Fotodetektor: obvod, práca, typy a jeho aplikácie

Fotodetektor je základnou súčasťou optického prijímača, ktorý premieňa prichádzajúci optický signál na elektrický signál. Polovodičové fotodetektory sa zvyčajne nazývajú fotodiódy, pretože ide o hlavné typy fotodetektorov používaných v optickej sústave. komunikačné systémy vďaka ich rýchlej rýchlosti detekcie, vysokej účinnosti detekcie a malej veľkosti. V súčasnosti sú fotodetektory široko používané v priemyselnej elektronike, elektronických komunikáciách, medicíne a zdravotníctve, analytických zariadeniach, automobilovom priemysle a doprave a mnohých ďalších. Tieto sú tiež známe ako fotosenzory a senzory svetla. Tento článok teda pojednáva o prehľade a fotodetektor - práca s aplikáciami.

Čo je fotodetektor?

Definícia fotodetektora je; optoelektronické zariadenie, ktoré sa používa na detekciu dopadajúceho svetla alebo optického výkonu na jeho premenu na elektrický signál, je známe ako fotodetektor. Zvyčajne je tento o/p signál úmerný dopadajúcemu optickému výkonu. Tieto senzory sú absolútne potrebné pre rôzne vedecké implementácie, ako je riadenie procesov, komunikačné systémy z optických vlákien, bezpečnosť, environmentálne snímanie a tiež v obranných aplikáciách. Príkladmi fotodetektorov sú fototranzistory a fotodiódy .

Ako funguje fotodetektor?

Fotodetektor jednoducho funguje tak, že deteguje svetlo alebo iné elektromagnetické žiarenie alebo zariadenia môžu prijímať prenášané optické signály. Fotodetektory, ktoré používajú polovodičov fungujú na vytvorení páru elektrón-diera na princípe svetelného žiarenia.

Akonáhle je polovodičový materiál osvetlený fotónmi, ktoré majú vysoké alebo ekvivalentné energie jeho bandgap, potom absorbované fotóny povzbudia elektróny valenčného pásma, aby sa presunuli do vodivého pásma, čím zanechajú diery vo valenčnom pásme. Elektróny vo vodivom pásme fungujú ako voľné elektróny (diery), ktoré sa môžu rozptýliť pod silou vlastného alebo externe aplikovaného elektrického poľa.

Fotogenerované páry elektrón-diera môžu kvôli optickej absorpcii rekombinovať a reemitovať svetlo, pokiaľ nie sú podrobené separácii sprostredkovanej elektrickým poľom, aby sa zvýšil fotoprúd, ktorý je zlomkom fotogenerovaných voľných nosičov náboja prijatých pri elektródy usporiadania fotodetektorov. Veľkosť fotoprúdu pri špecifikovanej vlnovej dĺžke je priamo úmerná intenzite dopadajúceho svetla.

Vlastnosti

Vlastnosti fotodetektorov sú uvedené nižšie.

Spektrálna odozva – Je to odozva fotodetektora ako funkcia fotónovej frekvencie.

Kvantová účinnosť - Počet nosičov náboja vygenerovaných pre každý fotón

Odozva - Je to výstupný prúd oddelený od celkového výkonu svetla dopadajúceho na detektor.

Výkon ekvivalentný hluku – Je to množstvo svetelného výkonu potrebné na vygenerovanie signálu, ktorý je svojou veľkosťou ekvivalentný hluku zariadenia.

Detektívnosť – Druhá odmocnina plochy detektora oddelená výkonom ekvivalentného šumu.

zisk – Je to výstupný prúd fotodetektora, ktorý sa vydelí priamo produkovaným prúdom dopadajúcimi fotónmi na detektory.

Temný prúd - Tok prúdu cez detektor aj pri nedostatku svetla.

Doba odozvy - Je to čas potrebný na to, aby detektor prešiel z 10 – 90 % konečného výkonu.

Šumové spektrum - Vlastný šumový prúd alebo napätie je funkciou frekvencie, ktorá môže byť vyjadrená formou spektrálnej hustoty šumu.

Nelinearita - Nelinearita fotodetektora obmedzuje RF výstup.

Typy fotodetektorov

Fotodetektory sú klasifikované na základe mechanizmu detekcie svetla, ako je fotoelektrický alebo fotoemisný efekt, polarizačný efekt, tepelný efekt, slabá interakcia alebo fotochemický efekt. Rôzne typy fotodetektorov zahŕňajú hlavne fotodiódu, MSM fotodetektor, fototranzistor, fotovodivý detektor, fotoelektrónky a fotonásobiče.

Fotodiódy

Sú to polovodičové zariadenia so štruktúrou PIN alebo PN prechodu, kde sa svetlo absorbuje v oblasti vyčerpania a vytvára fotoprúd. Tieto zariadenia sú rýchle, vysoko lineárne, veľmi kompaktné a generujú vysokú kvantovú účinnosť, čo znamená, že generujú takmer jeden elektrón pre každý dopadajúci fotón a vysoký dynamický rozsah. Viac informácií nájdete na tomto odkaze Fotodiódy .

Fotodetektory MSM

Fotodetektory MSM (Metal-semiconductor-metal) zahŕňajú dva Schottky skôr kontakty ako a PN križovatka . Tieto detektory sú potenciálne rýchlejšie v porovnaní s fotodiódami so šírkou pásma až stovky GHz. Detektory MSM umožňujú detektorom s veľmi veľkou plochou, aby sa ľahko spojili s optickými vláknami bez degradácie šírky pásma.

Fototranzistor

Fototranzistor je jeden typ fotodiódy, ktorý využíva vnútorné zosilnenie fotoprúdu. Tie sa však v porovnaní s fotodiódami často nepoužívajú. Používajú sa hlavne na detekciu svetelných signálov a ich zmenu na digitálne elektrické signály. Tieto komponenty sú jednoducho ovládané svetlom a nie elektrickým prúdom. Fototranzistory sú lacné a poskytujú veľké množstvo zisku, takže sa používajú v rôznych aplikáciách. Viac informácií nájdete na tomto odkaze fototranzistory .

Fotovodivé detektory

Fotovodivé detektory sú tiež známe ako fotorezistory, fotobunky a rezistory závislé od svetla . Tieto detektory sú vyrobené s určitými polovodičmi, ako je CdS (sulfid kademnatý). Takže tento detektor obsahuje polovodičový materiál s dvoma pripojenými kovovými elektródami na detekciu odporu. V porovnaní s fotodiódami nie sú drahé, ale sú dosť pomalé, nie sú extrémne citlivé a vykazujú nelineárnu odozvu. Prípadne môžu reagovať na dlhovlnné IR svetlo. Fotovodivé detektory sú rozdelené do rôznych typov na základe funkcie spektrálnej odozvy, ako je rozsah viditeľných vlnových dĺžok, blízky infračervený rozsah vlnových dĺžok a rozsah IR vlnových dĺžok.

Fototrubice

Plynom naplnené trubice alebo vákuové trubice, ktoré sa používajú ako fotodetektory, sú známe ako fotoelektróny. Fotorúrka je a fotoemisný detektor ktorý využíva vonkajší fotoelektrický efekt alebo fotoemisný efekt. Tieto rúrky sú často evakuované alebo niekedy naplnené plynom pri nízkom tlaku.

Fotonásobič

Fotonásobič je jeden typ fotorúry, ktorý mení dopadajúce fotóny na elektrický signál. Tieto detektory využívajú proces násobenia elektrónov na získanie oveľa zvýšenej odozvy. Majú veľkú aktívnu plochu a vysokú rýchlosť. K dispozícii sú rôzne typy fotonásobičov ako fotonásobič, magnetický fotonásobič, elektrostatický fotonásobič a kremíkový fotonásobič.

Schéma obvodu fotodetektora

Obvod svetelného senzora pomocou fotodetektora je znázornený nižšie. V tomto obvode sa fotodióda používa ako fotodetektor na detekciu existencie alebo neexistencie svetla. Citlivosť tohto senzora sa dá jednoducho upraviť pomocou predvoľby.

Medzi požadované komponenty tohto obvodu svetelného senzora patrí najmä fotodióda, LED, LM339 IC , Rezistor, Preset, atď. Pripojte obvod podľa schémy zapojenia uvedenej nižšie.

Pracovné

Fotodióda sa používa ako fotodetektor na generovanie prúdu v obvode, keď naň dopadne svetlo. V tomto obvode sa fotodióda používa v režime spätného predpätia cez odpor R1. Takže tento odpor R1 neumožňuje dodávať príliš veľa prúdu cez fotodiódu v prípade, že na fotodiódu dopadne veľké množstvo svetla.

Keď na fotodiódu nedopadá žiadne svetlo, výsledkom je vysoký potenciál na kolíku 6 komparátora LM339 (invertujúci vstup). Akonáhle svetlo dopadne na túto diódu, umožní prúd dodávať cez diódu, a tak na nej klesne napätie. Pin7 (neinvertujúci vstup) komparátora je pripojený k VR2 (variabilný odpor), aby sa nastavilo referenčné napätie komparátora.

Tu komparátor funguje, keď je neinvertujúci vstup komparátora vysoký v porovnaní s invertujúcim vstupom, potom jeho výstup zostáva vysoký. Takže výstupný kolík integrovaného obvodu, ako je kolík-1, je pripojený k dióde vyžarujúcej svetlo. Tu je referenčné napätie nastavené v rámci predvoľby VR1 tak, aby zodpovedalo prahovému osvetleniu. Na výstupe sa LED rozsvieti, keď svetlo dopadne na fotodiódu. Takže invertujúci vstup klesne na nižšiu hodnotu v porovnaní s referenčnou hodnotou nastavenou na neinvertujúcom vstupe. Takže výstup dodáva požadované predpätie do diódy vyžarujúcej svetlo.

Fotodetektor vs fotodióda

Rozdiel medzi fotodetektorom a fotodiódou zahŕňa nasledovné.

Kvantová účinnosť fotodetektora

Kvantovú účinnosť fotodetektora možno definovať ako časť dopadajúcich fotónov, ktoré sú absorbované cez fotovodič k vytvoreným elektrónom, ktoré sa zhromažďujú na termináli detektora.

Kvantová účinnosť môže byť označená „η“

Kvantová účinnosť (η) = generované elektróny/celkový počet dopadajúcich fotónov

teda

η = (prúd/ náboj elektrónu)/(celková optická sila dopadajúceho fotónu/ energia fotónu)

Takže matematicky to bude podobné

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

Výhody a nevýhody

Medzi výhody fotodetektora patria nasledujúce.

• Fotodetektory majú malú veľkosť.
• Rýchlosť jeho detekcie je vysoká.
• Jeho detekčná účinnosť je vysoká.
• Vytvárajú menej hluku.
• Nie sú drahé, kompaktné a ľahké.
• Majú dlhú životnosť.
• Majú vysokú kvantovú účinnosť.
• Nevyžaduje vysoké napätie.

The Nevýhody fotodetektora zahŕňajú nasledujúce.

• Majú veľmi nízku citlivosť.
• Nemajú žiadny vnútorný zisk.
• Čas odozvy je veľmi pomalý.
• Aktívna plocha tohto detektora je malá.
• Zmena v rámci prúdu je extrémne malá, takže nemusí byť dostatočná na riadenie obvodu.
• Vyžaduje ofsetové napätie.

Aplikácie fotodetektorov

Aplikácie fotodetektora zahŕňajú nasledujúce.

• Fotodetektory sa používajú v rôznych aplikáciách, od automatických dverí v supermarketoch až po diaľkové ovládače televízorov vo vašej domácnosti.
• Sú to dôležité dôležité komponenty používané v optickej komunikácii, bezpečnosti, nočnom videní, video zobrazovaní, biomedicínskom zobrazovaní, detekcii pohybu a snímaní plynov, ktoré majú schopnosť presne meniť svetlo na elektrické signály.
• Používajú sa na meranie optického výkonu a svetelného toku
• Používajú sa hlavne v rôznych druhoch návrhov mikroskopov a optických snímačov.
• Tie sú dôležité pre laserové diaľkomery.
• Bežne sa používajú vo frekvenčnej metrológii, komunikácii s optickými vláknami atď.
• Fotodetektory vo fotometrii a rádiometrii sa používajú na meranie rôznych vlastností, ako je optická sila, optická intenzita, ožiarenosť a svetelný tok.
• Používajú sa na meranie optickej sily v rámci spektrometrov, zariadení na ukladanie optických údajov, svetelných závor, profilov lúčov, fluorescenčných mikroskopov, autokorelátorov, interferometrov a rôznych druhov optických senzorov.
• Používajú sa na LIDAR, laserové diaľkomery, zariadenia na nočné videnie a experimenty s kvantovou optikou.
• Sú použiteľné v optickej frekvenčnej metrológii, komunikáciách s optickými vláknami a tiež na klasifikáciu laserového šumu alebo pulzných laserov.
• Dvojrozmerné polia s niekoľkými identickými fotodetektormi sa používajú hlavne ako polia s ohniskovou rovinou a často na zobrazovacie aplikácie.

Na čo slúži fotodetektor?

Fotodetektory sa používajú na premenu fotónovej energie svetla na elektrický signál.

Aké sú vlastnosti fotodetektora?

Charakteristiky fotodetektorov sú fotosenzitivita, spektrálna odozva, kvantová účinnosť, dopredný šum, temný prúd, ekvivalentný výkon šumu, časovacia odozva, koncová kapacita, medzná frekvencia a šírka pásma.

Aké sú požiadavky na fotodetektor?

Požiadavky fotodetektorov sú; krátke časy odozvy, najmenší príspevok šumu, spoľahlivosť, vysoká citlivosť, lineárna odozva v širokom rozsahu intenzít svetla, nízke predpätie, nízke náklady a stabilita výkonových charakteristík.

Čo sa používa pri špecifikácii optických detektorov?

Výkon ekvivalentný šumu sa používa v špecifikácii optických detektorov, pretože je to optický vstupný výkon, ktorý generuje dodatočný výstupný výkon, ktorý sa rovná výkonu šumu pre špecifikovanú šírku pásma.

Je kvantový výnos a kvantová účinnosť rovnaké?

Kvantový výťažok a kvantová účinnosť nie sú rovnaké, pretože pravdepodobnosť, že fotón vyžaruje po absorpcii jedného fotónu, je kvantový výťažok, zatiaľ čo kvantová účinnosť je pravdepodobnosť, že sa fotón vyžaruje, keď sa systém uvedie do stavu vyžarovania.

Teda toto je prehľad fotodetektora - práca s aplikáciami. Tieto zariadenia sú založené na vnútornom a vonkajšom fotoelektrickom efekte, preto sa používajú hlavne na detekciu svetla. Tu je pre vás otázka, aké sú optické detektory ?