A fotodetektor az optikai vevő alapvető eleme, amely a bejövő optikai jelet elektromos jellé alakítja. A félvezető fotodetektorokat általában fotodiódáknak nevezik, mivel ezek a fotodetektorok fő típusai az optikai iparban. kommunikációs rendszerek gyors észlelési sebességüknek, nagy felderítési hatékonyságuknak és kis méretüknek köszönhetően. Jelenleg a fotodetektorokat széles körben használják az ipari elektronikában, az elektronikus kommunikációban, az orvostudományban és az egészségügyben, az analitikai berendezésekben, az autóiparban és a közlekedésben és sok más területen. Ezeket fotoszenzoroknak és fényérzékelőknek is nevezik. Tehát ez a cikk áttekintést nyújt a fotodetektor – alkalmazásokkal való munka.
Mi az a fotodetektor?
A fotodetektor definíciója; egy optoelektronikai eszköz, amelyet a beeső fény vagy az elektromos jellé alakítására szolgáló optikai teljesítmény érzékelésére használnak, fotodetektornak nevezik. Általában ez az o/p jel arányos a beeső optikai teljesítménnyel. Ezek az érzékelők feltétlenül szükségesek a különböző tudományos megvalósításokhoz, mint például a folyamatirányítás, az optikai kommunikációs rendszerek, a biztonság, a környezeti érzékelés és a védelmi alkalmazásokban is. A fotodetektorok példái a fototranzisztorok és fotodiódák .
Hogyan működik a fotodetektor?
A fotodetektor egyszerűen a fény vagy más elektromágneses sugárzás érzékelésével működik, vagy az eszközök a továbbított optikai jelek vételével. Fotodetektorok, amelyek használnak félvezetők az elektron-lyuk pár létrehozását a fénybesugárzás elvén végezzük.
Ha egy félvezető anyagot olyan fotonokon keresztül világítanak meg, amelyek nagy vagy azzal egyenértékű energiával rendelkeznek, akkor az elnyelt fotonok arra ösztönzik a vegyértéksáv elektronjait, hogy a vezetési sávba mozogjanak, így lyukak maradnak a vegyértéksávon belül. A vezetési sávban lévő elektronok szabad elektronokként (lyukakként) működnek, amelyek belső vagy külsőleg alkalmazott elektromos tér hatására szétszóródhatnak.
A fény által generált elektron-lyuk párok az optikai abszorpció miatt újrakombinálódhatnak és újra kibocsáthatják a fényt, hacsak nem vetik alá elektromos tér által közvetített elválasztásnak, hogy növeljék a fotoáramot, ami a fotogenerált szabad töltéshordozók töredéke a fotodetektor elrendezés elektródái. A fényáram nagysága egy meghatározott hullámhosszon egyenesen arányos a beeső fény intenzitásával.
Tulajdonságok
A fotodetektorok tulajdonságait az alábbiakban tárgyaljuk.
Spektrális válasz - Ez a fotodetektor válasza fotonfrekvenciás függvényként.
Kvantumhatékonyság – Az egyes fotonokhoz generált töltéshordozók száma
Reaktivitás – Ez a kimeneti áram az érzékelőre eső teljes fényteljesítménytől elválasztva.
Zajjal egyenértékű teljesítmény – Ez a szükséges fényteljesítmény a készülék zajával méretében egyenértékű jel generálásához.
detektív – A detektor zajekvivalens teljesítményével elválasztott területének négyzetgyöke.
Nyereség – Ez a fotodetektor kimenő árama, amelyet elosztanak az érzékelőkre beeső fotonok által közvetlenül termelt árammal.
Sötét áramlat- Az áram áramlása a detektorban még fényhiány esetén is.
Válaszidő - Ez az az idő, amíg az érzékelő a végső kimenet 10-90%-át eléri.
Zajspektrum - A belső zajáram vagy feszültség a frekvencia függvénye, amely zajspektrális sűrűség alakban jelölhető.
Nemlinearitás – A fotódetektor nemlinearitása korlátozza az RF kimenetet.
Fotodetektor típusok
A fotodetektorokat a fény észlelési mechanizmusa alapján osztályozzák, mint például a fotoelektromos vagy fotoemissziós hatás, a polarizációs hatás, a termikus hatás, a gyenge kölcsönhatás vagy a fotokémiai hatás. A különböző típusú fotodetektorok főként fotodiódát, MSM fotodetektort, fototranzisztort, fényvezető detektort, fotocsöveket és fénysokszorozókat tartalmaznak.
Fotodiódák
Ezek olyan félvezető eszközök, amelyek PIN- vagy PN-csatlakozási szerkezettel rendelkeznek, ahol a fény elnyeli a kimerülési tartományban, és fotoáramot hoz létre. Ezek az eszközök gyorsak, nagymértékben lineárisak, nagyon kompaktak és nagy kvantumhatékonyságot generálnak, ami azt jelenti, hogy majdnem egy elektront generálnak minden egyes beeső fotonhoz és nagy dinamikatartományt. Kérjük, tekintse meg ezt a linket, ha többet szeretne megtudni erről Fotodiódák .
MSM fotodetektorok
Az MSM (Metal–semiconductor–metal) fotodetektorok kettőt tartalmaznak Schottky kapcsolatok helyett a PN csomópont . Ezek az érzékelők potenciálisan gyorsabbak az akár több száz GHz-es sávszélességű fotodiódákhoz képest. Az MSM detektorok lehetővé teszik a nagyon nagy területű detektorok számára, hogy egyszerű csatolást tegyenek optikai szálakhoz a sávszélesség csökkenése nélkül.
Fototranzisztor
A fototranzisztor a fotodióda egyik típusa, amely a fotoáram belső erősítését használja. De ezeket nem gyakran használják a fotodiódákhoz képest. Ezeket főként fényjelek észlelésére és digitális elektromos jelekké alakítására használják. Ezeket az alkatrészeket egyszerűen fénnyel, nem pedig elektromos árammal működtetik. A fototranzisztorok olcsók és nagy mértékű nyereséget biztosítanak, ezért különféle alkalmazásokban használják őket. Kérjük, tekintse meg ezt a linket, ha többet szeretne megtudni erről fototranzisztorok .
Fényvezető detektorok
A fényvezető detektorok fotoellenállások, fotocellák és fényfüggő ellenállások . Ezek a detektorok bizonyos félvezetőkből, például CdS-ből (kadmium-szulfid) készülnek. Tehát ez a detektor egy félvezető anyagot tartalmaz két csatlakoztatott fémelektródával az ellenállás érzékelésére. A fotodiódákhoz képest ezek nem drágák, de meglehetősen lassúak, nem túl érzékenyek és nemlineáris választ mutatnak. Alternatív megoldásként reagálhatnak a hosszú hullámhosszú infravörös fényre. A fényvezető detektorokat a spektrális válaszok függvényében különböző típusokra osztják fel, mint például a látható hullámhossz-tartomány, a közeli infravörös hullámhossz-tartomány és az IR hullámhossz-tartomány.
Phototubes
A gázzal töltött csöveket vagy vákuumcsöveket, amelyeket fotodetektorként használnak, fotocsöveknek nevezik. A fototube a fotoemissziós detektor amely külső fotoelektromos vagy fotoemissziós hatást használ. Ezeket a csöveket gyakran kiürítik, vagy néha alacsony nyomású gázzal töltik meg.
Fotósokszorozó
A fotosokszorozó a fotocsövek egyik típusa, amely a beeső fotonokat elektromos jellé alakítja. Ezek a detektorok elektronsokszorozó eljárást alkalmaznak, hogy jelentősen megnövekedett válaszkészséget érjenek el. Nagy aktív területtel és nagy sebességgel rendelkeznek. Különféle típusú fénysokszorozók állnak rendelkezésre, mint például a fénysokszorozó cső, a mágneses fénysokszorozó, az elektrosztatikus fotosokszorozó és a szilícium fotosokszorozó.
Fotodetektor áramköri diagramja
Az alábbiakban látható a fényérzékelő áramkör egy fotodetektorral. Ebben az áramkörben a fotodiódát fotodetektorként használják a fény meglétének vagy nemlétének észlelésére. Ennek az érzékelőnek az érzékenysége egyszerűen beállítható az előre beállított érték segítségével.
Ennek a fényérzékelő áramkörnek a szükséges alkatrészei elsősorban egy fotodióda, LED, LM339 IC , Ellenállás, előre beállított stb. Csatlakoztassa az áramkört az alábbi kapcsolási rajz szerint.
Dolgozó
A fotodiódát fotodetektorként használják, hogy áramot generáljon az áramkörben, amikor fény esik rá. Ebben az áramkörben a fotodiódát fordított előfeszítési módban használják az R1 ellenálláson keresztül. Tehát ez az R1 ellenállás nem enged túl sok áramot a fotodiódában, ha nagy mennyiségű fény esik a fotodiódára.
Ha nem esik fény a fotodiódára, az nagy potenciált eredményez az LM339 komparátor 6-os érintkezőjén (invertáló bemenet). Amint a fény ráesik erre a diódára, lehetővé teszi az áramellátást az egész diódán, és így a feszültség csökken rajta. A komparátor 7-es érintkezője (nem invertáló bemenet) egy VR2-re (változó ellenállás) van csatlakoztatva a komparátor referenciafeszültségének beállításához.
Itt a komparátor akkor működik, ha a komparátor nem invertáló bemenete magas, míg az invertáló bemenethez képest a kimenete magas marad. Tehát az IC kimeneti érintkezője, mint a pin-1, egy fénykibocsátó diódához van csatlakoztatva. Itt a referenciafeszültséget a VR1 előre beállított küszöbértékének megfelelően állítják be. A kimeneten a LED bekapcsol, amint a fény a fotodiódára esik. Így az invertáló bemenet alacsonyabb értékre esik, mint a nem invertáló bemeneten beállított referencia. Tehát a kimenet a szükséges előfeszítést biztosítja a fénykibocsátó diódának.
Fotodetektor vs fotodióda
A fotodetektor és a fotodióda közötti különbség a következőket tartalmazza.
|
Fotódetektor |
Fotodióda |
| A fotodetektor egy fényérzékelő.
|
Ez egy fényérzékeny félvezető dióda.
|
| A fotodetektort nem használják erősítővel a fény érzékelésére.
|
A fotodióda erősítőt használ az alacsony fényszint észlelésére, mivel lehetővé teszi a szivárgó áramot, amely a rájuk eső fénnyel változik. |
| A fotodetektor egyszerűen egy összetett félvezetőből készül, amelynek sávszélessége 0,73 eV. | A fotodióda egyszerűen két P-típusú és N-típusú félvezetővel készül.
|
| Ezek lassabbak, mint a fotodiódák. | Ezek gyorsabbak, mint a fotodetektorok. |
| A fotodetektor válasza nem gyorsabb a fotodiódához képest.
|
A fotodióda válasz sokkal gyorsabb, mint a fotodetektoré. |
| Érzékenyebb. | Kevésbé érzékeny. |
| A fotodetektor a fény fotonenergiáját elektromos jellé alakítja. | A fotodiódák átalakítják a fényenergiát és érzékelik a fényerősséget is. |
| A fotodetektor hőmérséklet-tartománya 8K és 420 K között van. | A fotodióda hőmérséklete 27°C és 550°C között van. |
A fotodetektor kvantumhatékonysága
A fotodetektor kvantumhatékonysága úgy definiálható, mint a beeső fotonok azon hányada, amely a fotovezetőn keresztül a képződött elektronokhoz abszorbeálódik, és a detektor terminálján összegyűlik.
A kvantumhatásfok η-val jelölhető
Kvantumhatékonyság (η) = generált elektronok/a beeső fotonok teljes száma
És így,
η = (áram/elektron töltése)/(teljes beeső foton optikai teljesítménye/ foton energiája)
Tehát matematikailag ilyen lesz
η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)
Előnyök és hátrányok
A fotodetektor előnyei a következők.
- A fotodetektorok kis méretűek.
- Az észlelési sebessége gyors.
- Érzékelési hatékonysága magas.
- Kevesebb zajt generálnak.
- Ezek nem drágák, kompaktak és könnyűek.
- Hosszú élettartamúak.
- Nagy kvantumhatékonyságuk van.
- Nem igényel nagy feszültséget.
Az A fotodetektor hátrányai a következőket tartalmazzák.
- Nagyon alacsony érzékenységük van.
- Nincs belső nyereségük.
- A válaszidő nagyon lassú.
- Ennek az érzékelőnek az aktív területe kicsi.
- Az áramon belüli változás rendkívül kicsi, ezért előfordulhat, hogy nem elegendő az áramkör meghajtásához.
- Offset feszültséget igényel.
A fotodetektorok alkalmazásai
A fotodetektor alkalmazásai a következők.
- A fotodetektorokat különféle alkalmazásokban használják, a szupermarketek automata ajtóitól az otthoni TV-távirányítókig.
- Ezek az optikai kommunikációban, a biztonságban, az éjszakai látásban, a videoképalkotásban, az orvosbiológiai képalkotásban, a mozgásérzékelésben és a gázérzékelésben használt alapvető fontosságú összetevők, amelyek képesek a fényt pontosan elektromos jelekké változtatni.
- Ezeket az optikai teljesítmény és a fényáram mérésére használják
- Ezeket főként különböző típusú mikroszkópokban és optikai érzékelőkben használják.
- Ezek jelentősek a lézeres távolságmérők esetében.
- Ezeket általában frekvenciametrológiában, optikai szálas kommunikációban stb. használják.
- A fotometriai és radiometriai fotodetektorokat különböző tulajdonságok mérésére használják, mint például az optikai teljesítmény, az optikai intenzitás, a besugárzás és a fényáram.
- Ezeket spektrométerekben, optikai adattároló eszközökben, fénysorompókban, sugárprofilozókban, fluoreszcens mikroszkópokban, autokorrelátorokban, interferométerekben és különféle optikai érzékelőkben használják optikai teljesítmény mérésére.
- Ezeket LIDAR-hoz, lézeres távolságmérőkhöz, éjjellátó eszközökhöz és kvantumoptikai kísérletekhez használják.
- Ezek alkalmazhatók az optikai frekvencia-metrológiában, az optikai szálas kommunikációban, valamint a lézerzaj vagy impulzuslézerek osztályozására is.
- A több azonos fotódetektorral rendelkező kétdimenziós tömböket főként fókuszsík tömbként és gyakran képalkotó alkalmazásokban használják.
Mire használható a fotodetektor?
A fotodetektorokat a fény fotonenergiájának elektromos jellé alakítására használják.
Mik a fotodetektor jellemzői?
A fotodetektorok jellemzői a fényérzékenység, a spektrális válasz, a kvantumhatékonyság, az előre torzított zaj, a sötétáram, a zajkiegyenlítő teljesítmény, az időzítési válasz, a terminálkapacitás, a vágási frekvencia és a frekvencia sávszélessége.
Mik a követelmények a fotodetektorral szemben?
A fotodetektorokkal szemben támasztott követelmények: rövid válaszidő, a legkisebb zajszint, megbízhatóság, nagy érzékenység, lineáris válasz a fényintenzitás széles tartományában, alacsony előfeszítési feszültség, alacsony költség és a teljesítményjellemzők stabilitása.
Mit használnak az optikai detektorok specifikációjában?
Az optikai detektorok specifikációjában a zaj-ekvivalens teljesítményt használják, mivel ez az optikai bemeneti teljesítmény az, amely egy meghatározott sávszélesség esetén a zajteljesítménynek megfelelő extra kimeneti teljesítményt generál.
A kvantumhozam és a kvantumhatékonyság ugyanaz?
A kvantumhozam és a kvantumhatékonyság nem ugyanaz, mert annak a valószínűsége, hogy egy foton abszorbeálódása után egy foton kibocsát, a kvantumhozam, míg a kvantumhatékonyság annak a valószínűsége, hogy egy foton kibocsátódik, miután a rendszert a kibocsátó állapotba állítottuk.
Ez tehát az egy fotodetektor áttekintése – alkalmazásokkal való munka. Ezek az eszközök belső és külső fotoelektromos effektuson alapulnak, így elsősorban fényérzékelésre használják. Itt egy kérdés, hogy mik azok optikai detektorok ?
