Fotodetektors: shēma, darbība, veidi un pielietojumi

Fotodetektors ir būtiska optiskā uztvērēja sastāvdaļa, kas pārvērš ienākošo optisko signālu elektriskā signālā. Pusvadītāju fotodetektorus parasti sauc par fotodiodēm, jo ​​tie ir galvenie fotodetektoru veidi, ko izmanto optiskajā. sakaru sistēmas to ātrā noteikšanas ātruma, augstās noteikšanas efektivitātes un mazā izmēra dēļ. Pašlaik fotodetektorus plaši izmanto rūpnieciskajā elektronikā, elektroniskajos sakaros, medicīnā un veselības aprūpē, analītiskajā aprīkojumā, automobiļu rūpniecībā un transportā un daudzās citās jomās. Tos sauc arī par fotosensoriem un gaismas sensoriem. Tātad, šajā rakstā ir aplūkots pārskats par a fotodetektors – darbs ar aplikācijām.

Kas ir fotodetektors?

Fotodetektora definīcija ir; optoelektroniskā ierīce, ko izmanto, lai noteiktu krītošo gaismu vai optisko jaudu, lai pārvērstu to elektriskā signālā, ir pazīstama kā fotodetektors. Parasti šis o/p signāls ir proporcionāls krītošajai optiskajai jaudai. Šie sensori ir absolūti nepieciešami dažādām zinātniskām ieviešanām, piemēram, procesa vadībai, optisko šķiedru sakaru sistēmām, drošībai, vides sensoriem un arī aizsardzības lietojumiem. Fotodetektoru piemēri ir fototranzistori un fotodiodes .

Kā darbojas fotodetektors?

Fotodetektors vienkārši darbojas, uztverot gaismu vai citu elektromagnētisko starojumu, vai ierīces var uztvert pārraidītos optiskos signālus. Fotodetektori, kas izmanto pusvadītāji darbojas ar elektronu caurumu pāra izveidi pēc gaismas apstarošanas principa.

Kad pusvadītāju materiāls ir izgaismots caur fotoniem, kuriem ir liela vai līdzvērtīga enerģija tā joslas spraugai, tad absorbētie fotoni mudina valences joslas elektronus pārvietoties vadīšanas joslā, tādējādi atstājot aiz sevis caurumus valences joslā. Elektroni vadīšanas joslā darbojas kā brīvi elektroni (caurumi), kas var izkliedēties iekšēja vai ārēji pielietota elektriskā lauka ietekmē.

Fotoattēlu radītie elektronu caurumu pāri optiskās absorbcijas dēļ var rekombinēties un atkārtoti izstarot gaismu, ja vien tie netiek pakļauti elektriskā lauka izraisītai atdalīšanai, lai palielinātu fotostrāvu, kas ir daļa no foto ģenerētajiem brīvajiem lādiņu nesējiem, kas saņemti plkst. fotodetektora izkārtojuma elektrodi. Fotostrāvas lielums noteiktā viļņa garumā ir tieši proporcionāls krītošās gaismas intensitātei.

Īpašības

Fotodetektoru īpašības ir apskatītas zemāk.

Spektrālā reakcija - Tā ir fotodetektora reakcija kā fotonu frekvences funkcija.

Kvantu efektivitāte - Katram fotonam ģenerēto lādiņu nesēju skaits

Atsaucība - Tā ir izejas strāva, kas atdalīta ar kopējo gaismas jaudu, kas krīt uz detektoru.

Trokšņa ekvivalenta jauda - Tas ir nepieciešamais gaismas jaudas daudzums, lai radītu signālu, kas pēc izmēra ir līdzvērtīgs ierīces troksnim.

Detektīvisms - Kvadrātsakne no detektora laukuma, kas atdalīts ar trokšņa ekvivalento jaudu.

Iegūt - Tā ir fotodetektora izejas strāva, kas tiek dalīta ar tieši radīto strāvu, ko rada detektoros krītošie fotoni.

Tumšā strāva - Strāvas plūsma visā detektorā pat gaismas trūkuma gadījumā.

Reakcijas laiks - Tas ir nepieciešamais laiks, lai detektors sasniegtu no 10 līdz 90% no galīgās izejas.

Trokšņa spektrs - Iekšējā trokšņa strāva vai spriegums ir frekvences funkcija, ko var apzīmēt trokšņa spektrālā blīvuma formā.

Nelinearitāte - Fotoattēlu detektora nelinearitāte ierobežo RF izvadi.

Fotodetektoru veidi

Fotodetektori tiek klasificēti, pamatojoties uz gaismas noteikšanas mehānismu, piemēram, fotoelektrisko vai fotoemisijas efektu, polarizācijas efektu, termisko efektu, vāju mijiedarbību vai fotoķīmisko efektu. Dažādi fotodetektoru veidi galvenokārt ietver fotodiodes, MSM fotodetektorus, fototranzistorus, fotovadības detektorus, fotocaurules un fotopavairotājus.

Fotodiodes

Tās ir pusvadītāju ierīces ar PIN vai PN savienojuma struktūru, kur gaisma tiek absorbēta izsīkuma zonā un rada fotostrāvu. Šīs ierīces ir ātras, ļoti lineāras, ļoti kompaktas un rada augstu kvantu efektivitāti, kas nozīmē, ka tās ģenerē gandrīz vienu elektronu katram krītošajam fotonam un augstu dinamisko diapazonu. Lūdzu, skatiet šo saiti, lai uzzinātu vairāk par Fotodiodes .

MSM fotodetektori

MSM (metāls–pusvadītājs–metāls) fotodetektoros ir divi Šotkijs kontaktus, nevis a PN krustojums . Šie detektori ir potenciāli ātrāki, salīdzinot ar fotodiodēm ar līdz pat simtiem GHz joslas platumu. MSM detektori ļauj ļoti liela laukuma detektoriem viegli savienot optiskās šķiedras, nesamazinot joslas platumu.

Fototranzistors

Fototranzistors ir viena veida fotodiode, kas izmanto iekšējo fotostrāvas pastiprināšanu. Bet tās netiek bieži izmantotas salīdzinājumā ar fotodiodēm. Tos galvenokārt izmanto gaismas signālu noteikšanai un pārveidošanai ciparu elektriskos signālos. Šīs sastāvdaļas vienkārši darbina ar gaismu, nevis elektrisko strāvu. Fototranzistori ir zemas izmaksas un nodrošina lielu pieaugumu, tāpēc tos izmanto dažādās lietojumprogrammās. Lūdzu, skatiet šo saiti, lai uzzinātu vairāk par fototranzistori .

Fotovadoši detektori

Fotovadoši detektori ir pazīstami arī kā fotorezistori, fotoelementi un no gaismas atkarīgie rezistori . Šie detektori ir izgatavoti no noteiktiem pusvadītājiem, piemēram, CdS (kadmija sulfīds). Tātad šajā detektorā ir iekļauts pusvadītāju materiāls ar diviem savienotiem metāla elektrodiem pretestības noteikšanai. Salīdzinot ar fotodiodēm, tās nav dārgas, taču tās ir diezgan lēnas, nav īpaši jutīgas un uzrāda nelineāru reakciju. Alternatīvi, tie var reaģēt uz gara viļņa garuma IR gaismu. Fotovadošie detektori ir sadalīti dažādos veidos, pamatojoties uz spektrālās atbildes funkciju, piemēram, redzamā viļņa garuma diapazonu, tuvu infrasarkano staru viļņu garuma diapazonu un IR viļņu garuma diapazonu.

Fotocaurules

Ar gāzi pildītās caurules vai vakuuma caurules, ko izmanto kā fotodetektorus, sauc par fotocaurulēm. Fototube ir a fotoemisīvs detektors kas izmanto ārēju fotoelektrisko efektu vai fotoemisīvo efektu. Šīs caurules bieži tiek evakuētas vai dažreiz piepildītas ar gāzi zemā spiedienā.

Fotoattēlu pavairotājs

Fotopavairotājs ir viena veida fotocaurules, kas maina krītošos fotonus elektriskā signālā. Šie detektori izmanto elektronu pavairošanas procesu, lai iegūtu ievērojami paaugstinātu atsaucību. Viņiem ir liela aktīvā zona un liels ātrums. Ir pieejami dažādi fotopavairotāju veidi, piemēram, fotopavairotāja caurule, magnētiskais fotopavairotājs, elektrostatiskais fotopavairotājs un silīcija fotopavairotājs.

Fotodetektora shēmas shēma

Gaismas sensora ķēde, izmantojot fotodetektoru, ir parādīta zemāk. Šajā shēmā fotodiode tiek izmantota kā fotodetektors, lai noteiktu gaismas esamību vai neesamību. Šī sensora jutību var vienkārši pielāgot, izmantojot iepriekš iestatīto.

Šīs gaismas sensora ķēdes nepieciešamās sastāvdaļas galvenokārt ietver fotodiode, LED, LM339 IC , Rezistors, Preset utt. Pievienojiet ķēdi saskaņā ar shēmas shēmu, kas parādīta zemāk.

Darbojas

Fotodiode tiek izmantota kā fotodetektors, lai ķēdē ģenerētu strāvu, kad uz tās nokrīt gaisma. Šajā shēmā fotodiode tiek izmantota apgrieztā nobīdes režīmā caur R1 rezistoru. Tātad šis R1 rezistors neļauj nodrošināt pārāk lielu strāvu visā fotodiodē gadījumā, ja uz fotodiodes nokrīt liels gaismas daudzums.

Ja uz fotodiodes nekrīt gaisma, tas rada lielu potenciālu LM339 komparatora tapā 6 (invertējošā ieeja). Tiklīdz gaisma nokrīt uz šīs diodes, tā ļauj strāvai piegādāt visā diodē, un tādējādi spriegums tajā samazināsies. Salīdzinātāja tapa 7 (neinvertējošā ieeja) ir savienota ar VR2 (mainīgo rezistoru), lai iestatītu salīdzinājuma atsauces spriegumu.

Šeit salīdzinātājs darbojas, ja salīdzinājuma neinvertējošā ieeja ir augsta, salīdzinot ar invertējošā ieeju, tad tā izvade paliek augsta. Tātad IC izejas tapa, piemēram, pin-1, ir savienota ar gaismas diodi. Šeit atsauces spriegums tiek iestatīts visā VR1 sākotnējā iestatījumā, lai tas atbilstu sliekšņa apgaismojumam. Izejā LED ieslēgsies, tiklīdz gaisma nokrīt uz fotodiodes. Tādējādi invertējošā ieeja samazinās līdz zemākai vērtībai, salīdzinot ar atskaites vērtību, kas iestatīta neinvertējošajā ieejā. Tātad, izeja tiek piegādāta gaismas diodei ar nepieciešamo uz priekšu nobīdi.

Fotodetektors vs fotodiode

Atšķirība starp fotodetektoru un fotodiodi ir šāda.

Fotodetektora kvantu efektivitāte

Fotodetektora kvantu efektivitāti var definēt kā krītošo fotonu daļu, kas caur fotovadītāju absorbējas radītajos elektronos, tiek savākti detektora terminālī.

Kvantu efektivitāti var apzīmēt ar “η”

Kvantu efektivitāte (η) = ģenerētie elektroni/kopējais krītošo fotonu skaits

Tādējādi

η = (strāva/elektrona lādiņš)/(kopējā krītošā fotona optiskā jauda/fotona enerģija)

Tātad matemātiski tas kļūs līdzīgs

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

Priekšrocības un trūkumi

Fotodetektora priekšrocības ir šādas.

• Fotodetektori ir maza izmēra.
• Tās noteikšanas ātrums ir ātrs.
• Tās noteikšanas efektivitāte ir augsta.
• Tie rada mazāk trokšņa.
• Tie nav dārgi, kompakti un viegli.
• Viņiem ir ilgs mūžs.
• Viņiem ir augsta kvantu efektivitāte.
• Tam nav nepieciešams augsts spriegums.

The Fotodetektora trūkumi iekļaujiet tālāk norādīto.

• Viņiem ir ļoti zema jutība.
• Viņiem nav iekšēja labuma.
• Reakcijas laiks ir ļoti lēns.
• Šī detektora aktīvā zona ir maza.
• Strāvas izmaiņas ir ļoti mazas, tāpēc tās var nebūt piemērotas ķēdes vadīšanai.
• Tam nepieciešams nobīdes spriegums.

Fotodetektoru pielietojumi

Fotodetektora pielietojumi ir šādi.

• Fotodetektori tiek izmantoti dažādās lietojumprogrammās, sākot no automātiskajām durvīm lielveikalos līdz TV tālvadības pultīm jūsu mājās.
• Tie ir būtiski nozīmīgi komponenti, ko izmanto optiskajos sakaros, drošībā, nakts redzamībā, video attēlveidošanā, biomedicīnas attēlveidošanā, kustības noteikšanā un gāzes sensoros, kas spēj precīzi pārveidot gaismu elektriskos signālos.
• Tos izmanto optiskās jaudas un gaismas plūsmas mērīšanai
• Tos galvenokārt izmanto dažāda veida mikroskopu un optisko sensoru konstrukcijās.
• Tie ir nozīmīgi lāzera attāluma mērītājiem.
• Tos parasti izmanto frekvenču metroloģijā, optisko šķiedru sakaros utt.
• Fotometrijas un radiometrijas fotodetektori tiek izmantoti, lai izmērītu dažādas īpašības, piemēram, optisko jaudu, optisko intensitāti, izstarojumu un gaismas plūsmu.
• Tos izmanto optiskās jaudas mērīšanai spektrometros, optiskās datu glabāšanas ierīcēs, gaismas barjerās, staru profilētājos, fluorescences mikroskopos, autokorelatoros, interferometros un dažāda veida optiskajos sensoros.
• Tos izmanto LIDAR, lāzera attāluma mērītājiem, nakts redzamības ierīcēm un kvantu optikas eksperimentiem.
• Tie ir piemērojami optisko frekvenču metroloģijā, optisko šķiedru sakaros un arī lāzera trokšņu vai impulsu lāzeru klasifikācijai.
• Divdimensiju bloki ar vairākiem identiskiem foto detektoriem galvenokārt tiek izmantoti kā fokusa plaknes bloki un bieži vien attēlveidošanas lietojumprogrammās.

Kam izmanto fotodetektoru?

Fotodetektorus izmanto, lai pārveidotu gaismas fotonu enerģiju elektriskā signālā.

Kādas ir fotodetektora īpašības?

Fotodetektoru īpašības ir fotosensitivitāte, spektrālā reakcija, kvantu efektivitāte, uz priekšu novirzīts troksnis, tumšā strāva, trokšņa ekvivalentā jauda, ​​laika reakcija, termināla kapacitāte, nogriešanas frekvence un frekvenču joslas platums.

Kādas ir prasības fotodetektoram?

Prasības fotodetektoriem ir; īss reakcijas laiks, mazākais trokšņa līmenis, uzticamība, augsta jutība, lineāra reakcija plašā gaismas intensitātes diapazonā, zems nobīdes spriegums, zemas izmaksas un veiktspējas raksturlielumu stabilitāte.

Kas tiek izmantots optisko detektoru specifikācijā?

Trokšņa ekvivalentā jauda tiek izmantota optisko detektoru specifikācijā, jo tā ir optiskā ievades jauda, ​​kas rada papildu izejas jaudu, kas ir vienāda ar šo trokšņa jaudu noteiktam joslas platumam.

Vai kvantu ienesīgums un kvantu efektivitāte ir vienādi?

Kvantu iznākums un kvantu efektivitāte nav vienādi, jo varbūtība, ka fotons izstaro, tiklīdz ir absorbēts viens fotons, ir kvantu iznākums, turpretim kvantu efektivitāte ir varbūtība, ka fotons tiek emitēts, kad sistēma ir pieslēgta tā izstarojošajam stāvoklim.

Tādējādi tas ir fotodetektora pārskats – darbs ar aplikācijām. Šīs ierīces ir balstītas uz iekšējo un ārējo fotoelektrisko efektu, tāpēc galvenokārt tiek izmantotas gaismas noteikšanai. Šeit ir jautājums jums, kas ir optiskie detektori ?