Fotodetektor: Krets, arbeid, typer og dens bruksområder

Fotodetektoren er en viktig komponent i en optisk mottaker som konverterer det innkommende optiske signalet til et elektrisk signal. Halvlederfotodetektorer kalles vanligvis fotodioder fordi disse er hovedtypene fotodetektorer som brukes i optisk kommunikasjonssystemer på grunn av deres raske deteksjonshastighet, høye deteksjonseffektivitet og lille størrelse. For tiden er fotodetektorer mye brukt i industriell elektronikk, elektronisk kommunikasjon, medisin og helsevesen, analytisk utstyr, bil og transport og mange flere. Disse er også kjent som fotosensorer og lyssensorer. Så denne artikkelen diskuterer en oversikt over en fotodetektor – jobbe med applikasjoner.

Hva er fotodetektor?

En fotodetektordefinisjon er; en optoelektronisk enhet som brukes til å oppdage innfallende lys eller optisk kraft for å konvertere det til et elektrisk signal, er kjent som en fotodetektor. Vanligvis er dette o/p-signalet proporsjonalt med den innfallende optiske effekten. Disse sensorene er absolutt nødvendige for forskjellige vitenskapelige implementeringer som prosesskontroll, fiberoptiske kommunikasjonssystemer, sikkerhet, miljøføling og også i forsvarsapplikasjoner. Eksempler på fotodetektorer er fototransistorer og fotodioder .

Hvordan fungerer fotodetektor?

Fotodetektor fungerer ganske enkelt ved å oppdage lys eller annen elektromagnetisk stråling eller enheter kan motta de overførte optiske signalene. Fotodetektorer som bruker halvledere operere på elektron-hull-par-opprettelsen etter lysbestrålingsprinsippet.

Når et halvledermateriale er belyst gjennom fotoner som har høye eller tilsvarende energier til båndgapet, oppmuntrer absorberte fotoner valensbåndelektroner til å bevege seg inn i ledningsbåndet, slik at de etterlater hull i valensbåndet. Elektronene i ledningsbåndet fungerer som frie elektroner (hull) som kan spre seg under kraften av et iboende eller eksternt påført elektrisk felt.

De fotogenererte elektron-hull-parene på grunn av optisk absorpsjon kan rekombinere og re-utsende lys med mindre de utsettes for en elektrisk felt-mediert separasjon for å gi en økning til en fotostrøm, som er en brøkdel av de fotogenererte gratis ladningsbærerne mottatt ved elektrodene til fotodetektorarrangementet. Fotostrømmens størrelse ved en spesifisert bølgelengde er direkte proporsjonal med intensiteten av innfallende lys.

Eiendommer

Egenskapene til fotodetektorer diskuteres nedenfor.

Spektral respons – Det er fotodetektorens respons som en fotonfrekvensfunksjon.

Kvanteeffektivitet – Antallet ladningsbærere som genereres for hvert foton

Responsivitet – Det er utgangsstrømmen atskilt av den totale effekten av lys som faller på detektoren.

Støyekvivalent effekt – Det er den nødvendige mengden lyskraft for å generere et signal som i størrelse tilsvarer støyen fra enheten.

Detektivitet – Kvadratroten av området til detektoren atskilt av støyekvivalenteffekten.

Gevinst – Det er fotodetektorens utgangsstrøm som deles på den direkte produserte strømmen av de innfallende fotonene på detektorene.

Mørk strøm- Strømstrømmen gjennom en detektor selv i mangel på lys.

Responstid - Det er den nødvendige tiden for en detektor å gå fra 10 – 90 % av den endelige utgangen.

Støyspektrum – Den iboende støystrømmen eller spenningen er en funksjon av frekvensen som kan angis i en støyspektral tetthetsform.

Ikke-linearitet – Fotodetektorens ikke-linearitet begrenser RF-utgangen.

Fotodetektortyper

Fotodetektorene er klassifisert basert på deteksjonsmekanismen til lys som den fotoelektriske eller fotoemisjonseffekten, polarisasjonseffekten, termisk effekt, svak interaksjon eller fotokjemisk effekt. De forskjellige typene fotodetektorer inkluderer hovedsakelig en fotodiode, MSM-fotodetektor, fototransistor, fotoledende detektor, fotorør og fotomultiplikatorer.

Fotodioder

Dette er halvlederenheter med en PIN- eller PN-kryssstruktur der lys absorberes innenfor et uttømmingsområde og produserer en fotostrøm. Disse enhetene er raske, svært lineære, veldig kompakte og genererer en høy kvanteeffektivitet som betyr at den genererer nesten ett elektron for hvert innfallende foton og et høyt dynamisk område. Vennligst se denne lenken for å vite mer om Fotodioder .

MSM fotodetektorer

MSM (Metal–semiconductor–metal) fotodetektorer inkluderer to Schottky kontakter i stedet for en PN-kryss . Disse detektorene er potensielt raskere sammenlignet med fotodioder med opptil hundrevis av GHz-båndbredder. MSM-detektorer lar svært store detektorer gjøre enkel kobling med optiske fibre uten båndbreddeforringelse.

Fototransistor

Fototransistoren er en type fotodiode som bruker intern forsterkning av fotostrømmen. Men disse brukes ikke ofte sammenlignet med fotodioder. Disse brukes hovedsakelig til å oppdage lyssignaler og endre dem til digitale elektriske signaler. Disse komponentene drives ganske enkelt gjennom lys i stedet for elektrisk strøm. Fototransistorer er rimelige og gir en stor mengde forsterkning, så de brukes i ulike applikasjoner. Vennligst se denne lenken for å vite mer om fototransistorer .

Fotoledende detektorer

Fotoledende detektorer er også kjent som fotomotstander, fotoceller og lysavhengige motstander . Disse detektorene er laget med visse halvledere som CdS (kadmiumsulfid). Så denne detektoren inkluderer et halvledermateriale med to tilkoblede metalliske elektroder for å detektere motstanden. Sammenlignet med fotodioder er disse ikke dyre, men de er ganske trege, ikke ekstremt følsomme og viser en ikke-lineær respons. Alternativt kan de reagere på IR-lys med lang bølgelengde. Fotoledende detektorer er delt inn i forskjellige typer basert på funksjonen til spektral responsivitet som det synlige bølgelengdeområdet, nær-infrarødt bølgelengdeområde og IR-bølgelengdeområdet.

Fotorør

De gassfylte rørene eller vakuumrørene som brukes som fotodetektorer er kjent som fotorør. Et fotorør er en fotoemissiv detektor som bruker en ekstern fotoelektrisk effekt eller fotoemissiv effekt. Disse rørene blir ofte evakuert eller fylt noen ganger med gass ved lavt trykk.

Fotomultiplikator

En fotomultiplikator er en type fotorør som endrer innfallende fotoner til et elektrisk signal. Disse detektorene bruker en elektronmultiplikasjonsprosess for å oppnå en mye økt respons. De har et stort aktivt område og høy hastighet. Det er forskjellige typer fotomultiplikatorer tilgjengelig som fotomultiplikatorrør, magnetisk fotomultiplikator, elektrostatisk fotomultiplikator og silisiumfotomultiplikator.

Fotodetektor kretsdiagram

Lyssensorkretsen som bruker en fotodetektor er vist nedenfor. I denne kretsen brukes fotodioden som en fotodetektor for å oppdage eksistensen eller ikke-eksistensen av lys. Denne sensorens følsomhet kan enkelt justeres ved å bruke forhåndsinnstillingen.

De nødvendige komponentene i denne lyssensorkretsen inkluderer hovedsakelig en fotodiode, LED, LM339 IC , Resistor, Preset, etc. Koble til kretsen i henhold til kretsskjemaet vist nedenfor.

Jobber

En fotodiode brukes som en fotodetektor for å generere strøm i kretsen når lys faller på den. I denne kretsen brukes fotodioden i revers bias-modus gjennom R1-motstanden. Så denne R1-motstanden tillater ikke for mye strøm å levere gjennom fotodioden i tilfelle en stor mengde lys faller på fotodioden.

Når det ikke faller lys på fotodioden, resulterer det i høyt potensial ved pin6 på en LM339-komparator (inverterende inngang). Når lyset faller på denne dioden, lar den strøm tilføres gjennom hele dioden og dermed vil spenningen falle over den. Pin7 (ikke-inverterende inngang) til komparatoren er koblet til en VR2 (variabel motstand) for å stille inn komparatorens referansespenning.

Her fungerer en komparator når den ikke-inverterende inngangen til komparatoren er høy sammenlignet med inverterende inngang, da forblir utgangen høy. Så utgangspinnen til IC som pin-1 er koblet til en lysemitterende diode. Her settes referansespenningen gjennom en VR1 forhåndsinnstilling for å tilsvare en terskelbelysning. Ved utgangen vil LED-en slås PÅ når lyset faller på fotodioden. Så den inverterende inngangen faller til en lavere verdi sammenlignet med referansen satt ved den ikke-inverterende inngangen. Så utgangen går og leverer den nødvendige forspenningen fremover til lysdioden.

Fotodetektor vs fotodiode

Forskjellen mellom fotodetektor og fotodiode inkluderer følgende.

Kvanteeffektivitet for fotodetektor

Fotodetektorens kvanteeffektivitet kan defineres som andelen av de innfallende fotonene som absorberes gjennom fotolederen til elektronene som produseres, samles ved detektorterminalen.

Kvanteeffektiviteten kan betegnes med 'η'

Kvanteeffektivitet (η) = Genererte elektroner/Totalt antall innfallende fotoner

Og dermed,

η = (strøm/ladning av et elektron)/(totalt innfallende fotons optiske kraft/ fotonenergi)

Så matematisk vil det bli slik

η = (Iph/e)/(PD/ hc/λ)

Fordeler og ulemper

Fordelene med fotodetektor inkluderer følgende.

• Fotodetektorer er små i størrelse.
• Deteksjonshastigheten er rask.
• Dens deteksjonseffektivitet er høy.
• De genererer mindre støy.
• Disse er ikke dyre, kompakte og lette.
• De har lang levetid.
• De har høy kvanteeffektivitet.
• Det krever ikke høy spenning.

De ulemper med fotodetektor Inkluder følgende.

• De har svært lav følsomhet.
• De har ingen intern gevinst.
• Responstiden er veldig treg.
• Det aktive området til denne detektoren er lite.
• Endring innenfor strømmen er ekstremt liten, så det kan hende at den ikke er tilstrekkelig til å drive kretsen.
• Det krever offset spenning.

Anvendelser av fotodetektorer

Applikasjonene til fotodetektor inkluderer følgende.

• Fotodetektorer brukes i forskjellige applikasjoner som spenner fra automatiske dører i supermarkeder til TV-fjernkontroller i hjemmet ditt.
• Dette er essensielle viktige komponenter som brukes i optisk kommunikasjon, sikkerhet, nattsyn, videoavbildning, biomedisinsk bildebehandling, bevegelsesdeteksjon og gassregistrering som har evnen til å endre lys til elektriske signaler nøyaktig.
• Disse brukes til å måle optisk kraft og lysstrøm
• Disse brukes hovedsakelig i forskjellige typer mikroskop og optiske sensordesign.
• Disse er viktige for laseravstandsmålere.
• Disse brukes vanligvis i frekvensmetrologi, optisk-fiberkommunikasjon, etc.
• Fotodetektorer innen fotometri og radiometri brukes til å måle ulike egenskaper som optisk effekt, optisk intensitet, irradians og lysstrøm.
• Disse brukes til å måle optisk kraft innenfor spektrometre, optiske datalagringsenheter, lysbarrierer, stråleprofiler, fluorescensmikroskoper, autokorrelatorer, interferometre og forskjellige typer optiske sensorer.
• Disse brukes til LIDAR, laseravstandsmålere, nattsynsenheter og kvanteoptikkeksperimenter.
• Disse er anvendelige i optisk frekvensmetrologi, optisk fiberkommunikasjon og også for klassifisering av laserstøy eller pulserende lasere.
• De todimensjonale matrisene med flere identiske fotodetektorer brukes hovedsakelig som fokalplanmatriser og ofte for bildebehandlingsapplikasjoner.

Hva brukes en fotodetektor til?

Fotodetektorer brukes til å konvertere lysets fotonenergi til et elektrisk signal.

Hva er egenskapene til en fotodetektor?

Egenskapene til fotodetektorer er lysfølsomhet, spektralrespons, kvanteeffektivitet, foroverrettet støy, mørk strøm, støyekvivalent effekt, tidsrespons, terminalkapasitans, cutoff-frekvens og frekvensbåndbredde.

Hva er kravene til en fotodetektor?

Kravene til fotodetektorer er; korte responstider, minst støybidrag, pålitelighet, høy følsomhet, lineær respons over et bredt spekter av lysintensiteter, lav forspenning, lave kostnader og stabilitet av ytelsesegenskaper.

Hva brukes i spesifikasjonen av optiske detektorer?

Støyekvivalenteffekten brukes i spesifikasjonen av optiske detektorer fordi det er den optiske inngangseffekten som genererer en ekstra utgangseffekt som er lik den støyeffekten for en spesifisert båndbredde.

Er kvanteutbytte og kvanteeffektivitet det samme?

Kvanteutbyttet og kvanteeffektiviteten er ikke det samme fordi sannsynligheten for at et foton sender ut når ett foton har blitt absorbert er kvanteutbyttet, mens kvanteeffektiviteten er sannsynligheten for at et foton sendes ut når systemet har blitt energisert til sin emitterende tilstand.

Dermed er dette en oversikt over en fotodetektor – jobbe med applikasjoner. Disse enhetene er basert på den interne og eksterne fotoelektriske effekten, så hovedsakelig brukt til deteksjon av lys. Her er et spørsmål til deg, hva er det optiske detektorer ?