Fotodetector: circuit, werking, typen en toepassingen

De fotodetector is een essentieel onderdeel van een optische ontvanger die het binnenkomende optische signaal omzet in een elektrisch signaal. Halfgeleiderfotodetectoren worden meestal fotodiodes genoemd omdat dit de belangrijkste typen fotodetectoren zijn die in optica worden gebruikt communicatie systemen vanwege hun snelle detectiesnelheid, hoge detectie-efficiëntie en kleine afmetingen. Momenteel worden fotodetectoren veel gebruikt in industriële elektronica, elektronische communicatie, geneeskunde en gezondheidszorg, analytische apparatuur, auto's en transport, en nog veel meer. Deze worden ook wel fotosensoren en lichtsensoren genoemd. Dit artikel bespreekt dus een overzicht van a fotodetector – werken met applicaties.

Wat is fotodetector?

Een fotodetectordefinitie is; een opto-elektronisch apparaat dat wordt gebruikt om het invallende licht of optische kracht te detecteren om het om te zetten in een elektrisch signaal, staat bekend als een fotodetector. Gewoonlijk is dit o/p-signaal evenredig met het invallende optische vermogen. Deze sensoren zijn absoluut nodig voor verschillende wetenschappelijke implementaties zoals procescontrole, glasvezelcommunicatiesystemen, veiligheid, omgevingsdetectie en ook in defensietoepassingen. Voorbeelden van fotodetectoren zijn fototransistors en fotodiodes .

Hoe werkt de fotodetector?

Fotodetector werkt eenvoudig door licht of andere elektromagnetische straling te detecteren of apparaten kunnen door de uitgezonden optische signalen te ontvangen. Fotodetectoren die gebruiken halfgeleiders werken op de creatie van een elektron-gatpaar volgens het lichtbestralingsprincipe.

Zodra een halfgeleidermateriaal wordt belicht door fotonen die hoge of gelijkwaardige energieën hebben ten opzichte van de bandafstand, moedigen geabsorbeerde fotonen valentiebandelektronen aan om de geleidingsband in te gaan, waardoor er gaten in de valentieband achterblijven. De elektronen in de geleidingsband treden op als vrije elektronen (gaten) die zich kunnen verspreiden onder de kracht van een intrinsiek of extern aangelegd elektrisch veld.

De foto-gegenereerde elektron-gatparen vanwege optische absorptie kunnen licht recombineren en opnieuw uitzenden, tenzij ze worden onderworpen aan een elektrisch veld-gemedieerde scheiding om een ​​toename van een fotostroom te geven, wat een fractie is van de foto-gegenereerde vrije ladingsdragers ontvangen op de elektroden van de opstelling van de fotodetector. De grootte van de fotostroom bij een bepaalde golflengte is rechtevenredig met de intensiteit van invallend licht.

Eigendommen

De eigenschappen van fotodetectoren worden hieronder besproken.

Spectrale reactie - Het is de reactie van de fotodetector als een fotonfrequentiefunctie.

Kwantumefficiëntie – Het aantal ladingsdragers gegenereerd voor elk foton

Responsiviteit – Het is de uitgangsstroom gescheiden door het totale vermogen van het licht dat op de detector valt.

Geluidsequivalent Vermogen – Het is de benodigde hoeveelheid lichtkracht om een ​​signaal te genereren dat even groot is als de ruis van het apparaat.

Detectiviteit – De vierkantswortel van het oppervlak van de detector gescheiden door het ruisequivalent vermogen.

Verdienen - Het is de uitgangsstroom van de fotodetector die wordt gedeeld door de direct geproduceerde stroom door de invallende fotonen op de detectoren.

Donkere stroming- De stroomstroom door een detector, zelfs bij gebrek aan licht.

Reactietijd - Het is de tijd die een detector nodig heeft om van 10 – 90% van de uiteindelijke output te gaan.

Geluidsspectrum – De intrinsieke ruisstroom of -spanning is een functie van de frequentie die kan worden weergegeven in een vorm van spectrale ruisdichtheid.

niet-lineariteit - De niet-lineariteit van de fotodetector beperkt de RF-uitvoer.

Soorten fotodetectoren

De fotodetectoren worden geclassificeerd op basis van het detectiemechanisme van licht, zoals het foto-elektrische of foto-emissie-effect, polarisatie-effect, thermisch effect, zwakke interactie of fotochemisch effect. De verschillende soorten fotodetectoren omvatten voornamelijk een fotodiode, MSM-fotodetector, fototransistor, fotogeleidende detector, fotobuizen en fotomultiplicatoren.

Fotodiodes

Dit zijn halfgeleiderapparaten met een PIN- of PN-verbindingsstructuur waarbij licht wordt geabsorbeerd in een uitputtingsgebied en een fotostroom produceert. Deze apparaten zijn snel, zeer lineair, zeer compact en genereren een hoge kwantumefficiëntie, wat betekent dat het bijna één elektron genereert voor elk invallend foton en een hoog dynamisch bereik. Raadpleeg deze link voor meer informatie over Fotodiodes .

MSM Fotodetectoren

MSM-fotodetectoren (metaal-halfgeleider-metaal) bevatten er twee schottky contacten in plaats van a PN-kruising . Deze detectoren zijn potentieel sneller in vergelijking met fotodiodes met bandbreedtes tot honderden GHz. Met MSM-detectoren kunnen detectoren met een zeer groot gebied eenvoudig worden gekoppeld met optische vezels zonder dat de bandbreedte achteruitgaat.

Fototransistor

De fototransistor is een type fotodiode die interne versterking van de fotostroom gebruikt. Maar deze worden niet vaak gebruikt in vergelijking met fotodiodes. Deze worden voornamelijk gebruikt voor het detecteren van lichtsignalen en deze om te zetten in digitale elektrische signalen. Deze componenten worden eenvoudig bediend door middel van licht in plaats van elektrische stroom. Fototransistors zijn goedkoop en bieden een grote hoeveelheid winst, dus worden ze in verschillende toepassingen gebruikt. Raadpleeg deze link voor meer informatie over fototransistoren .

Fotogeleidende detectoren

Fotogeleidende detectoren zijn ook bekend als fotoweerstanden, fotocellen & lichtafhankelijke weerstanden . Deze detectoren zijn gemaakt met bepaalde halfgeleiders zoals CdS (cadmiumsulfide). Deze detector bevat dus een halfgeleidermateriaal met twee verbonden metalen elektroden voor het detecteren van de weerstand. In vergelijking met fotodiodes zijn deze niet duur, maar ze zijn vrij traag, niet extreem gevoelig en vertonen een niet-lineaire respons. Als alternatief kunnen ze reageren op IR-licht met een lange golflengte. Fotogeleidende detectoren worden onderverdeeld in verschillende typen op basis van de functie van spectrale responsiviteiten zoals het zichtbare golflengtebereik, nabij-infrarood golflengtebereik en IR-golflengtebereik.

Fotobuizen

De met gas gevulde buizen of vacuümbuizen die worden gebruikt als fotodetectoren staan ​​bekend als fotobuizen. Een fotobuis is een foto-emitterende detector dat een extern foto-elektrisch effect of foto-emissief effect gebruikt. Deze buizen worden vaak geëvacueerd of soms gevuld met gas onder lage druk.

Fotomultiplicator

Een fotovermenigvuldiger is een type fotobuis die invallende fotonen omzet in een elektrisch signaal. Deze detectoren gebruiken een elektronenvermenigvuldigingsproces om een ​​veel grotere responsiviteit te verkrijgen. Ze hebben een groot actief gebied en hoge snelheid. Er zijn verschillende soorten fotovermenigvuldigers beschikbaar zoals fotovermenigvuldigerbuis, magnetische fotovermenigvuldiger, elektrostatische fotovermenigvuldiger en silicium fotovermenigvuldiger.

Schakelschema fotodetector

Het lichtsensorcircuit met behulp van een fotodetector wordt hieronder weergegeven. In dit circuit wordt de fotodiode gebruikt als fotodetector om het bestaan ​​of niet-bestaan ​​van licht te detecteren. De gevoeligheid van deze sensor kan eenvoudig worden aangepast met behulp van de preset.

De vereiste componenten van dit lichtsensorcircuit omvatten voornamelijk een fotodiode, LED, LM339 IC , Weerstand, Preset, etc. Sluit de schakeling aan volgens onderstaand schakelschema.

Werken

Een fotodiode wordt gebruikt als fotodetector om stroom op te wekken in het circuit zodra er licht op valt. In dit circuit wordt de fotodiode gebruikt in omgekeerde bias-modus via de R1-weerstand. Dus deze R1-weerstand staat niet toe dat er teveel stroom door de fotodiode wordt geleverd voor het geval er een enorme hoeveelheid licht op de fotodiode valt.

Als er geen licht op de fotodiode valt, resulteert dit in een hoog potentiaal op pin6 van een LM339-comparator (inverterende ingang). Zodra er licht op deze diode valt, kan er stroom door de diode worden geleverd en zal de spanning erover dalen. De pin7 (niet-inverterende ingang) van de comparator is verbonden met een VR2 (variabele weerstand) om de referentiespanning van de comparator in te stellen.

Hier werkt een comparator wanneer de niet-inverterende ingang van de comparator hoog is in vergelijking met de inverterende ingang, dan blijft de uitgang hoog. Dus de uitvoerpin van IC zoals pin-1 is verbonden met een lichtgevende diode. Hier wordt de referentiespanning ingesteld via een VR1-preset om overeen te komen met een drempelverlichting. Aan de uitgang gaat de LED AAN zodra er licht op de fotodiode valt. De inverterende ingang zakt dus naar een lagere waarde in vergelijking met de referentie ingesteld op de niet-inverterende ingang. Dus de uitvoer gaat de vereiste voorwaartse voorspanning leveren aan de lichtemitterende diode.

Fotodetector versus fotodiode

Het verschil tussen fotodetector en fotodiode omvat het volgende.

Kwantumefficiëntie van fotodetector

De kwantumefficiëntie van de fotodetector kan worden gedefinieerd als de fractie van de invallende fotonen die door de fotogeleider worden geabsorbeerd naar de geproduceerde elektronen die worden verzameld bij de detectorterminal.

De kwantumefficiëntie kan worden aangeduid met ‘η’

Kwantumefficiëntie (η) = gegenereerde elektronen/totaal aantal invallende fotonen

Dus,

η = (Stroom/lading van een elektron)/(totaal invallend foton's optisch vermogen/ fotonenergie)

Dus wiskundig gezien zal het zoiets worden

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Voor-en nadelen

De voordelen van fotodetector omvatten het volgende.

• Fotodetectoren zijn klein van formaat.
• De detectiesnelheid is snel.
• De detectie-efficiëntie is hoog.
• Ze produceren minder geluid.
• Deze zijn niet duur, compact & lichtgewicht.
• Ze hebben een lange levensduur.
• Ze hebben een hoge kwantumefficiëntie.
• Het vereist geen hoge spanning.

De nadelen van fotodetector omvatten het volgende.

• Ze hebben een zeer lage gevoeligheid.
• Ze hebben geen interne winst.
• De reactietijd is erg traag.
• Het actieve gebied van deze detector is klein.
• Verandering binnen de stroom is extreem klein, dus mogelijk niet voldoende om het circuit aan te drijven.
• Het vereist een offset-spanning.

Toepassingen van fotodetectoren

De toepassingen van fotodetector omvatten het volgende.

• Fotodetectoren worden gebruikt in verschillende toepassingen, variërend van automatische deuren in supermarkten tot tv-afstandsbedieningen in uw huis.
• Dit zijn essentiële belangrijke componenten die worden gebruikt in optische communicatie, beveiliging, nachtzicht, videobeeldvorming, biomedische beeldvorming, bewegingsdetectie en gasdetectie, die het vermogen hebben om licht precies in elektrische signalen te veranderen.
• Deze worden gebruikt voor het meten van optisch vermogen en lichtstroom
• Deze worden voornamelijk gebruikt in verschillende soorten microscoop- en optische sensorontwerpen.
• Deze zijn belangrijk voor laserafstandsmeters.
• Deze worden normaal gesproken gebruikt in frequentiemetrologie, glasvezelcommunicatie, enz.
• Fotodetectoren in fotometrie en radiometrie worden gebruikt om verschillende eigenschappen te meten, zoals optisch vermogen, optische intensiteit, bestraling en lichtstroom.
• Deze worden gebruikt voor het meten van optisch vermogen in spectrometers, optische gegevensopslagapparaten, lichtbarrières, bundelprofilers, fluorescentiemicroscopen, autocorrelators, interferometers en verschillende soorten optische sensoren.
• Deze worden gebruikt voor LIDAR, laserafstandsmeters, nachtkijkers en experimenten met kwantumoptica.
• Deze zijn toepasbaar in optische frequentiemetrologie, optische vezelcommunicatie en ook voor de classificatie van laserruis of gepulste lasers.
• De tweedimensionale arrays met verschillende identieke fotodetectoren worden voornamelijk gebruikt als focal plane arrays en vaak voor beeldvormingstoepassingen.

Waar wordt een fotodetector voor gebruikt?

Fotodetectoren worden gebruikt om de fotonenergie van licht om te zetten in een elektrisch signaal.

Wat zijn de kenmerken van een fotodetector?

De kenmerken van fotodetectoren zijn lichtgevoeligheid, spectrale respons, kwantumefficiëntie, voorwaarts gerichte ruis, donkere stroom, ruisequivalent vermogen, timingrespons, terminalcapaciteit, afsnijfrequentie en frequentiebandbreedte.

Wat zijn de vereisten van een fotodetector?

De vereisten van fotodetectoren zijn; korte responstijden, de minste ruisbijdrage, betrouwbaarheid, hoge gevoeligheid, lineaire respons over een breed scala aan lichtintensiteiten, lage biasspanning, lage kosten en stabiliteit van prestatiekenmerken.

Wat wordt gebruikt in de specificatie van optische detectoren?

Het ruisequivalentvermogen wordt gebruikt in de specificatie van optische detectoren omdat het het optische ingangsvermogen is dat een extra uitgangsvermogen genereert dat gelijk is aan dat ruisvermogen voor een gespecificeerde bandbreedte.

Is kwantumopbrengst en kwantumefficiëntie hetzelfde?

De kwantumopbrengst en kwantumefficiëntie zijn niet hetzelfde, omdat de kans dat een foton wordt uitgezonden zodra één foton is geabsorbeerd, de kwantumopbrengst is, terwijl de kwantumefficiëntie de kans is dat een foton wordt uitgezonden zodra het systeem is geactiveerd tot zijn uitzendtoestand.

Dit is dus een overzicht van een fotodetector – werken met applicaties. Deze apparaten zijn gebaseerd op het interne en externe foto-elektrische effect en worden dus voornamelijk gebruikt voor de detectie van licht. Hier is een vraag voor u, wat zijn optische detectoren ?