Fotodetektor: vezje, delovanje, vrste in njegove uporabe

Fotodetektor je bistvena komponenta optičnega sprejemnika, ki pretvarja vhodni optični signal v električni signal. Polprevodniške fotodetektorje običajno imenujemo fotodiode, ker so to glavni tipi fotodetektorjev, ki se uporabljajo v optični komunikacijskih sistemov zaradi njihove hitre hitrosti zaznavanja, visoke učinkovitosti zaznavanja in majhne velikosti. Trenutno se fotodetektorji pogosto uporabljajo v industrijski elektroniki, elektronskih komunikacijah, medicini in zdravstvu, analitični opremi, avtomobilski industriji in transportu ter še veliko več. Ti so znani tudi kot fotosenzorji in senzorji svetlobe. Ta članek torej obravnava pregled a fotodetektor – delo z aplikacijami.

Kaj je fotodetektor?

Opredelitev fotodetektorja je; optoelektronska naprava, ki se uporablja za zaznavanje vpadne svetlobe ali optične moči za pretvorbo v električni signal, je znana kot fotodetektor. Običajno je ta o/p signal sorazmeren vpadni optični moči. Ti senzorji so nujno potrebni za različne znanstvene izvedbe, kot so nadzor procesov, komunikacijski sistemi z optičnimi vlakni, varnost, zaznavanje okolja in tudi v obrambnih aplikacijah. Primeri fotodetektorjev so fototranzistorji in fotodiode .

Kako deluje fotodetektor?

Fotodetektor preprosto deluje tako, da zaznava svetlobo ali drugo elektromagnetno sevanje, naprave pa lahko sprejemajo oddane optične signale. Fotodetektorji, ki uporabljajo polprevodniki delujejo na ustvarjanje para elektron-luknja po principu svetlobnega obsevanja.

Ko je polprevodniški material osvetljen s fotoni, ki imajo visoko ali enakovredno energijo njegovi pasovni vrzeli, potem absorbirani fotoni spodbudijo elektrone valenčnega pasu, da se premaknejo v prevodni pas, tako da za seboj pustijo luknje znotraj valenčnega pasu. Elektroni v prevodnem pasu delujejo kot prosti elektroni (luknje), ki se lahko razpršijo pod močjo lastnega ali zunanjega električnega polja.

Foto-generirani pari elektron-luknja zaradi optične absorpcije se lahko rekombinirajo in ponovno oddajajo svetlobo, razen če so izpostavljeni ločevanju, posredovanemu z električnim poljem, da se poveča fototok, ki je del foto-generiranih prostih nosilcev naboja, prejetih pri elektrode namestitve fotodetektorja. Magnituda fototoka pri določeni valovni dolžini je neposredno sorazmerna z jakostjo vpadne svetlobe.

Lastnosti

Lastnosti fotodetektorjev so obravnavane spodaj.

Spektralni odziv – To je odziv fotodetektorja kot funkcija frekvence fotona.

Kvantna učinkovitost – Število nosilcev naboja, ustvarjenih za vsak foton

Odzivnost – To je izhodni tok, ločen od skupne moči svetlobe, ki pade na detektor.

Ekvivalentna moč hrupa – To je zahtevana količina svetlobne moči za ustvarjanje signala, ki je po velikosti enakovreden šumu naprave.

detektivstvo – Kvadratni koren površine detektorja, ločene z močjo ekvivalenta šuma.

Dobiček – To je izhodni tok fotodetektorja, ki se deli s tokom, ki ga neposredno proizvedejo vpadni fotoni na detektorje.

Temni tok- Tok skozi detektor tudi pri pomanjkanju svetlobe.

Odzivni čas - To je potreben čas, da detektor preide od 10 do 90 % končnega izhoda.

Spekter šuma – Intrinzični šumni tok ali napetost je funkcija frekvence, ki jo lahko označimo v obliki spektralne gostote šuma.

Nelinearnost – Nelinearnost fotodetektorja omejuje RF izhod.

Vrste fotodetektorjev

Fotodetektorji so razvrščeni glede na mehanizem zaznavanja svetlobe, kot so fotoelektrični ali fotoemisijski učinek, polarizacijski učinek, toplotni učinek, šibka interakcija ali fotokemični učinek. Različne vrste fotodetektorjev vključujejo predvsem fotodiode, MSM fotodetektorje, fototranzistorje, fotoprevodne detektorje, fotocevke in fotopomnoževalce.

Fotodiode

To so polprevodniške naprave s strukturo spoja PIN ali PN, kjer se svetloba absorbira v osiromašenem območju in proizvaja fototok. Te naprave so hitre, zelo linearne, zelo kompaktne in ustvarjajo visoko kvantno učinkovitost, kar pomeni, da ustvarijo skoraj en elektron za vsak vpadni foton in visoko dinamično območje. Za več informacij obiščite to povezavo Fotodiode .

MSM fotodetektorji

Fotodetektorji MSM (kovina–polprevodnik–kovina) vključujejo dva Schottky stiki namesto a PN spoj . Ti detektorji so potencialno hitrejši v primerjavi s fotodiodami s pasovnimi širinami do sto GHz. Detektorji MSM omogočajo detektorjem zelo velikih površin enostavno povezovanje z optičnimi vlakni brez poslabšanja pasovne širine.

Fototranzistor

Fototranzistor je ena vrsta fotodiode, ki uporablja notranjo ojačanje fototoka. Vendar se te v primerjavi s fotodiodami ne uporabljajo pogosto. Uporabljajo se predvsem za zaznavanje svetlobnih signalov in njihovo spreminjanje v digitalne električne signale. Te komponente se preprosto upravljajo s svetlobo in ne z električnim tokom. Fototranzistorji so poceni in zagotavljajo veliko ojačenje, zato se uporabljajo v različnih aplikacijah. Za več informacij obiščite to povezavo fototranzistorji .

Fotoprevodni detektorji

Fotoprevodni detektorji so znani tudi kot fotoupori, fotocelice in svetlobno odvisni upori . Ti detektorji so izdelani iz določenih polprevodnikov, kot je CdS (kadmijev sulfid). Torej ta detektor vključuje polprevodniški material z dvema povezanima kovinskima elektrodama za zaznavanje upora. V primerjavi s fotodiodami te niso drage, vendar so precej počasne, niso izjemno občutljive in imajo nelinearen odziv. Druga možnost je, da reagirajo na dolgovalovno IR svetlobo. Fotoprevodni detektorji so ločeni v različne tipe, ki temeljijo na funkciji spektralne odzivnosti, kot so vidno območje valovnih dolžin, območje valovnih dolžin blizu infrardečega sevanja in območje valovnih dolžin IR.

Fotocevi

S plinom napolnjene cevi ali vakuumske cevi, ki se uporabljajo kot fotodetektorji, so znane kot fotocevke. Fotocev je a fotoemisijski detektor ki uporablja zunanji fotoelektrični ali fotoemisijski učinek. Te cevi so pogosto izpraznjene ali včasih napolnjene s plinom pod nizkim tlakom.

Fotopomnoževalec

Fotopomnoževalec je ena vrsta fotocevke, ki vpadne fotone spremeni v električni signal. Ti detektorji uporabljajo postopek množenja elektronov, da dosežejo veliko večjo odzivnost. Imajo veliko aktivno območje in visoko hitrost. Na voljo so različne vrste fotopomnoževalnikov, kot so fotopomnoževalna cev, magnetni fotopomnoževalec, elektrostatični fotopomnoževalec in silicijev fotopomnoževalec.

Shema vezja fotodetektorja

Vezje svetlobnega senzorja z uporabo fotodetektorja je prikazano spodaj. V tem vezju se fotodioda uporablja kot fotodetektor za zaznavanje obstoja ali neobstoja svetlobe. Občutljivost tega senzorja je mogoče enostavno prilagoditi s prednastavitvijo.

Zahtevane komponente tega vezja svetlobnega senzorja vključujejo predvsem fotodiodo, LED, LM339 IC , upor, prednastavitev itd. Priključite vezje v skladu s spodnjim diagramom vezja.

Delo

Fotodioda se uporablja kot fotodetektor za ustvarjanje toka v vezju, ko nanj pade svetloba. V tem vezju se fotodioda uporablja v načinu obratne prednapetosti prek upora R1. Torej ta upor R1 ne dovoljuje prevelike količine toka po celotni fotodiodi, če na fotodiodo pade velika količina svetlobe.

Če na fotodiodo ne pade nobena svetloba, je to posledica visokega potenciala na pin6 primerjalnika LM339 (invertirajoči vhod). Ko svetloba pade na to diodo, dovoli tok po vsej diodi in tako napetost na njej pade. Pin7 (neinvertirajoči vhod) primerjalnika je povezan z VR2 (spremenljivim uporom) za nastavitev referenčne napetosti primerjalnika.

Tu primerjalnik deluje, ko je neinvertirani vhod primerjalnika visok v primerjavi z invertiranim vhodom, potem njegov izhod ostane visok. Torej je izhodni zatič IC, kot je pin-1, povezan s svetlečo diodo. Tukaj je referenčna napetost nastavljena v prednastavitvi VR1 tako, da ustreza osvetlitvi praga. Na izhodu se LED dioda prižge, ko svetloba pade na fotodiodo. Invertni vhod torej pade na nižjo vrednost v primerjavi z referenčno vrednostjo, nastavljeno na neinvertiranem vhodu. Torej izhod dovaja zahtevano prednapetost svetleči diodi.

Fotodetektor proti fotodiodi

Razlika med fotodetektorjem in fotodiodo vključuje naslednje.

Kvantna učinkovitost fotodetektorja

Kvantno učinkovitost fotodetektorja je mogoče opredeliti kot delež vpadnih fotonov, ki se absorbirajo skozi fotoprevodnik do proizvedenih elektronov, ki se zberejo na terminalu detektorja.

Kvantno učinkovitost lahko označimo z 'η'

Kvantna učinkovitost (η) = generirani elektroni/skupno število vpadnih fotonov

torej

η = (Tok/Naboj elektrona)/(Skupna optična moč vpadnega fotona/Energija fotona)

Torej matematično bo postalo tako

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Prednosti in slabosti

Prednosti fotodetektorja so naslednje.

• Fotodetektorji so majhni.
• Njegova hitrost zaznavanja je visoka.
• Njegova učinkovitost zaznavanja je visoka.
• Proizvajajo manj hrupa.
• Niso dragi, kompaktni in lahki.
• Imajo dolgo življenjsko dobo.
• Imajo visoko kvantno učinkovitost.
• Ne zahteva visoke napetosti.

The Slabosti fotodetektorja vključujejo naslednje.

• Imajo zelo nizko občutljivost.
• Nobenega notranjega dobička nimajo.
• Odzivni čas je zelo počasen.
• Aktivno območje tega detektorja je majhno.
• Sprememba znotraj toka je izjemno majhna, zato morda ne bo primerna za pogon vezja.
• Zahteva izravnalno napetost.

Uporaba fotodetektorjev

Aplikacije fotodetektorja vključujejo naslednje.

• Fotodetektorji se uporabljajo v različnih aplikacijah, od avtomatskih vrat v supermarketih do daljinskih upravljalnikov za TV v vašem domu.
• To so bistvene pomembne komponente, ki se uporabljajo v optičnih komunikacijah, varnosti, nočnem gledanju, video slikanju, biomedicinskem slikanju, zaznavanju gibanja in zaznavanju plinov, ki lahko natančno spremenijo svetlobo v električne signale.
• Uporabljajo se za merjenje optične moči in svetlobnega toka
• Uporabljajo se predvsem v različnih oblikah mikroskopov in optičnih senzorjev.
• Ti so pomembni za laserske daljinomere.
• Običajno se uporabljajo v frekvenčnem meroslovju, komunikaciji z optičnimi vlakni itd.
• Fotodetektorji v fotometriji in radiometriji se uporabljajo za merjenje različnih lastnosti, kot so optična moč, optična jakost, obsevanost in svetlobni tok.
• Uporabljajo se za merjenje optične moči v spektrometrih, optičnih napravah za shranjevanje podatkov, svetlobnih pregradah, napravah za profiliranje žarkov, fluorescenčnih mikroskopih, avtokorelatorjih, interferometrih in različnih vrstah optičnih senzorjev.
• Uporabljajo se za LIDAR, laserske daljinomere, naprave za nočno opazovanje in eksperimente s kvantno optiko.
• Uporabljajo se v meroslovju optičnih frekvenc, komunikacijah z optičnimi vlakni in tudi za razvrščanje laserskega šuma ali impulznih laserjev.
• Dvodimenzionalni nizi z več enakimi fotodetektorji se večinoma uporabljajo kot žariščnoravninski nizi in pogosto za slikovne aplikacije.

Za kaj se uporablja fotodetektor?

Fotodetektorji se uporabljajo za pretvorbo fotonske energije svetlobe v električni signal.

Kakšne so značilnosti fotodetektorja?

Značilnosti fotodetektorjev so fotoobčutljivost, spektralni odziv, kvantna učinkovitost, prednastavljeni šum, temni tok, hrupna ekvivalentna moč, časovni odziv, terminalna kapacitivnost, mejna frekvenca in frekvenčna pasovna širina.

Kakšne so zahteve za fotodetektor?

Zahteve za fotodetektorje so: kratki odzivni časi, najmanjši prispevek hrupa, zanesljivost, visoka občutljivost, linearni odziv v širokem razponu jakosti svetlobe, nizka prednapetost, nizki stroški in stabilnost značilnosti delovanja.

Kaj se uporablja v specifikaciji optičnih detektorjev?

Ekvivalentna moč hrupa se uporablja v specifikaciji optičnih detektorjev, ker je optična vhodna moč tista, ki ustvari dodatno izhodno moč, ki je enaka tej moči hrupa za določeno pasovno širino.

Ali sta kvantni izkoristek in kvantna učinkovitost enaka?

Kvantni izkoristek in kvantna učinkovitost nista enaka, ker je verjetnost, da foton oddaja, ko je bil en foton absorbiran, kvantni izkoristek, medtem ko je kvantna učinkovitost verjetnost, da se foton odda, ko je sistem napolnjen do stanja oddajanja.

Torej, to je pregled fotodetektorja – delo z aplikacijami. Te naprave temeljijo na notranjem in zunanjem fotoelektričnem učinku, zato se večinoma uporabljajo za zaznavanje svetlobe. Tukaj je vprašanje za vas, kaj so optični detektorji ?