Fotodetector: circuit, funcionament, tipus i aplicacions

El fotodetector és un component essencial en un receptor òptic que converteix el senyal òptic entrant en un senyal elèctric. Els fotodetectors de semiconductors solen anomenar-se fotodíodes perquè aquests són els principals tipus de fotodetectors utilitzats en òptica. sistemes de comunicació a causa de la seva ràpida velocitat de detecció, alta eficiència de detecció i petita mida. Actualment, els fotodetectors s'utilitzen àmpliament en electrònica industrial, comunicacions electròniques, medicina i assistència sanitària, equips analítics, automoció i transport i molts més. Aquests també es coneixen com a fotosensors i sensors de llum. Per tant, aquest article tracta una visió general d'a fotodetector - Treballar amb aplicacions.

Què és el fotodetector?

Una definició de fotodetector és; un dispositiu optoelectrònic que s'utilitza per detectar la llum incident o la potència òptica per convertir-la en un senyal elèctric es coneix com a fotodetector. Normalment, aquest senyal o/p és proporcional a la potència òptica incident. Aquests sensors són absolutament necessaris per a diferents implementacions científiques com control de processos, sistemes de comunicació de fibra òptica, seguretat, detecció ambiental i també en aplicacions de defensa. Exemples de fotodetectors són els fototransistors i fotodíodes .

Com funciona el fotodetector?

El fotodetector només funciona detectant llum o altres radiacions electromagnètiques o dispositius podent rebre els senyals òptics transmesos. Fotodetectors que utilitzen semiconductors operar en la creació del parell electró-forat segons el principi d'irradiació de la llum.

Una vegada que un material semiconductor s'il·lumina a través de fotons que tenen energies altes o equivalents a la seva banda buida, els fotons absorbits animen els electrons de la banda de valència a moure's a la banda de conducció, de manera que deixen forats dins de la banda de valència. Els electrons de la banda de conducció actuen com a electrons lliures (forats) que es poden dispersar sota la potència d'un camp elèctric intrínsec o aplicat externament.

Els parells d'electrons-forat generats per la foto a causa de l'absorció òptica poden recombinar i tornar a emetre llum tret que estiguin sotmesos a una separació mediada per un camp elèctric per augmentar un fotocorrent, que és una fracció dels portadors de càrrega lliure generats per foto rebudes a els elèctrodes de la disposició del fotodetector. La magnitud del fotocorrent a una longitud d'ona especificada és directament proporcional a la intensitat de la llum incident.

Propietats

Les propietats dels fotodetectors es discuteixen a continuació.

Resposta espectral - És la resposta del fotodetector com a funció de freqüència de fotons.

Eficiència quàntica - El nombre de portadors de càrrega generats per a cada fotó

Responsivitat - És el corrent de sortida separat per la potència total de la llum que cau sobre el detector.

Potència equivalent a soroll - És la quantitat de potència de llum necessària per generar un senyal de mida equivalent al soroll del dispositiu.

Detectivitat - L'arrel quadrada de l'àrea del detector separada per la potència equivalent de soroll.

Guany - És el corrent de sortida del fotodetector que es divideix pel corrent produït directament pels fotons incidents als detectors.

Corrent fosc- El flux de corrent a través d'un detector fins i tot en la deficiència de llum.

Temps de resposta - És el temps necessari perquè un detector passi del 10 al 90% de la sortida final.

Espectre de soroll - El corrent o tensió de soroll intrínsec és una funció de la freqüència que es pot significar en una forma de densitat espectral de soroll.

No linealitat - La no linealitat del fotodetector limita la sortida de RF.

Tipus de fotodetectors

Els fotodetectors es classifiquen en funció del mecanisme de detecció de la llum com l'efecte fotoelèctric o fotoemissió, efecte de polarització, efecte tèrmic, interacció feble o efecte fotoquímic. Els diferents tipus de fotodetectors inclouen principalment un fotodíode, fotodetector MSM, fototransistor, detector fotoconductor, fototubs i fotomultiplicadors.

Fotodiodes

Es tracta de dispositius semiconductors amb una estructura d'unió PIN o PN on la llum s'absorbeix dins d'una regió d'esgotament i produeix un fotocorrent. Aquests dispositius són ràpids, altament lineals, molt compactes i generen una alta eficiència quàntica, la qual cosa significa que genera gairebé un electró per cada fotó incident i un rang dinàmic elevat. Si us plau, consulteu aquest enllaç per saber-ne més Fotodiodes .

Fotodetectors MSM

Els fotodetectors MSM (Metal-semiconductor-metall) inclouen dos Schottky contactes més que a Cruïlla PN . Aquests detectors són potencialment més ràpids que els fotodíodes amb amples de banda de fins a centenars de GHz. Els detectors MSM permeten que els detectors d'àrea molt gran facilitin l'acoblament amb fibres òptiques sense degradar l'ample de banda.

Fototransistor

El fototransistor és un tipus de fotodíode que utilitza l'amplificació interna del fotocorrent. Però aquests no s'utilitzen sovint en comparació amb els fotodíodes. S'utilitzen principalment per detectar senyals de llum i canviar-los en senyals elèctrics digitals. Aquests components simplement funcionen a través de la llum en lloc del corrent elèctric. Els fototransistors són de baix cost i proporcionen una gran quantitat de guany, de manera que s'utilitzen en diverses aplicacions. Si us plau, consulteu aquest enllaç per saber-ne més fototransistors .

Detectors fotoconductors

Els detectors fotoconductors també es coneixen com a fotoresistències, fotocèl·lules i resistències dependents de la llum . Aquests detectors estan fets amb certs semiconductors com el CdS (sulfur de cadmi). Així, aquest detector inclou un material semiconductor amb dos elèctrodes metàl·lics connectats per detectar la resistència. En comparació amb els fotodíodes, aquests no són cars, però són bastant lents, no són extremadament sensibles i presenten una resposta no lineal. Alternativament, poden reaccionar a la llum IR de longitud d'ona llarga. Els detectors fotoconductors es separen en diferents tipus segons la funció de les responsabilitats espectrals, com ara el rang de longitud d'ona visible, el rang de longitud d'ona de l'infraroig proper i el rang de longitud d'ona IR.

Fototubs

Els tubs plens de gas o tubs de buit que s'utilitzen com a fotodetectors es coneixen com a fototubs. Un fototub és un detector fotoemissiu que utilitza un efecte fotoelèctric extern o efecte fotoemissiu. Aquests tubs s'evacuen amb freqüència o s'omplen de vegades amb gas a baixa pressió.

Fotomultiplicador

Un fotomultiplicador és un tipus de fototub que transforma els fotons incidents en un senyal elèctric. Aquests detectors utilitzen un procés de multiplicació d'electrons per obtenir una resposta molt més gran. Tenen una gran àrea activa i alta velocitat. Hi ha diferents tipus de fotomultiplicadors disponibles com el tub fotomultiplicador, el fotomultiplicador magnètic, el fotomultiplicador electrostàtic i el fotomultiplicador de silici.

Diagrama del circuit del fotodetector

A continuació es mostra el circuit del sensor de llum que utilitza un fotodetector. En aquest circuit, el fotodíode s'utilitza com a fotodetector per detectar l'existència o inexistència de llum. La sensibilitat d'aquest sensor es pot ajustar simplement mitjançant el preajust.

Els components necessaris d'aquest circuit del sensor de llum inclouen principalment un fotodíode, LED, LM339 IC , Resistència, Preset, etc. Connecteu el circuit segons el diagrama de circuits que es mostra a continuació.

Treball

Un fotodíode s'utilitza com a fotodetector per generar corrent dins del circuit una vegada que hi cau la llum. En aquest circuit, el fotodíode s'utilitza en mode de polarització inversa a través de la resistència R1. Per tant, aquesta resistència R1 no permet subministrar massa corrent a tot el fotodíode en cas que cau una gran quantitat de llum al fotodíode.

Quan no cau cap llum al fotodíode, es produeix un alt potencial al pin6 d'un comparador LM339 (entrada inversora). Una vegada que la llum cau sobre aquest díode, permet que el corrent subministri a tot el díode i, per tant, la tensió caurà a través d'ell. El pin7 (entrada no inversora) del comparador està connectat a un VR2 (resistència variable) per establir la tensió de referència del comparador.

Aquí, un comparador funciona quan l'entrada no inversora del comparador és alta en comparació amb l'entrada inversora, llavors la seva sortida es manté alta. Així, el pin de sortida de l'IC com el pin-1 està connectat a un díode emissor de llum. Aquí, la tensió de referència s'estableix al llarg d'un preajust VR1 per correspondre a una il·luminació de llindar. A la sortida, el LED s'encendrà un cop la llum caigui al fotodíode. Per tant, l'entrada inversora cau a un valor inferior en comparació amb la referència establerta a l'entrada no inversora. Per tant, la sortida va subministrant la polarització directa necessària al díode emissor de llum.

Fotodetector vs fotodiode

La diferència entre el fotodetector i el fotodíode inclou el següent.

Eficiència quàntica del fotodetector

L'eficiència quàntica del fotodetector es pot definir com la fracció dels fotons incidents que s'absorbeixen a través del fotoconductor als electrons produïts es recullen al terminal del detector.

L'eficiència quàntica es pot denotar amb 'η'

Eficiència quàntica (η) = Electrons generats/Nombre total de fotons incidents

Així,

η = (Corrent/ Càrrega d'un electró)/(Potència òptica total del fotó incident/ Energia del fotó)

Així, matemàticament, esdevindrà com

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Avantatges i inconvenients

Els avantatges del fotodetector inclouen els següents.

• Els fotodetectors són de mida petita.
• La seva velocitat de detecció és ràpida.
• La seva eficiència de detecció és alta.
• Generen menys soroll.
• Aquests no són cars, compactes i lleugers.
• Tenen una llarga vida.
• Tenen una alta eficiència quàntica.
• No requereix alta tensió.

El inconvenients del fotodetector incloure el següent.

• Tenen una sensibilitat molt baixa.
• No tenen cap benefici intern.
• El temps de resposta és molt lent.
• L'àrea activa d'aquest detector és petita.
• El canvi dins del corrent és extremadament petit, de manera que pot ser que no sigui adequat per conduir el circuit.
• Requereix tensió de compensació.

Aplicacions dels fotodetectors

Les aplicacions del fotodetector inclouen les següents.

• Els fotodetectors s'utilitzen en diferents aplicacions que van des de portes automàtiques en supermercats fins a comandaments a distància de TV a casa vostra.
• Aquests són components importants essencials utilitzats en comunicacions òptiques, seguretat, visió nocturna, imatges de vídeo, imatges biomèdiques, detecció de moviment i detecció de gasos que tenen la capacitat de canviar la llum en senyals elèctrics exactament.
• S'utilitzen per mesurar la potència òptica i el flux lluminós
• S'utilitzen principalment en diferents tipus de dissenys de microscopis i sensors òptics.
• Aquests són importants per als telèmetres làser.
• Normalment s'utilitzen en metrologia de freqüència, comunicació amb fibra òptica, etc.
• Els fotodetectors en fotometria i radiometria s'utilitzen per mesurar diferents propietats com ara potència òptica, intensitat òptica, irradiància i flux lluminós.
• S'utilitzen per mesurar la potència òptica dins d'espectròmetres, dispositius d'emmagatzematge de dades òptiques, barreres de llum, perfiladors de feix, microscopis de fluorescència, autocorreladors, interferòmetres i diferents tipus de sensors òptics.
• S'utilitzen per a LIDAR, telèmetres làser, dispositius de visió nocturna i experiments d'òptica quàntica.
• Aquests són aplicables en metrologia de freqüència òptica, comunicacions de fibra òptica i també per a la classificació de soroll làser o làsers polsats.
• Les matrius bidimensionals amb diversos detectors fotogràfics idèntics s'utilitzen principalment com a matrius de pla focal i amb freqüència per a aplicacions d'imatge.

Per a què serveix un fotodetector?

Els fotodetectors s'utilitzen per convertir l'energia fotogràfica de la llum en un senyal elèctric.

Quines són les característiques d'un fotodetector?

Les característiques dels fotodetectors són la fotosensibilitat, la resposta espectral, l'eficiència quàntica, el soroll polaritzat, el corrent fosc, la potència equivalent al soroll, la resposta de temporització, la capacitat terminal, la freqüència de tall i l'amplada de banda de freqüència.

Quins són els requisits d'un fotodetector?

Els requisits dels fotodetectors són: Temps de resposta curts, la menor contribució de soroll, fiabilitat, alta sensibilitat, resposta lineal en una àmplia gamma d'intensitats de llum, baixa tensió de polarització, baix cost i estabilitat de les característiques de rendiment.

Què s'utilitza en l'especificació dels detectors òptics?

La potència equivalent de soroll s'utilitza en l'especificació dels detectors òptics perquè és la potència d'entrada òptica que genera una potència de sortida addicional que és igual a aquesta potència de soroll per a una amplada de banda especificada.

El rendiment quàntic i l'eficiència quàntica és el mateix?

El rendiment quàntic i l'eficiència quàntica no són el mateix perquè la probabilitat que un fotó emeti un cop s'ha absorbit un fotó és el rendiment quàntic, mentre que l'eficiència quàntica és la probabilitat que s'emeti un fotó una vegada que el sistema s'hagi energitzat a la seva condició d'emissió.

Així, això és una visió general d'un fotodetector - Treballar amb aplicacions. Aquests dispositius es basen en l'efecte fotoelèctric intern i extern, per la qual cosa s'utilitzen principalment per a la detecció de llum. Aquí teniu una pregunta per a vosaltres, què són detectors òptics ?