Fotodetektor: vooluahel, töö, tüübid ja rakendused

Fotodetektor on optilise vastuvõtja oluline komponent, mis teisendab sissetuleva optilise signaali elektrisignaaliks. Pooljuhtfotodetektoreid nimetatakse tavaliselt fotodioodideks, kuna need on peamised optilistes seadmetes kasutatavad fotodetektorite tüübid. sidesüsteemid tänu nende kiirele tuvastamiskiirusele, kõrgele tuvastamise efektiivsusele ja väikesele suurusele. Praegu kasutatakse fotodetektoreid laialdaselt tööstuselektroonikas, elektroonilises sides, meditsiinis ja tervishoius, analüütilistes seadmetes, autotööstuses ja transpordis ning paljudes muudes valdkondades. Neid tuntakse ka fotosensorite ja valgussensoritena. Niisiis, see artikkel käsitleb ülevaadet a fotodetektor – rakendustega töötamine.

Mis on fotodetektor?

Fotodetektori määratlus on; optoelektroonilist seadet, mida kasutatakse langeva valguse või optilise võimsuse tuvastamiseks, et muuta see elektriliseks signaaliks, nimetatakse fotodetektoriks. Tavaliselt on see o/p signaal võrdeline langeva optilise võimsusega. Need andurid on hädavajalikud erinevate teaduslike rakenduste jaoks, nagu protsessijuhtimine, fiiberoptilised sidesüsteemid, ohutus, keskkonnaseire ja ka kaitserakendused. Fotodetektorid on näiteks fototransistorid ja fotodioodid .

Kuidas fotodetektor töötab?

Fotodetektor lihtsalt töötab valguse või muu elektromagnetkiirguse tuvastamise teel või seadmed võivad saada edastatud optilisi signaale. Fotodetektorid, mis kasutavad pooljuhid töötavad elektron-augu paari loomisel valguskiirguse põhimõttel.

Kui pooljuhtmaterjal on valgustatud läbi footonite, millel on selle ribalaiusega kõrge või samaväärne energia, soodustavad neeldunud footonid valentsriba elektronide liikumist juhtivusriba, jättes seega valentsriba sisse augud. Juhtivusribas olevad elektronid toimivad vabade elektronidena (aukudena), mis võivad hajuda sisemise või väliselt rakendatud elektrivälja jõul.

Fotogenereeritud elektron-augu paarid võivad optilise neeldumise tõttu taaskombineerida ja kiirata valgust, välja arvatud juhul, kui neile rakendatakse elektrivälja vahendatud eraldumist, et suurendada fotovoolu, mis moodustab murdosa fotoga genereeritud vabadest laengukandjatest, mis saadakse fotodetektori paigutuse elektroodid. Fotovoolu tugevus teatud lainepikkusel on otseselt võrdeline langeva valguse intensiivsusega.

Omadused

Fotodetektorite omadusi käsitletakse allpool.

Spektraalvastus – See on fotodetektori reaktsioon footoni sagedusfunktsioonina.

Kvantefektiivsus - Iga footoni jaoks genereeritud laengukandjate arv

Vastuvõtlikkus – See on väljundvool, mis on eraldatud detektorile langeva valguse koguvõimsusega.

Müra ekvivalentne võimsus – See on vajalik kogus valgusvõimsust, et tekitada signaal, mis on seadme müraga samaväärne.

Detektiivsus – Ruutjuur detektori pindalast, mis on eraldatud müra ekvivalentvõimsusega.

Kasu – See on fotodetektori väljundvool, mis jagatakse detektoritele langevate footonite poolt otse toodetud vooluga.

tume vool- Voolu vool läbi detektori isegi valguse puudumise korral.

Reaktsiooniaeg - See on aeg, mille jooksul detektor saavutab 10–90% lõppväljundist.

Müra spekter - Sisemise müra vool või pinge on sageduse funktsioon, mida saab tähistada müra spektraaltiheduse kujul.

mittelineaarsus – Fotodetektori mittelineaarsus piirab raadiosageduslikku väljundit.

Fotodetektori tüübid

Fotodetektorid klassifitseeritakse valguse tuvastamise mehhanismi alusel, nagu fotoelektriline või fotoemissiooniefekt, polarisatsiooniefekt, termiline efekt, nõrk interaktsioon või fotokeemiline efekt. Erinevat tüüpi fotodetektorid hõlmavad peamiselt fotodioodi, MSM-fotodetektorit, fototransistorit, fotojuhtivat detektorit, fototorusid ja fotokordisti.

Fotodioodid

Need on PIN- või PN-siirdestruktuuriga pooljuhtseadmed, kus valgus neeldub ammendumise piirkonnas ja tekitab fotovoolu. Need seadmed on kiired, väga lineaarsed, väga kompaktsed ja loovad kõrge kvantefektiivsuse, mis tähendab, et need genereerivad peaaegu ühe elektroni iga langeva footoni kohta ja suure dünaamilise ulatuse. Selle kohta lisateabe saamiseks vaadake seda linki Fotodioodid .

MSM-i fotodetektorid

MSM-i (Metal-Semiconductor-Metal) fotodetektoreid on kaks Schottky kontaktid, mitte a PN-ristmik . Need detektorid on kuni sadade GHz ribalaiustega fotodioodidega võrreldes potentsiaalselt kiiremad. MSM-detektorid võimaldavad väga suure pindalaga detektoritel hõlpsasti ühendada optiliste kiududega ribalaiust vähendamata.

Fototransistor

Fototransistor on ühte tüüpi fotodiood, mis kasutab fotovoolu sisemist võimendust. Kuid neid ei kasutata fotodioodidega võrreldes sageli. Neid kasutatakse peamiselt valgussignaalide tuvastamiseks ja nende muutmiseks digitaalseteks elektrilisteks signaalideks. Neid komponente juhitakse lihtsalt valguse, mitte elektrivoolu kaudu. Fototransistorid on odavad ja annavad suure võimenduse, seetõttu kasutatakse neid erinevates rakendustes. Selle kohta lisateabe saamiseks vaadake seda linki fototransistorid .

Fotojuhtivad detektorid

Fotojuhtivaid detektoreid tuntakse ka fototakistite, fotoelementide ja valgusest sõltuvad takistid . Need detektorid on valmistatud teatud pooljuhtidega, nagu CdS (kaadmiumsulfiid). Seega sisaldab see detektor pooljuhtmaterjali, millel on kaks ühendatud metallelektroodi takistuse tuvastamiseks. Võrreldes fotodioodidega ei ole need kallid, kuid on üsna aeglased, mitte eriti tundlikud ja neil on mittelineaarne reaktsioon. Teise võimalusena võivad nad reageerida pika lainepikkusega IR-valgusele. Fotojuhtivad detektorid jaotatakse erinevat tüüpi spektritundlikkuse funktsioonide alusel, näiteks nähtava lainepikkuse vahemikuna, infrapuna-lähedase lainepikkuse vahemikuna ja IR-lainepikkuse vahemikuna.

Fototuubid

Gaasiga täidetud torusid või vaakumtorusid, mida kasutatakse fotodetektoritena, nimetatakse fototorudeks. Fototoru on a fotoemissiivne detektor mis kasutab välist fotoelektrilist efekti või fotoemissiivset efekti. Neid torusid tühjendatakse sageli või täidetakse mõnikord madala rõhuga gaasiga.

Fotokordisti

Fotokordisti on ühte tüüpi fototoru, mis muudab langevad footonid elektrisignaaliks. Need detektorid kasutavad elektronide paljundamise protsessi, et saavutada tunduvalt suurem tundlikkus. Neil on suur aktiivne ala ja suur kiirus. Saadaval on erinevat tüüpi fotokordajaid, nagu fotokordisti toru, magnetiline fotokordisti, elektrostaatiline fotokordisti ja räni fotokordisti.

Fotodetektori skeem

Valgusanduri vooluring fotodetektorit kasutades on näidatud allpool. Selles vooluringis kasutatakse fotodioodi fotodetektorina valguse olemasolu või puudumise tuvastamiseks. Selle anduri tundlikkust saab eelseadistuse abil lihtsalt reguleerida.

Selle valgusanduri vooluringi nõutavad komponendid hõlmavad peamiselt fotodioodi, LED-i, LM339 IC , takisti, eelseadistatud jne. Ühendage vooluahel vastavalt alltoodud skeemile.

Töötab

Fotodioodi kasutatakse fotodetektorina, et tekitada vooluahelas voolu, kui sellele langeb valgus. Selles vooluringis kasutatakse fotodioodi takisti R1 kaudu vastupidises nihkerežiimis. Seega ei lase see R1 takisti kogu fotodioodile liiga palju voolu anda, kui fotodioodile langeb suur hulk valgust.

Kui fotodioodile valgust ei lange, tekib LM339 komparaatori kontaktil 6 suur potentsiaal (inverteeriv sisend). Kui valgus langeb sellele dioodile, laseb see voolu anda kogu dioodile ja seega pinge sellel langeb. Komparaatori tihvt 7 (mitteinverteeriv sisend) on ühendatud VR2-ga (muutuv takisti), et seada komparaatori võrdluspinge.

Siin töötab komparaator, kui komparaatori mitteinverteeriv sisend on kõrge, võrreldes inverteeriva sisendiga, siis jääb selle väljund kõrgeks. Nii et IC väljundviik, nagu pin-1, on ühendatud valgusdioodiga. Siin on võrdluspinge seatud kogu VR1 eelseadistusse, et see vastaks lävivalgustusele. Väljundis lülitub LED sisse, kui valgus langeb fotodioodile. Seega langeb inverteeriv sisend madalamale väärtusele, võrreldes mitteinverteeriva sisendi võrdlusväärtusega. Seega annab väljund valgusdioodile vajaliku edasisuunalise eelpinge.

Fotodetektor vs fotodiood

Fotodetektori ja fotodioodi erinevus hõlmab järgmist.

Fotodetektori kvantefektiivsus

Fotodetektori kvantefektiivsust saab määratleda kui langevate footonite osa, mis neelduvad läbi fotojuhi toodetud elektronidesse, kogutakse detektori terminali.

Kvantefektiivsust saab tähistada tähega η

Kvantefektiivsus (η) = genereeritud elektronid / langevate footonite koguarv

Seega

η = (vool / elektroni laeng) / (kokku langeva footoni optiline võimsus / footoni energia)

Nii et matemaatiliselt saab sellest nagu

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

Eelised ja miinused

Fotodetektori eelised hõlmavad järgmist.

• Fotodetektorid on väikese suurusega.
• Selle tuvastamise kiirus on kiire.
• Selle tuvastamise efektiivsus on kõrge.
• Need tekitavad vähem müra.
• Need ei ole kallid, kompaktsed ja kerged.
• Neil on pikk eluiga.
• Neil on kõrge kvantitõhusus.
• See ei nõua kõrget pinget.

The Fotodetektori puudused sisaldama järgmist.

• Neil on väga madal tundlikkus.
• Neil pole sisemist kasu.
• Reaktsiooniaeg on väga aeglane.
• Selle detektori aktiivne ala on väike.
• Voolu muutus on äärmiselt väike, mistõttu ei pruugi see olla piisav vooluahela juhtimiseks.
• See nõuab nihkepinget.

Fotodetektorite rakendused

Fotodetektori rakendused hõlmavad järgmist.

• Fotodetektoreid kasutatakse erinevates rakendustes, alates automaatsetest ustest supermarketites kuni teie kodus olevate telerite kaugjuhtimispultideni.
• Need on olulised olulised komponendid, mida kasutatakse optilises sides, turvalisuses, öises nägemises, videokuvamises, biomeditsiinilises pildistamises, liikumistuvastuses ja gaasianduris, mis on võimelised valgust täpselt elektrilisteks signaalideks muutma.
• Neid kasutatakse optilise võimsuse ja valgusvoo mõõtmiseks
• Neid kasutatakse peamiselt mitmesugustes mikroskoobide ja optiliste andurite konstruktsioonides.
• Need on laserkaugusmõõturite jaoks olulised.
• Neid kasutatakse tavaliselt sagedusmetroloogias, kiudoptilises sides jne.
• Fotomeetria ja radiomeetria fotodetektoreid kasutatakse erinevate omaduste, näiteks optilise võimsuse, optilise intensiivsuse, kiirgustiheduse ja valgusvoo mõõtmiseks.
• Neid kasutatakse optilise võimsuse mõõtmiseks spektromeetrites, optilistes andmesalvestusseadmetes, valgusbarjäärides, kiirprofiilides, fluorestsentsmikroskoopides, autokorrelaatorites, interferomeetrites ja erinevat tüüpi optilistes andurites.
• Neid kasutatakse LIDARi, laserkaugusmõõtjate, öövaatlusseadmete ja kvantoptika katsete jaoks.
• Need on rakendatavad optilise sageduse metroloogias, kiudoptilises sides ja ka lasermüra või impulsslaserite klassifitseerimisel.
• Mitme identse fotodetektoriga kahemõõtmelisi massiive kasutatakse peamiselt fookustasandi massiividena ja sageli pilditöötlusrakendustes.

Milleks fotodetektorit kasutatakse?

Fotodetektoreid kasutatakse valguse footoni energia muundamiseks elektrisignaaliks.

Millised on fotodetektori omadused?

Fotodetektorite omadused on valgustundlikkus, spektraalreaktsioon, kvantefektiivsus, edasisuunaline müra, tumevool, müra ekvivalentvõimsus, ajastusreaktsioon, terminali mahtuvus, piirsagedus ja sagedusribalaius.

Millised on fotodetektori nõuded?

Fotodetektorite nõuded on; lühikesed reageerimisajad, väikseim müra, töökindlus, kõrge tundlikkus, lineaarne reaktsioon laias valguse intensiivsuse vahemikus, madal eelpinge, madal hind ja jõudlusnäitajate stabiilsus.

Mida kasutatakse optiliste detektorite spetsifikatsioonis?

Müra ekvivalentvõimsust kasutatakse optiliste detektorite spetsifikatsioonis, kuna optiline sisendvõimsus genereerib täiendava väljundvõimsuse, mis on võrdne selle müravõimsusega määratud ribalaiuse korral.

Kas kvantsaagis ja kvantefektiivsus on samad?

Kvantsaagis ja kvantefektiivsus ei ole samad, kuna tõenäosus, et footon kiirgab pärast ühe footoni neeldumist, on kvantsaagis, samas kui kvantefektiivsus on tõenäosus, et footon kiirgub pärast seda, kui süsteem on energiaga ühendatud kiirgamistingimustesse.

Seega on see fotodetektori ülevaade – rakendustega töötamine. Need seadmed põhinevad sisemisel ja välisel fotoelektrilisel efektil, seega kasutatakse neid peamiselt valguse tuvastamiseks. Siin on teile küsimus, mis need on optilised detektorid ?