Fotodetektor: Kredsløb, arbejde, typer og dets applikationer

Fotodetektoren er en væsentlig komponent i en optisk modtager, der konverterer det indkommende optiske signal til et elektrisk signal. Halvlederfotodetektorer kaldes normalt fotodioder, fordi disse er hovedtyperne af fotodetektorer, der anvendes i optisk kommunikationssystemer på grund af deres hurtige detektionshastighed, høje detektionseffektivitet og lille størrelse. På nuværende tidspunkt er fotodetektorer meget udbredt i industriel elektronik, elektronisk kommunikation, medicin og sundhedspleje, analytisk udstyr, biler og transport og mange flere. Disse er også kendt som fotosensorer og lyssensorer. Så denne artikel diskuterer en oversigt over en fotodetektor – arbejde med applikationer.

Hvad er fotodetektor?

En fotodetektordefinition er; en optoelektronisk enhed, der bruges til at detektere det indfaldende lys eller optisk effekt for at konvertere det til et elektrisk signal, er kendt som en fotodetektor. Normalt er dette o/p-signal proportional med den indfaldende optiske effekt. Disse sensorer er absolut nødvendige til forskellige videnskabelige implementeringer som proceskontrol, fiberoptiske kommunikationssystemer, sikkerhed, miljøføling og også i forsvarsapplikationer. Eksempler på fotodetektorer er fototransistorer og fotodioder .

Hvordan virker fotodetektor?

Fotodetektor virker simpelthen ved at detektere lys eller anden elektromagnetisk stråling eller enheder kan ved at modtage de transmitterede optiske signaler. Fotodetektorer, der bruger halvledere operere på elektron-hul-parrets skabelse ud fra lysbestrålingsprincippet.

Når først et halvledermateriale er belyst gennem fotoner, der har høje eller ækvivalente energier til dets båndgab, tilskynder absorberede fotoner valensbåndelektroner til at bevæge sig ind i ledningsbåndet, så de efterlader huller i valensbåndet. Elektronerne i ledningsbåndet fungerer som frie elektroner (huller), der kan spredes under kraften af ​​et iboende eller eksternt påført elektrisk felt.

De foto-genererede elektron-hul-par på grund af optisk absorption kan rekombinere og genudsende lys, medmindre de udsættes for en elektrisk felt-medieret adskillelse for at give en stigning til en fotostrøm, som er en brøkdel af de foto-genererede gratis ladningsbærere modtaget kl. fotodetektorarrangementets elektroder. Fotostrømmens størrelse ved en specificeret bølgelængde er direkte proportional med intensiteten af ​​indfaldende lys.

Ejendomme

Egenskaberne af fotodetektorer diskuteres nedenfor.

Spektral respons – Det er fotodetektorens respons som en fotonfrekvensfunktion.

Kvanteeffektivitet – Antallet af ladningsbærere genereret for hver foton

Responsivitet – Det er udgangsstrømmen adskilt af den samlede effekt af lys, der falder på detektoren.

Støjækvivalent effekt – Det er den nødvendige mængde lyseffekt for at generere et signal, der i størrelse svarer til støjen fra enheden.

Detektivitet – Kvadratroden af ​​detektorens areal adskilt af den støjækvivalente effekt.

vinde – Det er fotodetektorens udgangsstrøm, som divideres med den direkte producerede strøm af de indfaldende fotoner på detektorerne.

Mørk strøm- Strømmen gennem en detektor selv i mangel på lys.

Responstid - Det er den nødvendige tid for en detektor at gå fra 10 – 90 % af det endelige output.

Støjspektrum – Den iboende støjstrøm eller spænding er en funktion af frekvensen, der kan betegnes i en støjspektraltæthedsform.

Ikke-linearitet - Fotodetektorens ikke-linearitet begrænser RF-output.

Fotodetektortyper

Fotodetektorerne er klassificeret baseret på detekteringsmekanismen for lys som den fotoelektriske eller fotoemissionseffekt, polarisationseffekt, termisk effekt, svag interaktion eller fotokemisk effekt. De forskellige typer fotodetektorer omfatter hovedsageligt en fotodiode, MSM fotodetektor, fototransistor, fotoledende detektor, fotorør og fotomultiplikatorer.

Fotodioder

Disse er halvlederenheder med en PIN- eller PN-forbindelsesstruktur, hvor lys absorberes i et udtømningsområde og producerer en fotostrøm. Disse enheder er hurtige, meget lineære, meget kompakte og genererer en høj kvanteeffektivitet, hvilket betyder, at de genererer næsten én elektron for hver indfaldende foton og et højt dynamisk område. Se venligst dette link for at vide mere om Fotodioder .

MSM fotodetektorer

MSM (metal-halvleder-metal) fotodetektorer omfatter to Schottky kontakter frem for en PN kryds . Disse detektorer er potentielt hurtigere sammenlignet med fotodioder med op til hundredvis af GHz-båndbredder. MSM-detektorer tillader detektorer med meget stort område at gøre nem kobling med optiske fibre uden at forringe båndbredden.

Fototransistor

Fototransistoren er en type fotodiode, der bruger intern forstærkning af fotostrømmen. Men disse bruges ikke ofte sammenlignet med fotodioder. Disse bruges hovedsageligt til at detektere lyssignaler og ændre dem til digitale elektriske signaler. Disse komponenter drives simpelthen gennem lys i stedet for elektrisk strøm. Fototransistorer er billige og giver en stor mængde forstærkning, så de bruges i forskellige applikationer. Se venligst dette link for at vide mere om fototransistorer .

Fotoledende detektorer

Fotoledende detektorer er også kendt som fotomodstande, fotoceller og lysafhængige modstande . Disse detektorer er lavet med visse halvledere som CdS (cadmiumsulfid). Så denne detektor inkluderer et halvledermateriale med to forbundne metalliske elektroder til at detektere modstanden. Sammenlignet med fotodioder er disse ikke dyre, men de er ret langsomme, ikke ekstremt følsomme og udviser en ikke-lineær respons. Alternativt kan de reagere på langbølget IR-lys. Fotoledende detektorer er opdelt i forskellige typer baseret på funktionen af ​​spektrale responsiviteter som det synlige bølgelængdeområde, nær-infrarødt bølgelængdeområde og IR-bølgelængdeområde.

Fotorør

De gasfyldte rør eller vakuumrør, der bruges som fotodetektorer, er kendt som fotorør. Et fotorør er en fotoemissiv detektor der bruger en ekstern fotoelektrisk effekt eller fotoemissiv effekt. Disse rør bliver ofte evakueret eller fyldt nogle gange med gas ved lavt tryk.

Fotomultiplikator

En fotomultiplikator er en type fotorør, der ændrer indfaldende fotoner til et elektrisk signal. Disse detektorer bruger en elektronmultiplikationsproces for at opnå en meget øget reaktionsevne. De har et stort aktivt område og høj hastighed. Der er forskellige typer fotomultiplikatorer tilgængelige som fotomultiplikatorrør, magnetisk fotomultiplikator, elektrostatisk fotomultiplikator og siliciumfotomultiplikator.

Fotodetektor kredsløbsdiagram

Lyssensorkredsløbet ved hjælp af en fotodetektor er vist nedenfor. I dette kredsløb bruges fotodioden som en fotodetektor til at detektere eksistensen eller ikke-eksistensen af ​​lys. Denne sensors følsomhed kan nemt justeres ved at bruge forudindstillingen.

De nødvendige komponenter i dette lyssensorkredsløb omfatter hovedsageligt en fotodiode, LED, LM339 IC , Resistor, Preset osv. Tilslut kredsløbet i henhold til kredsløbsdiagrammet vist nedenfor.

Arbejder

En fotodiode bruges som en fotodetektor til at generere strøm i kredsløbet, når lyset falder på det. I dette kredsløb bruges fotodioden i omvendt bias-tilstand gennem R1-modstanden. Så denne R1-modstand tillader ikke for meget strøm at levere gennem fotodioden i tilfælde af, at en enorm mængde lys falder på fotodioden.

Når der ikke falder lys på fotodioden, resulterer det i et højt potentiale ved pin6 på en LM339 komparator (inverterende input). Når lyset falder på denne diode, så tillader det strøm at levere gennem hele dioden og dermed vil spændingen falde over den. Pin7 (ikke-inverterende input) på komparatoren er forbundet til en VR2 (variabel modstand) for at indstille komparatorens referencespænding.

Her fungerer en komparator, når komparatorens ikke-inverterende input er høj sammenlignet med inverterende input, så forbliver dens output høj. Så udgangsbenet på IC som pin-1 er forbundet til en lysemitterende diode. Her indstilles referencespændingen gennem en VR1-forudindstilling, så den svarer til en tærskelbelysning. Ved udgangen tændes LED'en, når lyset falder på fotodioden. Så det inverterende input falder til en lavere værdi sammenlignet med referencen, der er indstillet ved den ikke-inverterende input. Så udgangen går og leverer den krævede fremadgående bias til den lysemitterende diode.

Fotodetektor vs fotodiode

Forskellen mellem fotodetektor og fotodiode inkluderer følgende.

Fotodetektors kvanteeffektivitet

Fotodetektorens kvanteeffektivitet kan defineres som den del af de indfaldende fotoner, der absorberes gennem fotolederen til de producerede elektroner, opsamles ved detektorterminalen.

Kvanteeffektiviteten kan betegnes med 'η'

Kvanteeffektivitet (η) = Genererede elektroner/Totalt antal indfaldende fotoner

Dermed,

η = (strøm/ladning af en elektron)/(samlet indfaldende fotons optiske effekt/ fotonenergi)

Så matematisk bliver det ligesom

η = (Iph/e)/(PD/ hc/λ)

Fordele og ulemper

Fordelene ved fotodetektor omfatter følgende.

• Fotodetektorer er små i størrelse.
• Dens registreringshastighed er hurtig.
• Dens detektionseffektivitet er høj.
• De genererer mindre støj.
• Disse er ikke dyre, kompakte og lette.
• De har en lang levetid.
• De har høj kvanteeffektivitet.
• Det kræver ikke højspænding.

Det ulemper ved fotodetektor omfatte følgende.

• De har meget lav følsomhed.
• De har ingen intern gevinst.
• Responstiden er meget langsom.
• Det aktive område af denne detektor er lille.
• Ændring inden for strøm er ekstremt lille, så den er muligvis ikke tilstrækkelig til at drive kredsløbet.
• Det kræver offset spænding.

Anvendelser af fotodetektorer

Anvendelser af fotodetektor omfatter følgende.

• Fotodetektorer bruges i forskellige applikationer, som spænder fra automatiske døre i supermarkeder til tv-fjernbetjeninger i dit hjem.
• Disse er væsentlige væsentlige komponenter, der bruges i optisk kommunikation, sikkerhed, nattesyn, videobilleddannelse, biomedicinsk billeddannelse, bevægelsesdetektion og gasregistrering, som har evnen til at ændre lys til elektriske signaler nøjagtigt.
• Disse bruges til at måle optisk effekt og lysstrøm
• Disse bruges hovedsageligt i forskellige slags mikroskop- og optiske sensordesigns.
• Disse er vigtige for laserafstandsmålere.
• Disse bruges normalt i frekvensmetrologi, optisk fiberkommunikation osv.
• Fotodetektorer i fotometri & radiometri bruges til at måle forskellige egenskaber såsom optisk effekt, optisk intensitet, irradians & lysstrøm.
• Disse bruges til at måle optisk effekt inden for spektrometre, optiske datalagringsenheder, lysbarrierer, stråleprofilere, fluorescensmikroskoper, autokorrelatorer, interferometre og forskellige slags optiske sensorer.
• Disse bruges til LIDAR, laserafstandsmålere, nattesynsenheder og kvanteoptikeksperimenter.
• Disse er anvendelige i optisk frekvensmetrologi, optisk fiberkommunikation og også til klassificering af laserstøj eller pulserende lasere.
• De todimensionelle arrays med flere identiske fotodetektorer bruges hovedsageligt som focal plane arrays og ofte til billedbehandlingsapplikationer.

Hvad bruges en fotodetektor til?

Fotodetektorer bruges til at konvertere lysets fotonenergi til et elektrisk signal.

Hvad er kendetegnene for en fotodetektor?

Karakteristika for fotodetektorer er lysfølsomhed, spektral respons, kvanteeffektivitet, fremadrettet støj, mørk strøm, støjækvivalent effekt, timingrespons, terminalkapacitans, afskæringsfrekvens og frekvensbåndbredde.

Hvad er kravene til en fotodetektor?

Kravene til fotodetektorer er; korte responstider, det mindste støjbidrag, pålidelighed, høj følsomhed, lineær respons over en bred vifte af lysintensiteter, lav forspænding, lave omkostninger og stabilitet af ydeevnekarakteristika.

Hvad bruges i specifikationen af ​​optiske detektorer?

Den støjækvivalente effekt bruges i specifikationen af ​​optiske detektorer, fordi det er den optiske inputeffekt, der genererer en ekstra udgangseffekt, der er lig med den støjeffekt for en specificeret båndbredde.

Er kvanteudbytte og kvanteeffektivitet det samme?

Kvanteudbyttet og kvanteeffektiviteten er ikke det samme, fordi sandsynligheden for, at en foton udsender, når én foton er blevet absorberet, er kvanteudbyttet, hvorimod kvanteeffektiviteten er sandsynligheden for, at en foton udsendes, når systemet er blevet aktiveret til sin udsendende tilstand.

Dette er således en oversigt over en fotodetektor – arbejde med applikationer. Disse enheder er baseret på den interne og eksterne fotoelektriske effekt, så hovedsagelig bruges til detektering af lys. Her er et spørgsmål til dig, hvad er det optiske detektorer ?