Fotodetektor: Krets, fungerande, typer och dess tillämpningar

Fotodetektorn är en väsentlig komponent i en optisk mottagare som omvandlar den inkommande optiska signalen till en elektrisk signal. Halvledarfotodetektorer kallas vanligtvis fotodioder eftersom dessa är huvudtyperna av fotodetektorer som används i optiska kommunikationssystem på grund av deras snabba detekteringshastighet, höga detektionseffektivitet och lilla storlek. För närvarande används fotodetektorer i stor utsträckning inom industriell elektronik, elektronisk kommunikation, medicin och hälsovård, analysutrustning, fordon och transporter och många fler. Dessa är också kända som fotosensorer och ljussensorer. Så den här artikeln diskuterar en översikt av en fotodetektor – arbeta med applikationer.

Vad är fotodetektor?

En fotodetektordefinition är; en optoelektronisk enhet som används för att detektera infallande ljus eller optisk effekt för att omvandla det till en elektrisk signal kallas en fotodetektor. Vanligtvis är denna o/p-signal proportionell mot den infallande optiska effekten. Dessa sensorer behövs absolut för olika vetenskapliga implementeringar som processkontroll, fiberoptiska kommunikationssystem, säkerhet, miljöavkänning och även i försvarstillämpningar. Exempel på fotodetektorer är fototransistorer och fotodioder .

Hur fungerar fotodetektorn?

Fotodetektor fungerar helt enkelt genom att detektera ljus eller annan elektromagnetisk strålning eller enheter kan genom att ta emot de överförda optiska signalerna. Fotodetektorer som använder halvledare arbeta på skapandet av elektron-hålpar enligt ljusbestrålningsprincipen.

När ett halvledarmaterial väl belyses genom fotoner som har hög eller ekvivalent energi till dess bandgap, uppmuntrar absorberade fotoner valensbandelektroner att flytta in i ledningsbandet, så att hål inom valensbandet lämnas efter sig. Elektronerna i ledningsbandet fungerar som fria elektroner (hål) som kan spridas under kraften av ett inre eller externt applicerat elektriskt fält.

De fotogenererade elektron-hålsparen på grund av optisk absorption kan rekombinera och återutsända ljus om de inte utsätts för en elektrisk fältmedierad separation för att ge en ökning av en fotoström, som är en bråkdel av de fotogenererade gratis laddningsbärarna som tas emot vid fotodetektorarrangemangets elektroder. Fotoströmstyrkan vid en specificerad våglängd är direkt proportionell mot intensiteten av infallande ljus.

Egenskaper

Egenskaperna för fotodetektorer diskuteras nedan.

Spektralrespons – Det är fotodetektorns svar som en fotonfrekvensfunktion.

Kvanteffektivitet – Antalet laddningsbärare som genereras för varje foton

Responsivitet – Det är utströmmen separerad av den totala effekten av ljus som faller på detektorn.

Bullerekvivalent effekt – Det är den mängd ljus som krävs för att generera en signal som i storlek är likvärdig med enhetens brus.

Detektivitet – Kvadratroten av detektorns yta separerad av brusekvivalenteffekten.

Vinst – Det är fotodetektorns utström som delas med den direkt producerade strömmen av de infallande fotonerna på detektorerna.

mörk ström- Strömflödet genom en detektor även vid brist på ljus.

Respons tid - Det är den tid som krävs för en detektor att gå från 10 – 90 % av sluteffekten.

Bullerspektrum – Den inre brusströmmen eller spänningen är en funktion av frekvensen som kan betecknas i en brusspektral densitetsform.

Icke-linjäritet – Fotodetektorns olinjäritet begränsar RF-utgången.

Fotodetektortyper

Fotodetektorerna klassificeras baserat på detekteringsmekanismen för ljus som den fotoelektriska eller fotoemissionseffekten, polarisationseffekten, termisk effekt, svag interaktion eller fotokemisk effekt. De olika typerna av fotodetektorer inkluderar huvudsakligen en fotodiod, MSM fotodetektor, fototransistor, fotokonduktiv detektor, fotorör & fotomultiplikatorer.

Fotodioder

Dessa är halvledarenheter med en PIN- eller PN-övergångsstruktur där ljus absorberas inom ett utarmningsområde och producerar en fotoström. Dessa enheter är snabba, mycket linjära, mycket kompakta och genererar en hög kvanteffektivitet vilket innebär att de genererar nästan en elektron för varje infallande foton och ett högt dynamiskt område. Se den här länken för att veta mer om Fotodioder .

MSM fotodetektorer

MSM (Metal–semiconductor–metal) fotodetektorer inkluderar två Schottky kontakter snarare än en PN-korsning . Dessa detektorer är potentiellt snabbare jämfört med fotodioder med upp till hundratals GHz bandbredder. MSM-detektorer tillåter detektorer med mycket stor yta för att göra enkel koppling med optiska fibrer utan att bandbredden försämras.

Fototransistor

Fototransistorn är en typ av fotodiod som använder intern förstärkning av fotoströmmen. Men dessa används inte ofta jämfört med fotodioder. Dessa används främst för att detektera ljussignaler och ändra dem till digitala elektriska signaler. Dessa komponenter drivs helt enkelt genom ljus snarare än elektrisk ström. Fototransistorer är billiga och ger en stor mängd förstärkning, så de används i olika applikationer. Se den här länken för att veta mer om fototransistorer .

Fotokonduktiva detektorer

Fotokonduktiva detektorer är också kända som fotoresistorer, fotoceller och ljusberoende motstånd . Dessa detektorer är gjorda med vissa halvledare som CdS (kadmiumsulfid). Så denna detektor inkluderar ett halvledarmaterial med två anslutna metalliska elektroder för att detektera resistansen. Jämfört med fotodioder är dessa inte dyra men de är ganska långsamma, inte extremt känsliga och uppvisar ett olinjärt svar. Alternativt kan de reagera på långvågigt IR-ljus. Fotokonduktiva detektorer är uppdelade i olika typer baserat på funktionen av spektrala svar som det synliga våglängdsområdet, nära-infrarött våglängdsområde och IR-våglängdsområdet.

Fotorör

De gasfyllda rören eller vakuumrören som används som fotodetektorer är kända som fotorör. Ett fotorör är en fotoemissiv detektor som använder en extern fotoelektrisk effekt eller fotoemissiv effekt. Dessa rör evakueras ofta eller fylls ibland med gas vid lågt tryck.

Fotomultiplikator

En fotomultiplikator är en typ av fotorör som ändrar infallande fotoner till en elektrisk signal. Dessa detektorer använder en elektronmultiplikationsprocess för att få en mycket ökad responsivitet. De har ett stort aktivt område och hög hastighet. Det finns olika typer av fotomultiplikatorer tillgängliga som fotomultiplikatorrör, magnetisk fotomultiplikator, elektrostatisk fotomultiplikator och kiselfotomultiplikator.

Fotodetektor Kretsdiagram

Ljussensorkretsen som använder en fotodetektor visas nedan. I denna krets används fotodioden som en fotodetektor för att upptäcka existens eller icke-existens av ljus. Denna sensors känslighet kan enkelt justeras genom att använda förinställningen.

De nödvändiga komponenterna i denna ljussensorkrets inkluderar huvudsakligen en fotodiod, LED, LM339 IC , Resistor, Preset, etc. Anslut kretsen enligt kretsschemat nedan.

Arbetssätt

En fotodiod används som en fotodetektor för att generera ström i kretsen när ljus faller på den. I denna krets används fotodioden i omvänt förspänningsläge genom R1-motståndet. Så detta R1-motstånd tillåter inte för mycket ström att tillföra genom hela fotodioden i fall en enorm mängd ljus faller på fotodioden.

När inget ljus faller på fotodioden, resulterar det i hög potential vid stift 6 på en LM339-komparator (inverterande ingång). När ljus faller på den här dioden tillåter den ström att levereras genom hela dioden och spänningen kommer därför att falla över den. Pin7 (icke-inverterande ingång) på komparatorn är ansluten till en VR2 (variabel resistor) för att ställa in komparatorns referensspänning.

Här fungerar en komparator när den icke-inverterande ingången på komparatorn är hög jämfört med inverterande ingång, då förblir dess utsignal hög. Så utgångsstiftet på IC som stift-1 är anslutet till en lysdiod. Här ställs referensspänningen in genom en VR1-förinställning för att motsvara en tröskelbelysning. Vid utgången kommer lysdioden att slås PÅ när ljus faller på fotodioden. Så den inverterande ingången sjunker till ett lägre värde jämfört med referensen som är inställd på den icke-inverterande ingången. Så utgången går och levererar den erforderliga förspänningen framåt till den ljusemitterande dioden.

Fotodetektor vs fotodiod

Skillnaden mellan fotodetektor och fotodiod inkluderar följande.

Fotodetektors kvanteffektivitet

Fotodetektorns kvanteffektivitet kan definieras som andelen av de infallande fotonerna som absorberas genom fotoledaren till de producerade elektronerna samlas vid detektorterminalen.

Kvanteffektiviteten kan betecknas med 'η'

Kvanteffektivitet (η) = Genererade elektroner/Totalt antal infallande fotoner

Således,

η = (Ström/ Laddning av en elektron)/(Total infallande fotons optiska effekt/ Fotonenergi)

Så matematiskt kommer det att bli som

η = (Iph/e)/(PD/ hc/λ)

Fördelar och nackdelar

Fördelarna med fotodetektor inkluderar följande.

• Fotodetektorer är små i storlek.
• Dess detekteringshastighet är snabb.
• Dess detektionseffektivitet är hög.
• De genererar mindre ljud.
• Dessa är inte dyra, kompakta och lätta.
• De har en lång livslängd.
• De har hög kvanteffektivitet.
• Det kräver ingen högspänning.

De nackdelar med fotodetektor inkluderar följande.

• De har mycket låg känslighet.
• De har ingen intern vinst.
• Svarstiden är mycket långsam.
• Den här detektorns aktiva yta är liten.
• Förändringen inom strömmen är extremt liten, så den kanske inte är tillräcklig för att driva kretsen.
• Det kräver offsetspänning.

Tillämpningar av fotodetektorer

Tillämpningarna av fotodetektor inkluderar följande.

• Fotodetektorer används i olika applikationer som sträcker sig från automatiska dörrar i stormarknader till TV-fjärrkontroller i ditt hem.
• Dessa är viktiga viktiga komponenter som används inom optisk kommunikation, säkerhet, mörkerseende, videobildbehandling, biomedicinsk bildbehandling, rörelsedetektion och gasavkänning som har förmågan att exakt ändra ljus till elektriska signaler.
• Dessa används för att mäta optisk effekt och ljusflöde
• Dessa används huvudsakligen i olika typer av mikroskop och optiska sensordesigner.
• Dessa är viktiga för laseravståndsmätare.
• Dessa används normalt inom frekvensmetrologi, optisk fiberkommunikation, etc.
• Fotodetektorer inom fotometri & radiometri används för att mäta olika egenskaper såsom optisk effekt, optisk intensitet, irradians & ljusflöde.
• Dessa används för att mäta optisk effekt inom spektrometrar, optiska datalagringsenheter, ljusbarriärer, strålprofilerare, fluorescensmikroskop, autokorrelatorer, interferometrar och olika typer av optiska sensorer.
• Dessa används för LIDAR, laseravståndsmätare, mörkerseende och kvantoptikexperiment.
• Dessa är tillämpliga inom optisk frekvensmetrologi, optisk fiberkommunikation och även för klassificering av laserbrus eller pulsade lasrar.
• De tvådimensionella matriserna med flera identiska fotodetektorer används huvudsakligen som fokalplansmatriser och ofta för bildbehandlingsapplikationer.

Vad används en fotodetektor till?

Fotodetektorer används för att omvandla ljusets fotonenergi till en elektrisk signal.

Vilka egenskaper har en fotodetektor?

Egenskaperna för fotodetektorer är ljuskänslighet, spektralrespons, kvanteffektivitet, framåtriktat brus, mörkström, brusekvivalent effekt, timingsvar, terminalkapacitans, gränsfrekvens och frekvensbandbredd.

Vilka är kraven på en fotodetektor?

Kraven på fotodetektorer är; korta svarstider, minsta brusbidrag, tillförlitlighet, hög känslighet, linjär respons över ett brett spektrum av ljusintensiteter, låg förspänning, låg kostnad och stabilitet för prestandaegenskaper.

Vad används i specifikationen av optiska detektorer?

Brusekvivalenteffekten används i specifikationen av optiska detektorer eftersom det är den optiska ineffekten som genererar en extra uteffekt som är lika med den bruseffekten för en specificerad bandbredd.

Är kvantutbyte och kvanteffektivitet samma?

Kvantutbytet och kvantverkningsgraden är inte desamma eftersom sannolikheten för att en foton emitterar när en foton har absorberats är kvantutbytet medan kvanteffektiviteten är sannolikheten att en foton emitteras när systemet har aktiverats till sitt emitterande tillstånd.

Detta är alltså en översikt över en fotodetektor – arbeta med applikationer. Dessa enheter är baserade på den interna och externa fotoelektriska effekten, så de används främst för detektering av ljus. Här är en fråga till dig, vad är det optiska detektorer ?