieważ prawdopodobieństwo wyemitowania fotonu po pochłonięciu jednego fotonu to wydajność kwantowa, podczas gdy wydajność kwantowa to prawdopodobieństwo, że foton zostanie wyemitowany, gdy układ zostanie zasilony do stanu emisji.

Tak jest przegląd fotodetektora – praca z aplikacjami. Urządzenia te opierają się na wewnętrznym i zewnętrznym efekcie fotoelektrycznym, dlatego służą głównie do wykrywania światła. Oto pytanie do ciebie, jakie są detektory optyczne ?