Фотодетектор: схема, работа, типы и применение

Фотодетектор является важным компонентом оптического приемника, который преобразует входящий оптический сигнал в электрический сигнал. Полупроводниковые фотодетекторы обычно называют фотодиодами, потому что это основные типы фотодетекторов, используемых в оптических устройствах. системы связи из-за их быстрой скорости обнаружения, высокой эффективности обнаружения и небольшого размера. В настоящее время фотодетекторы широко используются в промышленной электронике, электронных коммуникациях, медицине и здравоохранении, аналитическом оборудовании, автомобилестроении и транспорте и во многих других областях. Они также известны как фотодатчики и датчики света. Итак, в этой статье обсуждается обзор фотодетектор – работа с приложениями.

Что такое Фотодетектор?

Определение фотодетектора; оптоэлектронное устройство, которое используется для обнаружения падающего света или оптической мощности для преобразования его в электрический сигнал, известно как фотодетектор. Обычно этот сигнал o/p пропорционален падающей оптической мощности. Эти датчики абсолютно необходимы для различных научных применений, таких как управление технологическими процессами, системы оптоволоконной связи, безопасность, датчики окружающей среды, а также в оборонных приложениях. Примерами фотодетекторов являются фототранзисторы и фотодиоды .

Как работает фотодетектор?

Фотодетектор просто работает, обнаруживая свет или другое электромагнитное излучение, или устройства могут принимать передаваемые оптические сигналы. Фотодетекторы, которые используют полупроводники работают на создании электронно-дырочной пары по принципу светового излучения.

Как только полупроводниковый материал освещается фотонами, которые имеют высокую или эквивалентную энергию его запрещенной зоне, поглощенные фотоны побуждают электроны валентной зоны перемещаться в зону проводимости, оставляя дыры внутри валентной зоны. Электроны в зоне проводимости действуют как свободные электроны (дырки), которые могут рассеиваться под действием собственного или внешнего электрического поля.

Фотогенерированные электронно-дырочные пары из-за оптического поглощения могут рекомбинировать и повторно излучать свет, если только они не подвергаются разделению, опосредованному электрическим полем, чтобы увеличить фототок, который является частью фотогенерированных свободных носителей заряда, полученных при электроды фотоприемного устройства. Величина фототока на заданной длине волны прямо пропорциональна интенсивности падающего света.

Характеристики

Свойства фотодетекторов обсуждаются ниже.

Спектральный отклик – Это отклик фотодетектора как функция частоты фотонов.

Квантовая эффективность – Количество носителей заряда, генерируемых для каждого фотона

Отзывчивость – Это выходной ток, разделенный на общую мощность света, падающего на детектор.

Шумовая эквивалентная мощность – Это необходимое количество световой мощности для генерации сигнала, который по размеру эквивалентен шуму устройства.

Детективность – Квадратный корень из площади детектора, разделенный на эквивалентную мощность шума.

Прирост - Это выходной ток фотодетектора, который делится на ток, непосредственно создаваемый фотонами, падающими на детекторы.

Темный ток- Протекание тока через детектор даже при недостатке света.

Время отклика - Это время, необходимое детектору для перехода от 10 до 90% конечного выхода.

Спектр шума – Собственный шумовой ток или напряжение являются функцией частоты, которую можно представить в форме спектральной плотности шума.

Нелинейность – Нелинейность фотодетектора ограничивает выходной сигнал РЧ.

Типы фотодетекторов

Фотодетекторы классифицируются на основе механизма обнаружения света, такого как фотоэлектрический или фотоэмиссионный эффект, эффект поляризации, тепловой эффект, слабое взаимодействие или фотохимический эффект. Различные типы фотодетекторов в основном включают фотодиод, фотодетектор МСМ, фототранзистор, фотопроводящий детектор, фотоэлементы и фотоумножители.

Фотодиоды

Это полупроводниковые устройства со структурой PIN- или PN-перехода, в которых свет поглощается в обедненной области и создает фототок. Эти устройства быстрые, очень линейные, очень компактные и обладают высокой квантовой эффективностью, что означает, что они генерируют почти один электрон на каждый падающий фотон и имеют широкий динамический диапазон. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о Фотодиоды .

МСМ Фотодетекторы

Фотодетекторы MSM (металл-полупроводник-металл) включают два Шоттки контакты, а не PN-переход . Эти детекторы потенциально быстрее по сравнению с фотодиодами с полосой пропускания до сотен ГГц. Детекторы MSM позволяют детекторам очень большой площади легко соединяться с оптическими волокнами без ухудшения полосы пропускания.

Фототранзистор

Фототранзистор — это тип фотодиода, в котором используется внутреннее усиление фототока. Но они не так часто используются по сравнению с фотодиодами. Они в основном используются для обнаружения световых сигналов и преобразования их в цифровые электрические сигналы. Эти компоненты просто управляются с помощью света, а не электрического тока. Фототранзисторы дешевы и обеспечивают большой коэффициент усиления, поэтому они используются в различных приложениях. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о фототранзисторы .

Фотопроводящие детекторы

Фоторезисторы также известны как фоторезисторы, фотоэлементы и фотоэлементы. светочувствительные резисторы . Эти детекторы сделаны из определенных полупроводников, таких как CdS (сульфид кадмия). Таким образом, этот детектор включает в себя полупроводниковый материал с двумя соединенными металлическими электродами для определения сопротивления. По сравнению с фотодиодами они не дороги, но довольно медленны, не очень чувствительны и демонстрируют нелинейный отклик. В качестве альтернативы они могут реагировать на длинноволновое инфракрасное излучение. Фотопроводящие детекторы подразделяются на различные типы в зависимости от функции спектральной чувствительности, такой как видимый диапазон длин волн, ближний инфракрасный диапазон длин волн и ИК-диапазон длин волн.

Фототрубки

Наполненные газом трубки или вакуумные трубки, которые используются в качестве фотодетекторов, известны как фототрубки. Фототрубка – это фотоэмиссионный детектор который использует внешний фотоэлектрический эффект или фотоэмиссионный эффект. Эти трубки часто вакуумируют или иногда наполняют газом под низким давлением.

Фотоумножитель

Фотоумножитель — это один из типов фототрубок, который преобразует падающие фотоны в электрический сигнал. В этих детекторах используется процесс умножения электронов для получения значительно повышенной чувствительности. У них большая активная площадь и высокая скорость. Доступны различные типы фотоумножителей, такие как фотоумножитель, магнитный фотоумножитель, электростатический фотоумножитель и кремниевый фотоумножитель.

Схема фотодетектора

Схема датчика освещенности с использованием фотоприемника показана ниже. В этой схеме фотодиод используется как фотодетектор для обнаружения наличия или отсутствия света. Чувствительность этого датчика можно просто отрегулировать с помощью предустановки.

Необходимые компоненты этой схемы датчика освещенности в основном включают фотодиод, светодиод, LM339 ИС , Резистор, Предустановка и т. д. Подключите цепь в соответствии со схемой, показанной ниже.

Работающий

Фотодиод используется в качестве фотодетектора для генерации тока в цепи, когда на него падает свет. В этой схеме фотодиод используется в режиме обратного смещения через резистор R1. Таким образом, этот резистор R1 не позволяет подавать слишком большой ток через фотодиод в случае, если на фотодиод падает огромное количество света.

Когда на фотодиод не падает свет, это приводит к высокому потенциалу на выводе 6 компаратора LM339 (инвертирующий вход). Как только свет падает на этот диод, он позволяет току проходить через диод, и, таким образом, напряжение на нем падает. Контакт 7 (неинвертирующий вход) компаратора подключен к VR2 (переменный резистор) для установки опорного напряжения компаратора.

Здесь компаратор работает, когда неинвертирующий вход компаратора высокий по сравнению с инвертирующим входом, тогда его выход остается высоким. Таким образом, выходной контакт микросхемы, как и контакт 1, подключен к светодиоду. Здесь опорное напряжение устанавливается в предустановке VR1, чтобы соответствовать пороговому освещению. На выходе светодиод включится, как только свет попадет на фотодиод. Таким образом, инвертирующий вход падает до более низкого значения по сравнению с эталоном, установленным на неинвертирующем входе. Итак, выход идет на подачу необходимого прямого смещения на светодиод.

Фотодетектор против фотодиода

Отличие фотодетектора от фотодиода заключается в следующем.

Квантовая эффективность фотодетектора

Квантовая эффективность фотодетектора может быть определена как доля падающих фотонов, которые поглощаются фотопроводником, образующиеся электроны собираются на терминале детектора.

Квантовую эффективность можно обозначить буквой «η».

Квантовая эффективность (η) = сгенерированные электроны/общее количество падающих фотонов

Таким образом,

η = (Ток/Заряд электрона)/(Общая оптическая мощность падающего фотона/Энергия фотона)

Итак, математически это станет похоже на

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

Преимущества и недостатки

К достоинствам фотоприемника можно отнести следующее.

• Фотоприемники имеют небольшие размеры.
• Его скорость обнаружения высока.
• Его эффективность обнаружения высока.
• Они производят меньше шума.
• Они не дорогие, компактные и легкие.
• У них долгая жизнь.
• Они обладают высокой квантовой эффективностью.
• Не требует высокого напряжения.

недостатки фотодетектора включая следующее.

• У них очень низкая чувствительность.
• У них нет внутренней выгоды.
• Время отклика очень медленное.
• Активная площадь этого детектора мала.
• Изменение тока очень мало, поэтому его может быть недостаточно для управления схемой.
• Требуется напряжение смещения.

Применение фотодетекторов

Применение фотодетектора включает следующее.

• Фотодетекторы используются в различных приложениях, от автоматических дверей в супермаркетах до пультов дистанционного управления телевизором в вашем доме.
• Это важные важные компоненты, используемые в оптической связи, безопасности, ночном видении, видеоизображении, биомедицинской визуализации, обнаружении движения и обнаружении газа, которые имеют возможность точно преобразовывать свет в электрические сигналы.
• Они используются для измерения оптической мощности и светового потока.
• Они в основном используются в различных видах микроскопов и конструкций оптических датчиков.
• Это важно для лазерных дальномеров.
• Они обычно используются в частотной метрологии, оптоволоконной связи и т. д.
• Фотодетекторы в фотометрии и радиометрии используются для измерения различных свойств, таких как оптическая сила, оптическая интенсивность, освещенность и световой поток.
• Они используются для измерения оптической мощности в спектрометрах, оптических устройствах хранения данных, световых барьерах, профилировщиках пучка, флуоресцентных микроскопах, автокорреляторах, интерферометрах и различных видах оптических датчиков.
• Они используются для лидаров, лазерных дальномеров, приборов ночного видения и экспериментов по квантовой оптике.
• Они применимы в метрологии оптических частот, оптоволоконной связи, а также для классификации лазерного шума или импульсных лазеров.
• Двумерные матрицы с несколькими идентичными фотодетекторами в основном используются в качестве матриц в фокальной плоскости и часто для приложений обработки изображений.

Для чего используется фотодетектор?

Фотодетекторы используются для преобразования энергии фотонов света в электрический сигнал.

Каковы характеристики фотодетектора?

Характеристики фотодетекторов: фоточувствительность, спектральный отклик, квантовая эффективность, шум прямого смещения, темновой ток, эквивалентная мощность шума, временная характеристика, емкость на клеммах, частота среза и полоса частот.

Каковы требования к фотодетектору?

Требования к фотодетекторам: малое время отклика, наименьший шумовой вклад, надежность, высокая чувствительность, линейный отклик в широком диапазоне интенсивности света, низкое напряжение смещения, низкая стоимость и стабильность рабочих характеристик.

Что используется в спецификации оптических детекторов?

Эквивалентная мощность шума используется в спецификации оптических детекторов, потому что это оптическая входная мощность, которая создает дополнительную выходную мощность, равную этой мощности шума для указанной полосы пропускания.

Квантовый выход и квантовая эффективность — это одно и то же?

Квантовый выход и квантовая эффективность не совпадают, потому что вероятность излучения фотона после того, как один фотон был поглощен, является квантовым выходом, тогда как квантовая эффективность - это вероятность того, что фотон испущен после того, как система была возбуждена до состояния излучения.

Таким образом, это обзор фотодетектора – работа с приложениями. Эти устройства основаны на внутреннем и внешнем фотоэффекте, поэтому в основном используются для обнаружения света. Вот вопрос к вам, какие оптические детекторы ?