Фотодетектор: круг, рад, типови и његове примене

Фотодетектор је суштинска компонента у оптичком пријемнику који претвара долазни оптички сигнал у електрични сигнал. Полупроводнички фотодетектори се обично називају фотодиоде јер су то главни типови фотодетектора који се користе у оптичким комуникационих система због њихове брзе брзине детекције, високе ефикасности детекције и мале величине. Тренутно се фотодетектори широко користе у индустријској електроници, електронским комуникацијама, медицини и здравству, аналитичкој опреми, аутомобилској индустрији и транспорту и многим другим. Они су такође познати као фотосензори и сензори светлости. Дакле, овај чланак разматра преглед а фотодетектор – рад са апликацијама.

Шта је фотодетектор?

Дефиниција фотодетектора је; оптоелектронски уређај који се користи за детекцију упадне светлости или оптичку снагу за претварање у електрични сигнал познат је као фотодетектор. Обично је овај о/п сигнал пропорционалан упадној оптичкој снази. Ови сензори су апсолутно потребни за различите научне имплементације као што су контрола процеса, оптички комуникациони системи, безбедност, детекција животне средине и такође у одбрамбеним апликацијама. Примери фотодетектора су фототранзистори и фотодиоде .

Како фотодетектор ради?

Фотодетектор једноставно ради тако што детектује светлост или друго електромагнетно зрачење или уређаји могу да примају пренете оптичке сигнале. Фотодетектори који користе полупроводници раде на стварању пара електрон-рупа на принципу светлосног зрачења.

Једном када се полупроводнички материјал осветли кроз фотоне који имају високу или еквивалентну енергију његовом појасу, тада апсорбовани фотони подстичу електроне валентног појаса да се крећу у појас проводљивости, остављајући за собом рупе унутар валентног појаса. Електрони у проводном појасу делују као слободни електрони (рупе) који се могу распршити под снагом унутрашњег или спољашњег електричног поља.

Фото-генерисани парови електрон-рупа због оптичке апсорпције могу да рекомбинују и поново емитују светлост осим ако нису подвргнути раздвајању посредованом електричним пољем како би се повећала фотоструја, која је део фото генерисаних слободних носача наелектрисања примљених на електроде фотодетекторског распореда. Величина фотострује на одређеној таласној дужини је директно пропорционална интензитету упадне светлости.

Својства

Особине фотодетектора су размотрене у наставку.

Спектрални одзив – То је одговор фотодетектора као функција фреквенције фотона.

Квантна ефикасност - Број носилаца наелектрисања генерисаних за сваки фотон

Одговорност - То је излазна струја одвојена укупном снагом светлости која пада на детектор.

Снага еквивалентна буци – То је потребна количина светлосне снаге за генерисање сигнала који је по величини еквивалентан шуму уређаја.

детективство - Квадратни корен површине детектора раздвојен снагом еквивалента буке.

Добитак – То је излазна струја фото детектора која је подељена директно произведеном струјом од стране фотона који упадају на детекторе.

Тамна струја- Проток струје кроз детектор чак иу недостатку светлости.

Време одзива - То је потребно време да детектор пређе са 10 – 90% коначног излаза.

Спектар буке – Струја или напон унутрашњег шума је функција фреквенције која се може означити у облику спектралне густине шума.

Нелинеарност – Нелинеарност фото детектора ограничава РФ излаз.

Типови фотодетектора

Фотодетектори су класификовани на основу механизма детекције светлости као што је фотоелектрични или фотоемисиони ефекат, ефекат поларизације, топлотни ефекат, слаба интеракција или фотохемијски ефекат. Различити типови фотодетектора углавном укључују фотодиоду, МСМ фотодетектор, фототранзистор, фотокондуктивни детектор, фотоцеви и фотомултипликаторе.

Пхотодиодес

Ово су полупроводнички уређаји са структуром ПИН или ПН споја где се светлост апсорбује унутар области исцрпљивања и производи фотострују. Ови уређаји су брзи, високо линеарни, веома компактни и генеришу високу квантну ефикасност што значи да генерише скоро један електрон за сваки упадни фотон и висок динамички опсег. Молимо погледајте ову везу да бисте сазнали више о томе Пхотодиодес .

МСМ фотодетектори

МСМ (метал–полупроводник–метал) фотодетектори укључују два Сцхоттки контакти, а не а ПН спој . Ови детектори су потенцијално бржи у поређењу са фотодиодама са пропусним опсегом до стотина ГХз. МСМ детектори омогућавају детекторима веома велике површине да лако повезују са оптичким влакнима без деградације пропусног опсега.

Пхототрансистор

Фототранзистор је једна врста фотодиоде која користи унутрашње појачање фотострује. Али они се не користе често у поређењу са фотодиодама. Они се углавном користе за откривање светлосних сигнала и њихово претварање у дигиталне електричне сигнале. Овим компонентама се једноставно управља помоћу светлости, а не електричне струје. Фототранзистори су јефтини и дају велику количину појачања, па се користе у разним апликацијама. Молимо погледајте ову везу да бисте сазнали више о томе фототранзистори .

Пхотоцондуцтиве Детецторс

Фотопроводни детектори су такође познати као фотоотпорници, фотоћелије и отпорници зависни од светлости . Ови детектори су направљени од одређених полупроводника као што је ЦдС (кадмијум сулфид). Дакле, овај детектор укључује полупроводнички материјал са две повезане металне електроде за детекцију отпора. У поређењу са фотодиодама, оне нису скупе, али су прилично споре, нису изузетно осетљиве и показују нелинеаран одговор. Алтернативно, они могу да реагују на дуготаласну ИР светлост. Фотокондуктивни детектори су подељени у различите типове на основу функције спектралних одговора као што су опсег видљивих таласних дужина, опсег таласних дужина близу инфрацрвеног зрачења и опсег таласних дужина ИР.

Пхототубес

Цеви пуњене гасом или вакуумске цеви које се користе као фотодетектори су познате као фотоцеви. Фотоцев је а фотоемисиони детектор који користи екстерни фотоелектрични ефекат или фотоемисиони ефекат. Ове цеви се често евакуишу или понекад пуне гасом под ниским притиском.

Пхотомултиплиер

Фотомултипликатор је једна врста фотоцеви која мења упадне фотоне у електрични сигнал. Ови детектори користе процес умножавања електрона да би добили знатно повећану реакцију. Имају велико активно подручје и велику брзину. Доступни су различити типови фотомултипликатора као што су фотомултипликатор, магнетни фотомултипликатор, електростатички фотомултипликатор и силицијумски фотомултипликатор.

Шема кола фотодетектора

Коло сензора светлости помоћу фотодетектора је приказано испод. У овом колу, фотодиода се користи као фотодетектор за откривање постојања или непостојања светлости. Осетљивост овог сензора може се једноставно подесити коришћењем унапред подешеног подешавања.

Потребне компоненте овог кола сензора светлости углавном укључују фотодиоду, ЛЕД, ЛМ339 ИЦ , отпорник, унапред подешено, итд. Повежите коло према дијаграму кола приказаном испод.

Рад

Фотодиода се користи као фотодетектор за генерисање струје унутар кола када светлост падне на њега. У овом колу, фотодиода се користи у режиму обрнутог пристрасности преко Р1 отпорника. Дакле, овај Р1 отпорник не дозвољава да се преко фотодиоде снабдева превише струје у случају да огромна количина светлости падне на фотодиоду.

Када светлост не падне на фотодиоду, онда то резултира високим потенцијалом на пину 6 компаратора ЛМ339 (инвертујући улаз). Једном када светлост падне на ову диоду, она дозвољава струји да се снабдева кроз диоду и тако ће напон пасти на њој. Пин7 (неинвертујући улаз) компаратора је повезан на ВР2 (променљиви отпорник) да би се подесио референтни напон компаратора.

Овде компаратор ради када је неинвертујући улаз компаратора висок у поређењу са инвертујућим улазом, онда његов излаз остаје висок. Дакле, излазни пин ИЦ-а као пин-1 је повезан на диоду која емитује светлост. Овде је референтни напон постављен кроз унапред подешено ВР1 да одговара осветљењу прага. На излазу, ЛЕД ће се укључити када светло падне на фотодиоду. Дакле, инвертујући улаз пада на нижу вредност у поређењу са референтним скупом на неинвертујућем улазу. Дакле, излаз иде напајајући потребну пристрасност унапред на светлећу диоду.

Фотодетектор против фотодиоде

Разлика између фотодетектора и фотодиоде укључује следеће.

Квантна ефикасност фотодетектора

Квантна ефикасност фотодетектора може се дефинисати као део упадних фотона који се апсорбују кроз фотокондуктор до произведених електрона који се сакупљају на терминалу детектора.

Квантна ефикасност се може означити са 'η'

Квантна ефикасност (η) = генерисани електрони/укупан број упадних фотона

Тако,

η = (струја/наелектрисање електрона)/(укупна оптичка снага упадног фотона/енергија фотона)

Дакле, математички, постаће као

η = (Ипх/ е)/(ПД/ хц/λ)

Предности и мане

Предности фотодетектора укључују следеће.

• Фотодетектори су малих димензија.
• Његова брзина детекције је велика.
• Његова ефикасност детекције је висока.
• Они стварају мање буке.
• Нису скупи, компактни и лагани.
• Имају дуг животни век.
• Имају високу квантну ефикасност.
• Не захтева висок напон.

Тхе недостаци фотодетектора укључи следеће.

• Имају веома ниску осетљивост.
• Они немају никакву унутрашњу добит.
• Време одговора је веома споро.
• Активна област овог детектора је мала.
• Промена унутар струје је изузетно мала, тако да можда неће бити адекватна за покретање кола.
• Захтева офсетни напон.

Примене фотодетектора

Примене фотодетектора укључују следеће.

• Фотодетектори се користе у различитим апликацијама које се крећу од аутоматских врата у супермаркетима до ТВ даљинских управљача у вашем дому.
• Ово су битне значајне компоненте које се користе у оптичким комуникацијама, безбедности, ноћном осматрању, видео имиџу, биомедицинском снимању, детекцији покрета и детекцији гаса које имају способност да тачно промене светлост у електричне сигнале.
• Користе се за мерење оптичке снаге и светлосног флукса
• Они се углавном користе у различитим врстама дизајна микроскопа и оптичких сензора.
• Ово је значајно за ласерске даљиномере.
• Они се обично користе у метрологији фреквенција, комуникацији са оптичким влакнима, итд.
• Фотодетектори у фотометрији и радиометрији се користе за мерење различитих својстава као што су оптичка снага, оптички интензитет, зрачење и светлосни ток.
• Користе се за мерење оптичке снаге у оквиру спектрометара, оптичких уређаја за складиштење података, светлосних баријера, профилера зрака, флуоресцентних микроскопа, аутокорелатора, интерферометара и различитих врста оптичких сензора.
• Користе се за ЛИДАР, ласерске даљиномјере, уређаје за ноћно осматрање и експерименте с квантном оптиком.
• Они су применљиви у метрологији оптичких фреквенција, комуникацијама оптичким влакнима и такође за класификацију ласерског шума или импулсних ласера.
• Дводимензионални низови са неколико идентичних фото детектора се углавном користе као низови у фокалној равни и често за апликације за снимање.

За шта се користи фотодетектор?

Фотодетектори се користе за претварање енергије фотона светлости у електрични сигнал.

Које су карактеристике фотодетектора?

Карактеристике фотодетектора су фотосензитивност, спектрални одзив, квантна ефикасност, шум усмерен према напред, тамна струја, снага еквивалентна шуму, временски одговор, терминални капацитет, гранична фреквенција и фреквенцијски опсег.

Који су захтеви фотодетектора?

Захтеви фотодетектора су; кратко време одзива, најмањи допринос буци, поузданост, висока осетљивост, линеарни одзив у широком опсегу интензитета светлости, низак напон напона, ниска цена и стабилност карактеристика перформанси.

Шта се користи у спецификацији оптичких детектора?

Еквивалентна снага шума се користи у спецификацији оптичких детектора јер је оптичка улазна снага та која генерише додатну излазну снагу која је једнака тој снази буке за одређени пропусни опсег.

Да ли су квантни принос и квантна ефикасност исти?

Квантни принос и квантна ефикасност нису исти јер је вероватноћа да фотон емитује након што је један фотон апсорбован је квантни принос, док је квантна ефикасност вероватноћа да се фотон емитује када се систем активира до стања емитовања.

Дакле, ово је преглед фотодетектора – рад са апликацијама. Ови уређаји су засновани на унутрашњем и спољашњем фотоелектричном ефекту, па се углавном користе за детекцију светлости. Ево питања за вас, шта су оптички детектори ?