Fotodetektor: sklop, rad, vrste i njegove primjene

Fotodetektor je bitna komponenta u optičkom prijamniku koji pretvara dolazni optički signal u električni signal. Poluvodički fotodetektori obično se nazivaju fotodiode jer su to glavne vrste fotodetektora koji se koriste u optičkoj komunikacijski sustavi zbog njihove brze detekcije, visoke učinkovitosti detekcije i male veličine. Trenutačno se fotodetektori naširoko koriste u industrijskoj elektronici, elektroničkim komunikacijama, medicini i zdravstvu, analitičkoj opremi, automobilskoj industriji i transportu i još mnogo toga. Oni su također poznati kao fotosenzori i senzori svjetlosti. Dakle, ovaj članak raspravlja o pregledu a fotodetektor – rad s aplikacijama.

Što je fotodetektor?

Definicija fotodetektora je; optoelektronički uređaj koji se koristi za otkrivanje upadne svjetlosti ili optičke snage za pretvaranje u električni signal poznat je kao fotodetektor. Obično je ovaj o/p signal proporcionalan upadnoj optičkoj snazi. Ovi senzori su apsolutno potrebni za različite znanstvene implementacije kao što su kontrola procesa, komunikacijski sustavi s optičkim vlaknima, sigurnost, senzori okoliša i također u obrambenim aplikacijama. Primjeri fotodetektora su fototranzistori i fotodiode .

Kako radi fotodetektor?

Fotodetektor jednostavno radi tako što detektira svjetlo ili drugo elektromagnetsko zračenje ili uređaji mogu primati emitirane optičke signale. Fotodetektori koji koriste poluvodiči rade na stvaranju para elektron-šupljina na principu svjetlosnog zračenja.

Nakon što je poluvodički materijal osvijetljen kroz fotone koji imaju visoke ili ekvivalentne energije njegovom pojasnom pojasu, tada apsorbirani fotoni potiču elektrone valentnog pojasa da prijeđu u vodljivi pojas, ostavljajući za sobom rupe unutar valentnog pojasa. Elektroni u vodljivom pojasu djeluju kao slobodni elektroni (rupe) koji se mogu raspršiti pod utjecajem intrinzičnog ili vanjskog električnog polja.

Fotografski generirani parovi elektron-šupljina zbog optičke apsorpcije mogu se rekombinirati i ponovno emitirati svjetlost osim ako nisu podvrgnuti odvajanju posredovanom električnim poljem da bi se povećala fotostruja, što je dio foto-generiranih slobodnih nositelja naboja primljenih na elektrode sklopa fotodetektora. Magnituda fotostruje na određenoj valnoj duljini izravno je proporcionalna intenzitetu upadne svjetlosti.

Svojstva

Svojstva fotodetektora razmatraju se u nastavku.

Spektralni odgovor – To je odziv fotodetektora kao funkcija frekvencije fotona.

Kvantna učinkovitost – Broj nositelja naboja generiranih za svaki foton

Responzivnost – To je izlazna struja odvojena ukupnom snagom svjetlosti koja pada na detektor.

Snaga ekvivalentna buci – To je potrebna količina svjetlosne snage za generiranje signala koji je po veličini ekvivalentan buci uređaja.

detektivstvo – Kvadratni korijen površine detektora odvojen snagom ekvivalenta šuma.

Dobitak – To je izlazna struja fotodetektora koja se dijeli s izravno proizvedenom strujom upadnih fotona na detektorima.

Mračna struja- Protok struje kroz detektor čak i pri nedostatku svjetla.

Vrijeme odziva - To je vrijeme potrebno da detektor prijeđe od 10 do 90% konačnog izlaza.

Spektar buke – Intrinzična struja ili napon šuma je funkcija frekvencije koja se može prikazati u obliku spektralne gustoće šuma.

Nelinearnost – Nelinearnost fotodetektora ograničava RF izlaz.

Vrste fotodetektora

Fotodetektori se klasificiraju na temelju mehanizma detekcije svjetlosti poput fotoelektričnog ili fotoemisionog učinka, polarizacijskog učinka, toplinskog učinka, slabe interakcije ili fotokemijskog učinka. Različite vrste fotodetektora uglavnom uključuju fotodiodu, MSM fotodetektor, fototranzistor, fotovodljivi detektor, fotocijevi i fotomultiplikatore.

fotodiode

To su poluvodički uređaji sa strukturom spoja PIN ili PN gdje se svjetlost apsorbira unutar osiromašenog područja i proizvodi fotostruju. Ovi uređaji su brzi, visoko linearni, vrlo kompaktni i generiraju visoku kvantnu učinkovitost što znači da generiraju gotovo jedan elektron za svaki upadni foton i visok dinamički raspon. Pogledajte ovu vezu da biste saznali više o fotodiode .

MSM fotodetektori

MSM (Metal–poluvodič–metal) fotodetektori uključuju dva Schottky kontakti, a ne a PN spoj . Ovi detektori su potencijalno brži u usporedbi s fotodiodama s pojasnim širinama do stotina GHz. MSM detektori omogućuju detektorima vrlo velikih površina jednostavno spajanje s optičkim vlaknima bez smanjenja propusnosti.

fototranzistor

Fototranzistor je jedna vrsta fotodiode koja koristi unutarnje pojačanje fotostruje. Ali one se ne koriste često u usporedbi s fotodiodama. Oni se uglavnom koriste za otkrivanje svjetlosnih signala i njihovu promjenu u digitalne električne signale. Ovim se komponentama jednostavno upravlja svjetlom, a ne električnom strujom. Fototranzistori su jeftini i daju veliki dobitak, pa se koriste u raznim primjenama. Pogledajte ovu vezu da biste saznali više o fototranzistori .

Fotovodljivi detektori

Fotovodljivi detektori također su poznati kao fotootpornici, fotoćelije i svjetlosno ovisni otpornici . Ovi detektori izrađeni su od određenih poluvodiča kao što je CdS (kadmijev sulfid). Dakle, ovaj detektor uključuje poluvodički materijal s dvije spojene metalne elektrode za detekciju otpora. U usporedbi s fotodiodama, one nisu skupe, ali su prilično spore, nisu iznimno osjetljive i pokazuju nelinearan odziv. Alternativno, mogu reagirati na dugovalno IR svjetlo. Fotovodljivi detektori se dijele na različite tipove na temelju funkcije spektralne osjetljivosti kao što su vidljivi raspon valnih duljina, bliski infracrveni raspon valnih duljina i IR raspon valnih duljina.

Fotocijevi

Cijevi punjene plinom ili vakuumske cijevi koje se koriste kao fotodetektori poznate su kao fotocijevi. Fotocijev je a fotoemisioni detektor koji koristi vanjski fotoelektrični ili fotoemisijski učinak. Ove cijevi se često evakuiraju ili ponekad pune plinom pod niskim tlakom.

Fotomultiplikator

Fotomultiplikator je jedna vrsta fotocijevi koja pretvara upadne fotone u električni signal. Ovi detektori koriste proces umnažanja elektrona kako bi dobili znatno povećanu osjetljivost. Imaju veliko aktivno područje i veliku brzinu. Dostupne su različite vrste fotomultiplikatora kao što su fotomultiplikator, magnetski fotomultiplikator, elektrostatički fotomultiplikator i silikonski fotomultiplikator.

Dijagram strujnog kruga fotodetektora

Krug svjetlosnog senzora koji koristi fotodetektor prikazan je dolje. U ovom krugu, fotodioda se koristi kao fotodetektor za otkrivanje postojanja ili nepostojanja svjetlosti. Osjetljivost ovog senzora može se jednostavno podesiti pomoću unaprijed postavljenih postavki.

Potrebne komponente ovog kruga svjetlosnog senzora uglavnom uključuju fotodiodu, LED, LM339 IC , Otpornik, Preset, itd. Spojite strujni krug prema dijagramu prikazanom u nastavku.

radim

Fotodioda se koristi kao fotodetektor za generiranje struje unutar kruga nakon što svjetlost padne na nju. U ovom krugu, fotodioda se koristi u modu obrnute prednapone preko otpornika R1. Dakle, ovaj otpornik R1 ne dopušta previše struje kroz fotodiodu u slučaju da velika količina svjetlosti padne na fotodiodu.

Kada svjetlost ne pada na fotodiodu, to rezultira visokim potencijalom na pinu 6 komparatora LM339 (invertirajući ulaz). Jednom kada svjetlost padne na ovu diodu, ona dopušta struju kroz diodu i tako će napon pasti na njoj. Pin7 (neinvertirajući ulaz) komparatora spojen je na VR2 (varijabilni otpornik) za postavljanje referentnog napona komparatora.

Ovdje komparator radi kada je neinvertirajući ulaz komparatora visok u usporedbi s invertirajućim ulazom, tada njegov izlaz ostaje visok. Dakle, izlazni pin IC-a kao što je pin-1 spojen je na diodu koja emitira svjetlo. Ovdje je referentni napon postavljen kroz unaprijed postavljenu postavku VR1 da odgovara pragu osvjetljenja. Na izlazu, LED će se upaliti kada svjetlost padne na fotodiodu. Dakle, invertirajući ulaz pada na nižu vrijednost u usporedbi s referentnom postavkom na neinvertirajućem ulazu. Dakle, izlaz daje potrebnu prednaprednost diodi koja emitira svjetlo.

Fotodetektor vs fotodioda

Razlika između fotodetektora i fotodiode uključuje sljedeće.

Kvantna učinkovitost fotodetektora

Kvantna učinkovitost fotodetektora može se definirati kao udio upadnih fotona koji se apsorbiraju kroz fotovodič da bi se proizvedeni elektroni skupili na terminalu detektora.

Kvantna učinkovitost može se označiti s 'η'

Kvantna učinkovitost (η) = generirani elektroni/ukupni broj upadnih fotona

Tako,

η = (struja/naboj elektrona)/(ukupna optička snaga upadnog fotona/energija fotona)

Dakle, matematički, to će postati kao

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Prednosti i nedostatci

Prednosti fotodetektora uključuju sljedeće.

• Fotodetektori su malih dimenzija.
• Njegova brzina detekcije je velika.
• Njegova učinkovitost detekcije je visoka.
• Stvaraju manje buke.
• Nisu skupi, kompaktni su i lagani.
• Imaju dug životni vijek.
• Imaju visoku kvantnu učinkovitost.
• Ne zahtijeva visoki napon.

The nedostaci fotodetektora uključuju sljedeće.

• Imaju vrlo nisku osjetljivost.
• Oni nemaju unutarnji dobitak.
• Vrijeme odziva je vrlo sporo.
• Aktivno područje ovog detektora je malo.
• Promjena unutar struje je izuzetno mala, pa možda neće biti odgovarajuća za pokretanje kruga.
• Zahtijeva offset napon.

Primjena fotodetektora

Primjene fotodetektora uključuju sljedeće.

• Fotodetektori se koriste u različitim aplikacijama koje sežu od automatskih vrata u supermarketima do daljinskih upravljača za TV u vašem domu.
• Ovo su bitne značajne komponente koje se koriste u optičkim komunikacijama, sigurnosti, noćnom gledanju, video slikanju, biomedicinskim slikama, detekciji pokreta i detekciji plina koje imaju sposobnost točne promjene svjetlosti u električne signale.
• Koriste se za mjerenje optičke snage i svjetlosnog toka
• Oni se uglavnom koriste u različitim vrstama dizajna mikroskopa i optičkih senzora.
• Oni su značajni za laserske daljinomjere.
• Oni se obično koriste u frekvencijskom mjeriteljstvu, komunikaciji optičkim vlaknima itd.
• Fotodetektori u fotometriji i radiometriji koriste se za mjerenje različitih svojstava kao što su optička snaga, optički intenzitet, zračenje i svjetlosni tok.
• Koriste se za mjerenje optičke snage u spektrometrima, optičkim uređajima za pohranu podataka, svjetlosnim barijerama, profilerima snopa, fluorescentnim mikroskopima, autokorelatorima, interferometrima i različitim vrstama optičkih senzora.
• Koriste se za LIDAR, laserske daljinomjere, uređaje za noćno gledanje i eksperimente s kvantnom optikom.
• Oni su primjenjivi u mjeriteljstvu optičkih frekvencija, komunikacijama optičkim vlaknima i također za klasifikaciju laserskog šuma ili pulsirajućih lasera.
• Dvodimenzionalni nizovi s nekoliko identičnih fotodetektora uglavnom se koriste kao nizovi u žarišnoj ravnini i često za primjene slika.

Za što se koristi fotodetektor?

Fotodetektori se koriste za pretvaranje energije fotona svjetlosti u električni signal.

Koje su karakteristike fotodetektora?

Karakteristike fotodetektora su fotoosjetljivost, spektralni odziv, kvantna učinkovitost, šum usmjeren prema naprijed, tamna struja, snaga ekvivalenta šuma, vremenski odziv, terminalni kapacitet, granična frekvencija i frekvencijski pojas.

Koji su zahtjevi za fotodetektor?

Zahtjevi fotodetektora su; kratko vrijeme odziva, najmanji doprinos buci, pouzdanost, visoka osjetljivost, linearni odziv u širokom rasponu intenziteta svjetlosti, nizak prednapon, niska cijena i stabilnost performansi.

Što se koristi u specifikaciji optičkih detektora?

Snaga ekvivalenta buke koristi se u specifikaciji optičkih detektora jer je ulazna optička snaga ta koja generira dodatnu izlaznu snagu koja je jednaka toj snazi ​​buke za određenu propusnost.

Jesu li kvantni prinos i kvantna učinkovitost isto?

Kvantni prinos i kvantna učinkovitost nisu isti jer je vjerojatnost emitiranja fotona nakon što je jedan foton apsorbiran kvantni prinos, dok je kvantna učinkovitost vjerojatnost da se foton emitira nakon što je sustav doveden u stanje emitiranja.

Dakle, ovo je pregled fotodetektora – rad s aplikacijama. Ovi uređaji temelje se na unutarnjem i vanjskom fotoelektričnom učinku, pa se uglavnom koriste za detekciju svjetlosti. Ovdje je pitanje za vas, što su optički detektori ?