Фотодетектор: схема, работа, видове и приложения

Фотодетекторът е основен компонент в оптичен приемник, който преобразува входящия оптичен сигнал в електрически сигнал. Полупроводниковите фотодетектори обикновено се наричат ​​фотодиоди, тъй като това са основните типове фотодетектори, използвани в оптичните комуникационни системи поради тяхната бърза скорост на откриване, висока ефективност на откриване и малък размер. Понастоящем фотодетекторите се използват широко в индустриалната електроника, електронните комуникации, медицината и здравеопазването, аналитичното оборудване, автомобилостроенето и транспорта и много други. Те са известни също като фотосензори и сензори за светлина. И така, тази статия обсъжда общ преглед на a фотодетектор – работа с приложения.

Какво е фотодетектор?

Определението за фотодетектор е; оптоелектронно устройство, което се използва за откриване на падаща светлина или оптична мощност за преобразуването й в електрически сигнал, е известно като фотодетектор. Обикновено този o/p сигнал е пропорционален на падащата оптична мощност. Тези сензори са абсолютно необходими за различни научни приложения като контрол на процеси, оптични комуникационни системи, безопасност, наблюдение на околната среда и също така в отбранителни приложения. Примери за фотодетектори са фототранзисторите и фотодиоди .

Как работи фотодетекторът?

Фотодетекторът просто работи чрез откриване на светлина или друго електромагнитно излъчване или устройства могат да приемат предаваните оптични сигнали. Фотодетектори, които използват полупроводници работят върху създаването на двойка електрон-дупка на принципа на светлинно излъчване.

След като полупроводников материал бъде осветен чрез фотони, които имат висока или еквивалентна енергия на неговата забранена лента, тогава абсорбираните фотони насърчават електроните на валентната лента да се преместят в проводимата лента, оставяйки след себе си дупки във валентната лента. Електроните в зоната на проводимост действат като свободни електрони (дупки), които могат да се разпръснат под силата на вътрешно или външно приложено електрическо поле.

Фотогенерираните двойки електрон-дупка поради оптичното поглъщане могат да се рекомбинират и излъчват отново светлина, освен ако не бъдат подложени на медиирано от електрическо поле разделяне, което да доведе до увеличаване на фототока, което е част от фотогенерираните свободни носители на заряд, получени при електродите на устройството на фотодетектора. Големината на фототока при определена дължина на вълната е право пропорционална на интензитета на падащата светлина.

Имоти

Свойствата на фотодетекторите са разгледани по-долу.

Спектрален отговор – Това е реакцията на фотодетектора като функция на фотонната честота.

Квантова ефективност – Броят на носителите на заряд, генерирани за всеки фотон

Отзивчивост – Това е изходният ток, отделен от общата мощност на светлината, падаща върху детектора.

Шумова еквивалентна мощност – Това е необходимото количество светлинна мощност за генериране на сигнал, който е еквивалентен по размер на шума на устройството.

Детективност – Корен квадратен от площта на детектора, отделена от еквивалентната мощност на шума.

Печалба - Това е изходният ток на фотодетектора, който се разделя на директно произведения ток от падащите фотони на детекторите.

Тъмно течение- Потокът от ток през детектор дори при липса на светлина.

Време за реакция - Това е необходимото време за детектор, за да премине от 10 до 90% от крайната мощност.

Шумов спектър – Вътрешният шумов ток или напрежение е функция на честотата, която може да бъде изразена под формата на спектрална плътност на шума.

Нелинейност – Нелинейността на фотодетектора ограничава RF изхода.

Видове фотодетектори

Фотодетекторите се класифицират въз основа на механизма за откриване на светлина като фотоелектричен или фотоемисионен ефект, поляризационен ефект, топлинен ефект, слабо взаимодействие или фотохимичен ефект. Различните видове фотодетектори включват главно фотодиод, MSM фотодетектор, фототранзистор, фотопроводим детектор, фототръби и фотоумножители.

Фотодиоди

Това са полупроводникови устройства със структура на преход PIN или PN, където светлината се абсорбира в изчерпана област и произвежда фототок. Тези устройства са бързи, силно линейни, много компактни и генерират висока квантова ефективност, което означава, че генерира почти един електрон за всеки падащ фотон и висок динамичен диапазон. Моля, вижте тази връзка, за да научите повече за Фотодиоди .

MSM фотодетектори

Фотодетекторите MSM (метал–полупроводник–метал) включват два Шотки контакти, а не a PN кръстовище . Тези детектори са потенциално по-бързи в сравнение с фотодиодите с честотна лента до стотици GHz. MSM детекторите позволяват детекторите с много голяма площ да направят лесно свързване с оптични влакна без влошаване на честотната лента.

Фототранзистор

Фототранзисторът е един вид фотодиод, който използва вътрешно усилване на фототока. Но те не се използват често в сравнение с фотодиодите. Те се използват главно за откриване на светлинни сигнали и превръщането им в цифрови електрически сигнали. Тези компоненти просто се управляват чрез светлина, а не чрез електрически ток. Фототранзисторите са евтини и осигуряват голяма печалба, така че се използват в различни приложения. Моля, вижте тази връзка, за да научите повече за фототранзистори .

Фотопроводими детектори

Фотопроводимите детектори са известни още като фоторезистори, фотоклетки и светлозависими резистори . Тези детектори са направени с определени полупроводници като CdS (кадмиев сулфид). Така че този детектор включва полупроводников материал с два свързани метални електрода за откриване на съпротивлението. В сравнение с фотодиодите, те не са скъпи, но са доста бавни, не са изключително чувствителни и показват нелинеен отговор. Като алтернатива те могат да реагират на инфрачервена светлина с дълга дължина на вълната. Фотопроводимите детектори се разделят на различни типове въз основа на функцията на спектралната чувствителност като видим диапазон на дължина на вълната, диапазон на дължина на вълната в близката инфрачервена област и диапазон на дължина на вълната в инфрачервения диапазон.

Фототуби

Напълнените с газ тръби или вакуумни тръби, които се използват като фотодетектори, са известни като фототръби. Фототубата е a фотоемисионен детектор който използва външен фотоелектричен ефект или фотоемисионен ефект. Тези тръби често се вакуумират или понякога се пълнят с газ под ниско налягане.

Фотоумножител

Фотоумножителят е вид фототръба, която променя падащите фотони в електрически сигнал. Тези детектори използват процес на мултиплициране на електрони, за да получат много по-голяма чувствителност. Имат голяма активна площ и висока скорост. Налични са различни видове фотоумножители като фотоумножителна тръба, магнитен фотоумножител, електростатичен фотоумножител и силиконов фотоумножител.

Схема на фотодетектора

Веригата на сензора за светлина, използваща фотодетектор, е показана по-долу. В тази схема фотодиодът се използва като фотодетектор за откриване на съществуването или несъществуването на светлина. Чувствителността на този сензор може лесно да се регулира с помощта на предварително зададената настройка.

Необходимите компоненти на тази верига на светлинен сензор включват главно фотодиод, LED, LM339 IC , Резистор, Предварителна настройка и т.н. Свържете веригата според електрическата схема, показана по-долу.

Работещ

Фотодиодът се използва като фотодетектор за генериране на ток във веригата, след като светлината падне върху него. В тази схема фотодиодът се използва в режим на обратно отклонение през резистора R1. Така че този резистор R1 не позволява твърде много ток да се достави през целия фотодиод, в случай че голямо количество светлина падне върху фотодиода.

Когато върху фотодиода не попада светлина, това води до висок потенциал на pin6 на компаратор LM339 (инвертиращ вход). След като светлината падне върху този диод, тогава той позволява ток да се подава през целия диод и по този начин напрежението ще падне върху него. Пин 7 (неинвертиращ вход) на компаратора е свързан към VR2 (променлив резистор), за да зададе референтното напрежение на компаратора.

Тук компараторът работи, когато неинвертиращият вход на компаратора е висок в сравнение с инвертиращия вход, тогава неговият изход остава висок. Така че изходният щифт на IC като щифт-1 е свързан към диод, излъчващ светлина. Тук референтното напрежение е зададено в цялата предварително зададена настройка на VR1, за да съответства на прагово осветяване. На изхода светодиодът ще светне, след като светлината падне върху фотодиода. И така, инвертиращият вход пада до по-ниска стойност в сравнение с референтната стойност, зададена на неинвертиращия вход. Така че изходът доставя необходимото преднапрежение към светодиода.

Фотодетектор срещу фотодиод

Разликата между фотодетектор и фотодиод включва следното.

Квантова ефективност на фотодетектора

Квантовата ефективност на фотодетектора може да се определи като частта от падащите фотони, които се абсорбират през фотопроводника до произведените електрони, които се събират в терминала на детектора.

Квантовата ефективност може да се означи с „η“

Квантова ефективност (η) = Генерирани електрони/Общ брой падащи фотони

По този начин,

η = (Ток/Заряд на електрон)/(Обща оптична мощност на инцидентен фотон/Енергия на фотон)

Така че математически ще стане като

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Предимства и недостатъци

Предимствата на фотодетектора включват следното.

• Фотодетекторите са с малки размери.
• Скоростта му на откриване е бърза.
• Ефективността му на откриване е висока.
• Те генерират по-малко шум.
• Те не са скъпи, компактни и леки.
• Те имат дълъг живот.
• Имат висока квантова ефективност.
• Не изисква високо напрежение.

The недостатъци на фотодетектора включват следното.

• Имат много ниска чувствителност.
• Те нямат вътрешна печалба.
• Времето за реакция е много бавно.
• Активната площ на този детектор е малка.
• Промяната в тока е изключително малка, така че може да не е достатъчна за управление на веригата.
• Изисква компенсиращо напрежение.

Приложения на фотодетектори

Приложенията на фотодетектора включват следното.

• Фотодетекторите се използват в различни приложения, които варират от автоматични врати в супермаркети до дистанционни контролери за телевизори във вашия дом.
• Това са важни важни компоненти, използвани в оптичните комуникации, сигурността, нощното виждане, видеоизображенията, биомедицинските изображения, откриването на движение и отчитането на газ, които имат способността точно да променят светлината в електрически сигнали.
• Те се използват за измерване на оптична мощност и светлинен поток
• Те се използват главно в различни видове дизайни на микроскопи и оптични сензори.
• Те са важни за лазерните далекомери.
• Те обикновено се използват в честотната метрология, комуникацията с оптични влакна и др.
• Фотодетекторите във фотометрията и радиометрията се използват за измерване на различни свойства като оптична мощност, оптичен интензитет, излъчване и светлинен поток.
• Те се използват за измерване на оптична мощност в рамките на спектрометри, оптични устройства за съхранение на данни, светлинни бариери, профилиращи лъчи, флуоресцентни микроскопи, автокорелатори, интерферометри и различни видове оптични сензори.
• Те се използват за LIDAR, лазерни далекомери, устройства за нощно виждане и експерименти с квантова оптика.
• Те са приложими в метрологията на оптичните честоти, комуникациите с оптични влакна и също така за класифициране на лазерен шум или импулсни лазери.
• Двуизмерните решетки с няколко идентични фотодетектора се използват главно като решетки с фокална равнина и често за приложения за изображения.

За какво се използва фотодетектор?

Фотодетекторите се използват за преобразуване на фотонната енергия на светлината в електрически сигнал.

Какви са характеристиките на фотодетектора?

Характеристиките на фотодетекторите са фоточувствителност, спектрална реакция, квантова ефективност, изместен шум, тъмен ток, еквивалентна на шума мощност, времева реакция, терминален капацитет, гранична честота и честотна лента.

Какви са изискванията за фотодетектор?

Изискванията към фотодетекторите са; кратки времена за реакция, най-малък принос на шум, надеждност, висока чувствителност, линеен отговор в широк диапазон от интензитети на светлината, ниско напрежение на отклонение, ниска цена и стабилност на работните характеристики.

Какво се използва в спецификацията на оптичните детектори?

Еквивалентната на шума мощност се използва в спецификацията на оптичните детектори, тъй като това е оптичната входна мощност, която генерира допълнителна изходна мощност, която е равна на тази шумова мощност за определена честотна лента.

Квантовият добив и квантовата ефективност еднакви ли са?

Квантовият добив и квантовата ефективност не са еднакви, тъй като вероятността фотон да излъчи, след като един фотон е бил погълнат, е квантовият добив, докато квантовата ефективност е вероятността фотон да бъде излъчен, след като системата е била енергизирана до своето състояние на излъчване.

По този начин, това е преглед на фотодетектор – работа с приложения. Тези устройства се основават на вътрешния и външния фотоелектричен ефект, така че се използват главно за откриване на светлина. Ето един въпрос към вас, какви са оптични детектори ?