Fotodetector: circuit, funcționare, tipuri și aplicații ale acestuia

Fotodetectorul este o componentă esențială a unui receptor optic care convertește semnalul optic de intrare într-un semnal electric. Fotodetectoarele cu semiconductor sunt de obicei numiți fotodiode, deoarece acestea sunt principalele tipuri de fotodetectoare utilizate în sisteme optice. sisteme de comunicații datorită vitezei lor rapide de detectare, eficienței ridicate de detectare și dimensiunilor mici. În prezent, fotodetectoarele sunt utilizate pe scară largă în electronice industriale, comunicații electronice, medicină și îngrijire medicală, echipamente analitice, auto și transport și multe altele. Aceștia sunt cunoscuți și sub denumirea de fotosenzori și senzori de lumină. Deci, acest articol discută o prezentare generală a unui fotodetector – lucrul cu aplicații.

Ce este fotodetectorul?

O definiție a fotodetectorului este; un dispozitiv optoelectronic care este utilizat pentru a detecta lumina incidentă sau puterea optică pentru a o transforma într-un semnal electric este cunoscut sub numele de fotodetector. De obicei, acest semnal o/p este proporțional cu puterea optică incidentă. Acești senzori sunt absolut necesari pentru diferite implementări științifice, cum ar fi controlul proceselor, sistemele de comunicații cu fibră optică, siguranța, detectarea mediului și, de asemenea, în aplicații de apărare. Exemple de fotodetectoare sunt fototranzistoarele și fotodiode .

Cum funcționează fotodetectorul?

Fotodetectorul funcționează pur și simplu prin detectarea luminii sau a altor radiații electromagnetice sau a dispozitivelor prin recepționarea semnalelor optice transmise. Fotodetectoare care folosesc semiconductori operează pe crearea perechii electron-gaură pe principiul iradierii luminii.

Odată ce un material semiconductor este iluminat prin fotoni care au energii mari sau echivalente cu bandgap-ul său, atunci fotonii absorbiți încurajează electronii benzii de valență să se deplaseze în banda de conducție, lăsând astfel în urmă găuri în banda de valență. Electronii din banda de conducție funcționează ca electroni liberi (găuri) care se pot dispersa sub puterea unui câmp electric intrinsec sau aplicat extern.

Perechile electron-gaură generate foto din cauza absorbției optice se pot recombina și reemite lumină, cu excepția cazului în care sunt supuse unei separări mediate de câmp electric pentru a da o creștere a unui fotocurent, care este o fracțiune din purtătorii de sarcină liberi fotogenerați primiți la electrozii aranjamentului fotodetectorului. Magnitudinea fotocurentului la o lungime de undă specificată este direct proporțională cu intensitatea luminii incidente.

Proprietăți

Proprietățile fotodetectorilor sunt discutate mai jos.

Răspuns spectral - Este răspunsul fotodetectorului ca funcție de frecvență fotonică.

Eficiență cuantică - Numărul de purtători de sarcină generați pentru fiecare foton

Responsabilitate - Este curentul de ieșire separat de puterea totală a luminii care cade pe detector.

Putere echivalentă cu zgomot - Este cantitatea necesară de putere luminoasă pentru a genera un semnal care este echivalent ca mărime cu zgomotul dispozitivului.

detectivitate - Rădăcina pătrată a zonei detectorului separată de puterea echivalentă a zgomotului.

Câștig – Este curentul de ieșire al fotodetectorului care este împărțit la curentul produs direct de fotonii incidenti de pe detectoare.

curent întunecat- Fluxul de curent prin intermediul unui detector chiar și în deficiența luminii.

Timp de raspuns - Este timpul necesar pentru ca un detector să treacă de la 10 la 90% din ieșirea finală.

Spectrul de zgomot - Curentul sau tensiunea intrinsec a zgomotului este o funcție a frecvenței care poate fi semnificată într-o formă de densitate spectrală a zgomotului.

neliniaritate - Neliniaritatea fotodetectorului limitează ieșirea RF.

Tipuri de fotodetectoare

Fotodetectoarele sunt clasificate în funcție de mecanismul de detectare a luminii, cum ar fi efectul fotoelectric sau fotoemisie, efectul de polarizare, efectul termic, interacțiunea slabă sau efectul fotochimic. Diferitele tipuri de fotodetectoare includ în principal o fotodiodă, un fotodetector MSM, un fototranzistor, un detector fotoconductiv, fototuburi și fotomultiplicatori.

Fotodiode

Acestea sunt dispozitive semiconductoare cu o structură de joncțiune PIN sau PN în care lumina este absorbită într-o regiune de epuizare și produce un fotocurent. Aceste dispozitive sunt rapide, foarte liniare, foarte compacte și generează o eficiență cuantică ridicată, ceea ce înseamnă că generează aproape un electron pentru fiecare foton incident și un interval dinamic ridicat. Vă rugăm să consultați acest link pentru a afla mai multe despre Fotodiode .

Fotodetectoare MSM

Fotodetectoarele MSM (Metal-semiconductor-metal) includ două Schottky contacte mai degrabă decât a Joncțiune PN . Acești detectori sunt potențial mai rapizi în comparație cu fotodiodele cu lățimi de bandă de până la sute de GHz. Detectoarele MSM permit detectoarelor cu suprafețe foarte mari să facă cuplarea ușoară cu fibre optice fără degradarea lățimii de bandă.

Fototranzistor

Fototranzistorul este un tip de fotodiodă care utilizează amplificarea internă a fotocurentului. Dar acestea nu sunt utilizate frecvent în comparație cu fotodiodele. Acestea sunt utilizate în principal pentru detectarea semnalelor luminoase și pentru a le transforma în semnale electrice digitale. Aceste componente sunt pur și simplu acționate prin lumină, mai degrabă decât prin curent electric. Fototranzistoarele sunt ieftine și oferă o cantitate mare de câștig, așa că sunt utilizate în diverse aplicații. Vă rugăm să consultați acest link pentru a afla mai multe despre fototranzistoare .

Detectoare fotoconductoare

Detectoarele fotoconductoare sunt cunoscute și sub numele de fotorezistoare, fotocelule și rezistențe dependente de lumină . Acești detectori sunt fabricați cu anumiți semiconductori precum CdS (sulfură de cadmiu). Deci, acest detector include un material semiconductor cu doi electrozi metalici conectați pentru detectarea rezistenței. În comparație cu fotodiodele, acestea nu sunt scumpe, dar sunt destul de lente, nu sunt extrem de sensibile și prezintă un răspuns neliniar. Alternativ, ele pot reacționa la lumina IR cu lungime de undă lungă. Detectoarele fotoconductoare sunt separate în diferite tipuri, pe baza funcției de responsabilități spectrale, cum ar fi intervalul de lungimi de undă vizibile, intervalul de lungimi de undă în infraroșu apropiat și intervalul de lungimi de undă IR.

Fototuburi

Tuburile umplute cu gaz sau tuburile vid care sunt utilizate ca fotodetectoare sunt cunoscute sub denumirea de fototuburi. Un fototub este un detector fotoemisiv care utilizează un efect fotoelectric extern sau un efect fotoemisiv. Aceste tuburi sunt frecvent evacuate sau umplute uneori cu gaz la presiune scăzută.

Fotomultiplicator

Un fotomultiplicator este un tip de fototub care schimbă fotonii incidenti într-un semnal electric. Acești detectoare folosesc un proces de multiplicare a electronilor pentru a obține o capacitate de răspuns mult crescută. Au o zonă activă mare și viteză mare. Există diferite tipuri de fotomultiplicatoare disponibile, cum ar fi tubul fotomultiplicator, fotomultiplicatorul magnetic, fotomultiplicatorul electrostatic și fotomultiplicatorul cu siliciu.

Schema circuitului fotodetectorului

Circuitul senzorului de lumină care utilizează un fotodetector este prezentat mai jos. În acest circuit, fotodioda este folosită ca fotodetector pentru a detecta existența sau inexistența luminii. Sensibilitatea acestui senzor poate fi ajustată pur și simplu utilizând presetarea.

Componentele necesare ale acestui circuit senzor de lumină includ în principal o fotodiodă, LED, LM339 IC , Rezistor, Presetat, etc. Conectați circuitul conform diagramei de circuit prezentată mai jos.

Lucru

O fotodiodă este folosită ca fotodetector pentru a genera curent în circuit odată ce lumina cade pe acesta. În acest circuit, fotodioda este utilizată în modul de polarizare inversă prin rezistorul R1. Deci, acest rezistor R1 nu permite prea mult curent să furnizeze în întreaga fotodiodă în cazul în care o cantitate mare de lumină scade pe fotodiodă.

Când nicio lumină nu cade pe fotodiodă, atunci rezultă un potențial ridicat la pinul 6 al unui comparator LM339 (intrare inversă). Odată ce lumina cade pe această diodă, atunci aceasta permite curentului să fie furnizat în întreaga diodă și astfel tensiunea va scădea pe ea. Pinul 7 (intrarea fără inversare) al comparatorului este conectat la un VR2 (rezistor variabil) pentru a seta tensiunea de referință a comparatorului.

Aici, un comparator funcționează atunci când intrarea non-inversoare a comparatorului este mare în comparație cu intrarea inversă, atunci ieșirea sa rămâne ridicată. Deci, pinul de ieșire al IC ca pin-1 este conectat la o diodă emițătoare de lumină. Aici, tensiunea de referință este setată într-o presetare VR1 pentru a corespunde unei iluminari de prag. La ieșire, LED-ul va fi aprins odată ce lumina cade pe fotodiodă. Deci, intrarea inversoare scade la o valoare mai mică în comparație cu referința setată la intrarea neinversoare. Deci, ieșirea furnizează polarizarea directă necesară diodei emițătoare de lumină.

Fotodetector vs Fotodiodă

Diferența dintre fotodetector și fotodiodă include următoarele.

Eficiența cuantică a fotodetectorului

Eficiența cuantică a fotodetectorului poate fi definită ca fracțiunea de fotoni incidenti care sunt absorbiți prin fotoconductor de electronii produși sunt colectați la terminalul detectorului.

Eficiența cuantică poate fi notată cu „η”

Eficiență cuantică (η) = Electroni generați/Numărul total de fotoni incidenti

Prin urmare,

η = (Curentul/ Sarcina unui electron)/(Puterea optică totală a fotonului incident/ Energia fotonului)

Deci, din punct de vedere matematic, va deveni ca

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Avantaje și dezavantaje

Avantajele fotodetectorului includ următoarele.

• Fotodetectoarele sunt de dimensiuni mici.
• Viteza sa de detectare este rapidă.
• Eficiența sa de detectare este ridicată.
• Ele generează mai puțin zgomot.
• Acestea nu sunt scumpe, compacte și ușoare.
• Au o viață lungă.
• Au o eficiență cuantică ridicată.
• Nu necesită tensiune înaltă.

The dezavantajele fotodetectorului includ următoarele.

• Au sensibilitate foarte scăzută.
• Nu au nici un câștig intern.
• Timpul de răspuns este foarte lent.
• Zona activă a acestui detector este mică.
• Modificarea curentului este extrem de mică, deci poate să nu fie adecvată pentru a conduce circuitul.
• Necesită tensiune offset.

Aplicații ale fotodetectorilor

Aplicațiile fotodetectorului includ următoarele.

• Fotodetectoarele sunt utilizate în diferite aplicații, de la uși automate din supermarketuri până la telecomenzile TV din casa dvs.
• Acestea sunt componente semnificative esențiale utilizate în comunicațiile optice, securitate, viziune de noapte, imagistica video, imagistica biomedicală, detectarea mișcării și detectarea gazelor, care au capacitatea de a schimba lumina în semnale electrice exact.
• Acestea sunt folosite pentru măsurarea puterii optice și a fluxului luminos
• Acestea sunt utilizate în principal în diferite tipuri de modele de microscop și senzori optici.
• Acestea sunt semnificative pentru telemetrul laser.
• Acestea sunt utilizate în mod normal în metrologia frecvenței, comunicațiile cu fibră optică etc.
• Fotodetectorii din fotometrie și radiometrie sunt utilizați pentru a măsura diferite proprietăți, cum ar fi puterea optică, intensitatea optică, iradierea și fluxul luminos.
• Acestea sunt utilizate pentru măsurarea puterii optice în spectrometre, dispozitive optice de stocare a datelor, bariere luminoase, profilere de fascicule, microscoape cu fluorescență, autocorelatoare, interferometre și diferite tipuri de senzori optici.
• Acestea sunt folosite pentru LIDAR, telemetru cu laser, dispozitive de vedere pe timp de noapte și experimente de optică cuantică.
• Acestea sunt aplicabile în metrologia cu frecvență optică, comunicațiile cu fibră optică și, de asemenea, pentru clasificarea zgomotului laser sau laserelor pulsate.
• Rețelele bidimensionale cu mai multe detectoare foto identice sunt utilizate în principal ca rețele de plan focal și frecvent pentru aplicații de imagistică.

La ce se folosește un fotodetector?

Fotodetectoarele sunt folosite pentru a converti energia fotonului luminii într-un semnal electric.

Care sunt caracteristicile unui fotodetector?

Caracteristicile fotodetectorilor sunt fotosensibilitatea, răspunsul spectral, eficiența cuantică, zgomotul polarizat direct, curentul întunecat, puterea echivalentă a zgomotului, răspunsul de sincronizare, capacitatea terminalului, frecvența de tăiere și lățimea de bandă a frecvenței.

Care sunt cerințele unui fotodetector?

Cerințele fotodetectorilor sunt: timpi scurti de răspuns, cea mai mică contribuție la zgomot, fiabilitate, sensibilitate ridicată, răspuns liniar pe o gamă largă de intensități luminoase, tensiune de polarizare scăzută, cost scăzut și stabilitatea caracteristicilor de performanță.

Ce se utilizează în specificațiile detectorilor optici?

Puterea echivalentă a zgomotului este utilizată în specificațiile detectoarelor optice, deoarece puterea optică de intrare generează o putere suplimentară de ieșire care este egală cu acea putere de zgomot pentru o lățime de bandă specificată.

Randamentul cuantic și eficiența cuantică sunt aceleași?

Randamentul cuantic și eficiența cuantică nu sunt aceleași, deoarece probabilitatea ca un foton să emită odată ce un foton a fost absorbit este randamentul cuantic, în timp ce eficiența cuantică este probabilitatea ca un foton să fie emis odată ce sistemul a fost alimentat la starea sa de emitere.

Astfel, aceasta este o prezentare generală a unui fotodetector – lucrul cu aplicații. Aceste dispozitive se bazează pe efectul fotoelectric intern și extern, deci utilizate în principal pentru detectarea luminii. Iată o întrebare pentru tine, care sunt detectoare optice ?