Fotodetektor: obvod, funkce, typy a jeho aplikace

Fotodetektor je základní součástí optického přijímače, který převádí příchozí optický signál na elektrický signál. Polovodičové fotodetektory se obvykle nazývají fotodiody, protože se jedná o hlavní typy fotodetektorů používaných v optických komunikační systémy díky jejich rychlé rychlosti detekce, vysoké účinnosti detekce a malé velikosti. V současné době jsou fotodetektory široce používány v průmyslové elektronice, elektronických komunikacích, lékařství a zdravotnictví, analytických zařízeních, automobilovém průmyslu a dopravě a mnoha dalších. Tyto jsou také známé jako fotosenzory a senzory světla. Tento článek tedy pojednává o přehledu a fotodetektor – práce s aplikacemi.

Co je fotodetektor?

Definice fotodetektoru je; optoelektronické zařízení, které se používá k detekci dopadajícího světla nebo optického výkonu k jeho přeměně na elektrický signál, je známé jako fotodetektor. Obvykle je tento o/p signál úměrný dopadajícímu optickému výkonu. Tyto senzory jsou absolutně potřebné pro různé vědecké implementace, jako je řízení procesů, komunikační systémy z optických vláken, bezpečnost, snímání životního prostředí a také v obranných aplikacích. Příklady fotodetektorů jsou fototranzistory a fotodiody .

Jak fotodetektor funguje?

Fotodetektor jednoduše funguje tak, že detekuje světlo nebo jiné elektromagnetické záření nebo zařízení mohou přijímat přenášené optické signály. Fotodetektory, které používají polovodiče fungují na vytvoření páru elektron-díra na principu světelného záření.

Jakmile je polovodičový materiál osvětlen fotony, které mají vysoké nebo ekvivalentní energie jeho bandgap, pak absorbované fotony povzbudí elektrony valenčního pásu, aby se přesunuly do vodivostního pásu, takže za sebou zanechají díry ve valenčním pásmu. Elektrony ve vodivém pásmu fungují jako volné elektrony (díry), které se mohou rozptýlit pod silou vlastního nebo externě aplikovaného elektrického pole.

Fotogenerované páry elektron-díra mohou kvůli optické absorpci rekombinovat a reemitovat světlo, pokud nejsou podrobeny separaci zprostředkované elektrickým polem za účelem zvýšení fotoproudu, což je zlomek fotogenerovaných volných nosičů náboje přijatých při elektrody uspořádání fotodetektoru. Velikost fotoproudu při specifikované vlnové délce je přímo úměrná intenzitě dopadajícího světla.

Vlastnosti

Vlastnosti fotodetektorů jsou diskutovány níže.

Spektrální odezva – Je to odezva fotodetektoru jako funkce frekvence fotonů.

Kvantová účinnost – Počet nosičů náboje generovaných pro každý foton

Odezva - Je to výstupní proud oddělený celkovým výkonem světla dopadajícího na detektor.

Výkon ekvivalentní hluku – Je to požadované množství světelného výkonu pro vytvoření signálu, který je svou velikostí ekvivalentní šumu zařízení.

Detektivnost - Druhá odmocnina plochy detektoru oddělená výkonem ekvivalentního šumu.

zisk – Je to výstupní proud fotodetektoru, který se dělí přímo produkovaným proudem dopadajícími fotony na detektory.

Temný proud - Tok proudu detektorem i při nedostatku světla.

Doba odezvy - Je to doba potřebná k tomu, aby detektor přešel z 10 – 90 % konečného výkonu.

Šumové spektrum – Vlastní šumový proud nebo napětí je funkcí frekvence, která může být vyjádřena ve formě spektrální hustoty šumu.

Nelinearita - Nelinearita fotodetektoru omezuje RF výstup.

Typy fotodetektorů

Fotodetektory jsou klasifikovány na základě mechanismu detekce světla, jako je fotoelektrický nebo fotoemisní efekt, polarizační efekt, tepelný efekt, slabá interakce nebo fotochemický efekt. Mezi různé typy fotodetektorů patří především fotodioda, MSM fotodetektor, fototranzistor, fotovodivý detektor, fotoelektrony a fotonásobiče.

Fotodiody

Jedná se o polovodičová zařízení se strukturou PIN nebo PN přechodu, kde je světlo absorbováno v oblasti vyčerpání a vytváří fotoproud. Tato zařízení jsou rychlá, vysoce lineární, velmi kompaktní a generují vysokou kvantovou účinnost, což znamená, že generují téměř jeden elektron na každý dopadající foton a mají vysoký dynamický rozsah. Další informace naleznete na tomto odkazu Fotodiody .

Fotodetektory MSM

Fotodetektory MSM (Metal–semiconductor–metal) zahrnují dva Schottky spíše kontakty než a PN přechod . Tyto detektory jsou potenciálně rychlejší ve srovnání s fotodiodami se šířkou pásma až stovky GHz. Detektory MSM umožňují detektorům s velmi velkou plochou, aby se snadno spojily s optickými vlákny bez degradace šířky pásma.

Fototranzistor

Fototranzistor je jeden typ fotodiody, který využívá vnitřní zesílení fotoproudu. Ty se však ve srovnání s fotodiodami často nepoužívají. Používají se hlavně pro detekci světelných signálů a jejich přeměnu na digitální elektrické signály. Tyto komponenty jsou jednoduše ovládány světlem spíše než elektrickým proudem. Fototranzistory jsou levné a poskytují velký zisk, takže se používají v různých aplikacích. Další informace naleznete na tomto odkazu fototranzistory .

Fotovodivé detektory

Fotovodivé detektory jsou také známé jako fotorezistory, fotobuňky a rezistory závislé na světle . Tyto detektory jsou vyrobeny z určitých polovodičů, jako je CdS (sulfid kademnatý). Tento detektor tedy obsahuje polovodičový materiál se dvěma spojenými kovovými elektrodami pro detekci odporu. Ve srovnání s fotodiodami nejsou drahé, ale jsou poměrně pomalé, nejsou extrémně citlivé a vykazují nelineární odezvu. Případně mohou reagovat na dlouhovlnné IR světlo. Fotovodivé detektory jsou rozděleny do různých typů na základě funkce spektrální odezvy, jako je viditelný rozsah vlnových délek, blízký infračervený rozsah vlnových délek a IR vlnový rozsah.

Fototrubice

Plynem plněné trubice nebo vakuové trubice, které se používají jako fotodetektory, jsou známé jako fototrubice. Fototrubice je a fotoemisní detektor který využívá externí fotoelektrický efekt nebo fotoemisivní efekt. Tyto trubky jsou často evakuovány nebo někdy plněny plynem při nízkém tlaku.

Fotonásobič

Fotonásobič je jeden typ fototrubice, která mění dopadající fotony na elektrický signál. Tyto detektory používají proces násobení elektronů k získání mnohem zvýšené citlivosti. Mají velkou aktivní plochu a vysokou rychlost. K dispozici jsou různé typy fotonásobičů, jako je fotonásobič, magnetický fotonásobič, elektrostatický fotonásobič a křemíkový fotonásobič.

Schéma obvodu fotodetektoru

Obvod světelného senzoru využívající fotodetektor je zobrazen níže. V tomto obvodu se fotodioda používá jako fotodetektor pro detekci existence nebo neexistence světla. Citlivost tohoto senzoru lze jednoduše upravit pomocí předvolby.

Mezi požadované součásti tohoto obvodu světelného senzoru patří především fotodioda, LED, LM339 IC , Rezistor, Preset atd. Zapojte obvod podle níže uvedeného schématu zapojení.

Pracovní

Fotodioda se používá jako fotodetektor ke generování proudu v obvodu, jakmile na něj dopadne světlo. V tomto obvodu se fotodioda používá v režimu zpětného předpětí přes odpor R1. Takže tento rezistor R1 neumožňuje dodávat příliš velký proud do fotodiody v případě, že na fotodiodu dopadne velké množství světla.

Když na fotodiodu nedopadá žádné světlo, pak to má za následek vysoký potenciál na kolíku 6 komparátoru LM339 (invertující vstup). Jakmile světlo dopadne na tuto diodu, umožní proud dodávat skrz diodu, a tak na ní klesne napětí. Pin7 (neinvertující vstup) komparátoru je připojen k VR2 (variabilní rezistor) pro nastavení referenčního napětí komparátoru.

Zde komparátor funguje, když je neinvertující vstup komparátoru vysoký ve srovnání s invertujícím vstupem, pak jeho výstup zůstává vysoký. Takže výstupní kolík IC, jako je kolík-1, je připojen k diodě emitující světlo. Zde je referenční napětí nastaveno v rámci předvolby VR1 tak, aby odpovídalo prahovému osvětlení. Na výstupu se LED dioda rozsvítí, jakmile světlo dopadne na fotodiodu. Invertující vstup tedy klesne na nižší hodnotu ve srovnání s referenční hodnotou nastavenou na neinvertujícím vstupu. Výstup tedy dodává požadované dopředné předpětí do světelné diody.

Fotodetektor vs fotodioda

Rozdíl mezi fotodetektorem a fotodiodou zahrnuje následující.

Kvantová účinnost fotodetektoru

Kvantová účinnost fotodetektoru může být definována jako podíl dopadajících fotonů, které jsou absorbovány fotovodičem k vytvořeným elektronům, které se shromažďují na terminálu detektoru.

Kvantovou účinnost lze označit „η“

Kvantová účinnost (η) = generované elektrony/celkový počet dopadajících fotonů

Tím pádem,

η = (proud/ náboj elektronu)/(celková optická síla dopadajícího fotonu/ energie fotonu)

Takže matematicky to bude jako

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

Výhody a nevýhody

Mezi výhody fotodetektoru patří následující.

• Fotodetektory jsou malé velikosti.
• Rychlost jeho detekce je vysoká.
• Jeho detekční účinnost je vysoká.
• Vytvářejí méně hluku.
• Nejsou drahé, kompaktní a lehké.
• Mají dlouhou životnost.
• Mají vysokou kvantovou účinnost.
• Nevyžaduje vysoké napětí.

The nevýhody fotodetektoru zahrnout následující.

• Mají velmi nízkou citlivost.
• Nemají žádný vnitřní zisk.
• Doba odezvy je velmi pomalá.
• Aktivní plocha tohoto detektoru je malá.
• Změna proudu je extrémně malá, takže nemusí být dostatečná pro řízení obvodu.
• Vyžaduje offsetové napětí.

Aplikace fotodetektorů

Aplikace fotodetektoru zahrnují následující.

• Fotodetektory se používají v různých aplikacích, od automatických dveří v supermarketech až po televizní dálkové ovladače ve vaší domácnosti.
• Jedná se o zásadní významné komponenty používané v optické komunikaci, zabezpečení, nočním vidění, video zobrazování, biomedicínském zobrazování, detekci pohybu a snímání plynu, které mají schopnost přesně měnit světlo na elektrické signály.
• Používají se pro měření optického výkonu a světelného toku
• Používají se hlavně v různých typech konstrukcí mikroskopů a optických snímačů.
• Ty jsou významné pro laserové dálkoměry.
• Ty se běžně používají ve frekvenční metrologii, komunikaci s optickými vlákny atd.
• Fotodetektory ve fotometrii a radiometrii se používají k měření různých vlastností, jako je optická síla, optická intenzita, záření a světelný tok.
• Používají se pro měření optického výkonu v rámci spektrometrů, optických zařízení pro ukládání dat, světelných závor, profilů paprsků, fluorescenčních mikroskopů, autokorelátorů, interferometrů a různých druhů optických senzorů.
• Používají se pro LIDAR, laserové dálkoměry, zařízení pro noční vidění a experimenty s kvantovou optikou.
• Ty jsou použitelné v optické frekvenční metrologii, optických vláknových komunikacích a také pro klasifikaci laserového šumu nebo pulzních laserů.
• Dvourozměrná pole s několika identickými fotodetektory se používají hlavně jako pole ohniskové roviny a často pro zobrazovací aplikace.

K čemu slouží fotodetektor?

Fotodetektory se používají k přeměně fotonové energie světla na elektrický signál.

Jaké jsou vlastnosti fotodetektoru?

Charakteristiky fotodetektorů jsou fotosenzitivita, spektrální odezva, kvantová účinnost, dopředný šum, temný proud, ekvivalentní výkon šumu, časová odezva, koncová kapacita, mezní frekvence a frekvenční pásmo.

Jaké jsou požadavky na fotodetektor?

Požadavky fotodetektorů jsou; krátké doby odezvy, nejmenší příspěvek šumu, spolehlivost, vysoká citlivost, lineární odezva v širokém rozsahu intenzity světla, nízké předpětí, nízká cena a stabilita výkonových charakteristik.

Co se používá ve specifikaci optických detektorů?

Výkon ekvivalentní šumu se používá ve specifikaci optických detektorů, protože je to optický vstupní výkon, který generuje extra výstupní výkon, který se rovná výkonu šumu pro specifikovanou šířku pásma.

Je kvantový výnos a kvantová účinnost stejné?

Kvantový výtěžek a kvantová účinnost nejsou stejné, protože pravděpodobnost emitování fotonu, jakmile byl jeden foton absorbován, je kvantový výtěžek, zatímco kvantová účinnost je pravděpodobnost, že foton je emitován poté, co byl systém napájen do svých emisních podmínek.

Tedy, toto je přehled fotodetektoru – práce s aplikacemi. Tato zařízení jsou založena na vnitřním a vnějším fotoelektrickém jevu, takže se používají hlavně pro detekci světla. Zde je pro vás otázka, jaké jsou optické detektory ?