Fotodetektorius: grandinė, veikimas, tipai ir taikymas

Fotodetektorius yra esminis optinio imtuvo komponentas, kuris įeinantį optinį signalą paverčia elektriniu signalu. Puslaidininkiniai fotodetektoriai paprastai vadinami fotodiodais, nes tai yra pagrindiniai fotodetektorių tipai, naudojami optikoje. ryšių sistemos dėl greito aptikimo greičio, didelio aptikimo efektyvumo ir mažo dydžio. Šiuo metu fotodetektoriai plačiai naudojami pramoninėje elektronikoje, elektroninių ryšių, medicinos ir sveikatos priežiūros, analitinės įrangos, automobilių ir transporto srityse ir daugelyje kitų. Jie taip pat žinomi kaip fotosensoriai ir šviesos jutikliai. Taigi, šiame straipsnyje aptariama a apžvalga fotodetektoriumi – darbas su programomis.

Kas yra Fotodetektorius?

Fotodetektoriaus apibrėžimas yra; optoelektroninis prietaisas, naudojamas aptikti krintantį šviesą arba optinę galią paversti ją elektriniu signalu, yra žinomas kaip fotodetektorius. Paprastai šis o/p signalas yra proporcingas krintančiai optinei galiai. Šie jutikliai yra absoliučiai reikalingi įvairiems moksliniams įgyvendinimams, pavyzdžiui, procesų valdymui, šviesolaidinių ryšių sistemoms, saugai, aplinkos jutimui ir gynybos reikmėms. Fotodetektorių pavyzdžiai yra fototranzistoriai ir fotodiodai .

Kaip veikia fotodetektorius?

Fotodetektorius tiesiog veikia aptikdamas šviesą ar kitą elektromagnetinę spinduliuotę arba prietaisai gali priimti siunčiamus optinius signalus. Fotodetektoriai, kurie naudoja puslaidininkiai veikia elektronų ir skylių poros kūrimu šviesos švitinimo principu.

Kai puslaidininkinė medžiaga yra apšviesta per fotonus, kurių energija yra didelė arba lygiavertė jos pralaidumui, absorbuoti fotonai skatina valentinės juostos elektronus judėti į laidumo juostą, todėl valentinėje juostoje lieka skylių. Laidumo juostoje esantys elektronai veikia kaip laisvieji elektronai (skylės), kurie gali išsisklaidyti veikiant vidiniam arba išoriškai veikiančiam elektriniam laukui.

Fotografijos sukurtos elektronų skylės poros dėl optinės sugerties gali rekombinuoti ir iš naujo skleisti šviesą, nebent jos būtų atskirtos dėl elektrinio lauko, kad padidėtų fotosrovė, kuri yra fotogeneruotų laisvųjų krūvininkų, gautų fotodetektoriaus išdėstymo elektrodai. Fotosrovės dydis esant tam tikram bangos ilgiui yra tiesiogiai proporcingas krintančios šviesos intensyvumui.

Savybės

Fotodetektorių savybės aptariamos toliau.

Spektrinis atsakas – Tai yra fotodetektoriaus atsakas kaip fotono dažnio funkcija.

Kvantinis efektyvumas - Kiekvienam fotonui generuojamų krūvininkų skaičius

Atsakingumas – Tai išėjimo srovė, atskirta nuo bendros šviesos, krentančios ant detektoriaus, galios.

Triukšmui lygiavertė galia – Tai reikalingas šviesos galios kiekis, kad būtų sukurtas signalas, kurio dydis prilygsta įrenginio triukšmui.

Detektyvumas – Kvadratinė šaknis iš detektoriaus ploto, atskirto triukšmo ekvivalentine galia.

pelnas – Tai yra foto detektoriaus išėjimo srovė, kuri padalyta iš tiesiogiai sukuriamos srovės, kurią sukelia ant detektorių patenkantys fotonai.

Tamsioji srovė - Srovės srautas per detektorių net ir esant šviesos trūkumui.

Atsakymo laikas - Tai reikalingas laikas, per kurį detektorius pasiekia 10–90% galutinės išvesties.

Triukšmo spektras - Vidinio triukšmo srovė arba įtampa yra dažnio funkcija, kuri gali būti pažymėta triukšmo spektrinio tankio forma.

Netiesiškumas – Nuotraukų detektoriaus netiesiškumas riboja RF išvestį.

Fotodetektorių tipai

Fotodetektoriai klasifikuojami pagal šviesos aptikimo mechanizmą, pavyzdžiui, fotoelektrinį arba fotoemisijos efektą, poliarizacijos efektą, šiluminį efektą, silpną sąveiką arba fotocheminį efektą. Įvairių tipų fotodetektoriai daugiausia apima fotodiodą, MSM fotodetektorių, fototranzistorių, fotolaidų detektorių, fotovamzdelius ir fotodaugiklius.

Fotodiodai

Tai puslaidininkiniai įtaisai su PIN arba PN jungties struktūra, kur šviesa sugeriama išeikvojimo srityje ir sukuria fotosrovę. Šie prietaisai yra greiti, labai linijiniai, labai kompaktiški ir sukuria didelį kvantinį efektyvumą, o tai reiškia, kad jie sukuria beveik vieną elektroną kiekvienam kritusiam fotonui ir didelį dinaminį diapazoną. Norėdami sužinoti daugiau apie tai, žr. šią nuorodą Fotodiodai .

MSM fotodetektoriai

MSM (metalo – puslaidininkio – metalo) fotodetektoriai yra du Šotkis kontaktai, o ne a PN jungtis . Šie detektoriai yra potencialiai greitesni, palyginti su fotodiodais, kurių dažnių juostos plotis siekia šimtus GHz. MSM detektoriai leidžia labai didelio ploto detektoriams lengvai sujungti su optinėmis skaidulomis nesumažinant pralaidumo.

Fototranzistorius

Fototranzistorius yra vienos rūšies fotodiodas, kuris naudoja vidinį fotosrovės stiprinimą. Tačiau jie nėra dažnai naudojami, palyginti su fotodiodais. Jie daugiausia naudojami šviesos signalams aptikti ir pakeisti juos į skaitmeninius elektros signalus. Šie komponentai tiesiog valdomi šviesa, o ne elektros srove. Fototranzistoriai yra nebrangūs ir suteikia daug naudos, todėl jie naudojami įvairiose srityse. Norėdami sužinoti daugiau apie tai, žr. šią nuorodą fototranzistoriai .

Fotolaidžiai detektoriai

Fotolaidžiai detektoriai taip pat žinomi kaip fotorezistoriai, fotoelementai ir nuo šviesos priklausomi rezistoriai . Šie detektoriai yra pagaminti naudojant tam tikrus puslaidininkius, tokius kaip CdS (kadmio sulfidas). Taigi šiame detektoriuje yra puslaidininkinė medžiaga su dviem sujungtais metaliniais elektrodais varžai aptikti. Palyginti su fotodiodais, jie nėra brangūs, tačiau yra gana lėti, nėra itin jautrūs ir pasižymi netiesine reakcija. Arba jie gali reaguoti į ilgos bangos IR šviesą. Fotolaidžiai detektoriai yra suskirstyti į skirtingus tipus, atsižvelgiant į spektrinio jautrumo funkciją, pavyzdžiui, matomo bangos ilgio diapazoną, artimo infraraudonųjų spindulių bangos ilgio diapazoną ir IR bangos ilgio diapazoną.

Fototubeliai

Dujomis užpildyti vamzdeliai arba vakuuminiai vamzdeliai, naudojami kaip fotodetektoriai, yra žinomi kaip fotovamzdeliai. Fototube yra a fotoemisinis detektorius kuri naudoja išorinį fotoelektrinį arba fotoemisinį efektą. Šie vamzdžiai dažnai ištuštinami arba kartais užpildomi žemo slėgio dujomis.

Fotodaugiklis

Fotodaugintuvas yra vienos rūšies fotovamzdeliai, pakeičiantys krintančius fotonus į elektrinį signalą. Šie detektoriai naudoja elektronų dauginimo procesą, kad padidintų jautrumą. Jie turi didelę aktyvią zoną ir didelį greitį. Yra įvairių tipų fotodaugintuvai, pavyzdžiui, fotodaugintuvo vamzdis, magnetinis fotodaugiklis, elektrostatinis fotodaugiklis ir silicio fotodaugiklis.

Fotodetektoriaus grandinės schema

Šviesos jutiklio grandinė naudojant fotodetektorių parodyta žemiau. Šioje grandinėje fotodiodas naudojamas kaip fotodetektorius šviesos buvimui ar nebuvimui nustatyti. Šio jutiklio jautrumą galima tiesiog reguliuoti naudojant išankstinį nustatymą.

Reikalingi šios šviesos jutiklio grandinės komponentai daugiausia yra fotodiodas, šviesos diodas, LM339 IC , Rezistorius, Iš anksto nustatytas ir tt Prijunkite grandinę pagal toliau pateiktą schemą.

Darbas

Fotodiodas naudojamas kaip fotodetektorius srovei generuoti grandinėje, kai ant jos patenka šviesa. Šioje grandinėje fotodiodas naudojamas atvirkštinio poslinkio režimu per R1 rezistorių. Taigi šis R1 rezistorius neleidžia tiekti per daug srovės per visą fotodiodą, jei ant fotodiodo nukrenta didžiulis šviesos kiekis.

Kai ant fotodiodo nekrenta jokia šviesa, LM339 komparatoriaus kontaktas (invertuojantis įėjimas) sukuria didelį potencialą. Kai šviesa patenka ant šio diodo, jis leidžia srovę tiekti visame diodą, todėl įtampa jame nukris. Lyginimo įrenginio kaištis 7 (neinvertuojantis įėjimas) yra prijungtas prie VR2 (kintamo rezistoriaus), kad būtų nustatyta lygintuvo atskaitos įtampa.

Čia lygintuvas veikia, kai lygintuvo neinvertuojanti įvestis yra didelė, palyginti su invertuojančia įvestimi, tada jo išvestis išlieka didelė. Taigi IC išvesties kaištis, pavyzdžiui, kaištis-1, yra prijungtas prie šviesos diodo. Čia atskaitos įtampa nustatoma VR1 iš anksto, kad atitiktų slenkstinį apšvietimą. Išvestyje šviesos diodas įsijungs, kai šviesa nukris ant fotodiodo. Taigi, invertuojanti įvestis nukrenta iki mažesnės vertės, palyginti su atskaita, nustatyta neinvertuojančiame įėjime. Taigi, išvestis tiekia reikiamą į priekį poslinkį į šviesos diodą.

Fotodetektorius vs fotodiodas

Skirtumas tarp fotodetektoriaus ir fotodiodo yra toks.

Fotodetektoriaus kvantinis efektyvumas

Fotodetektoriaus kvantinį efektyvumą galima apibrėžti kaip kritusių fotonų, kurie per fotolaidininką absorbuojami į pagamintus elektronus, dalis surenkama detektoriaus gnybte.

Kvantinis efektyvumas gali būti pažymėtas „η“

Kvantinis efektyvumas (η) = generuojami elektronai / bendras kritusių fotonų skaičius

Taigi,

η = (srovė / elektrono krūvis) / (bendra krintančio fotono optinė galia / fotono energija)

Taigi matematiškai jis taps panašus

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

Privalumai ir trūkumai

Fotodetektorių pranašumai yra šie.

• Fotodetektoriai yra mažo dydžio.
• Jo aptikimo greitis yra greitas.
• Jo aptikimo efektyvumas yra didelis.
• Jie sukuria mažiau triukšmo.
• Jie nėra brangūs, kompaktiški ir lengvi.
• Jie turi ilgą gyvenimą.
• Jie turi aukštą kvantinį efektyvumą.
• Tai nereikalauja aukštos įtampos.

The fotodetektoriaus trūkumai įtraukti toliau nurodytus dalykus.

• Jie turi labai mažą jautrumą.
• Jie neturi vidinės naudos.
• Reagavimo laikas yra labai lėtas.
• Šio detektoriaus aktyvusis plotas yra mažas.
• Srovės pokytis yra labai mažas, todėl gali būti nepakankamas grandinei valdyti.
• Tam reikalinga kompensacinė įtampa.

Fotodetektorių taikymas

Fotodetektoriaus programos yra šios.

• Fotodetektoriai naudojami įvairiose srityse: nuo automatinių durų prekybos centruose iki televizoriaus nuotolinio valdymo pultelių jūsų namuose.
• Tai yra esminiai svarbūs komponentai, naudojami optiniuose ryšiuose, saugumui, naktiniam matymui, vaizdo vaizdavimui, biomedicininiam vaizdavimui, judesio aptikimui ir dujų jutimui, kurie gali tiksliai pakeisti šviesą į elektrinius signalus.
• Jie naudojami optinei galiai ir šviesos srautui matuoti
• Jie daugiausia naudojami įvairių tipų mikroskopuose ir optiniuose jutikliuose.
• Tai svarbu lazeriniams tolimačiams.
• Paprastai jie naudojami dažnių metrologijoje, optinio pluošto ryšiuose ir kt.
• Fotometrijos ir radiometrijos fotodetektoriai naudojami įvairioms savybėms, tokioms kaip optinė galia, optinis intensyvumas, apšvita ir šviesos srautas, matuoti.
• Jie naudojami optinei galiai matuoti spektrometruose, optiniuose duomenų saugojimo įrenginiuose, šviesos barjeruose, pluošto profiliuočiuose, fluorescenciniuose mikroskopuose, autokoreliatoriuose, interferometruose ir įvairių tipų optiniuose jutikliuose.
• Jie naudojami LIDAR, lazeriniams tolimačiams, naktinio matymo prietaisams ir kvantinės optikos eksperimentams.
• Jie taikomi optinio dažnio metrologijoje, optinio pluošto ryšiams ir taip pat klasifikuojant lazerio triukšmą arba impulsinius lazerius.
• Dvimatės matricos su keliais identiškais nuotraukų detektoriais dažniausiai naudojamos kaip židinio plokštumos matricos ir dažnai naudojamos vaizdavimo programoms.

Kam naudojamas fotodetektorius?

Fotodetektoriai naudojami šviesos fotonų energijai paversti elektriniu signalu.

Kokios yra fotodetektoriaus savybės?

Fotodetektorių charakteristikos yra jautrumas šviesai, spektrinis atsakas, kvantinis efektyvumas, į priekį nukreiptas triukšmas, tamsi srovė, lygiavertė triukšmo galia, laiko atsakas, gnybtų talpa, ribinis dažnis ir dažnio juostos plotis.

Kokie reikalavimai keliami fotodetektoriui?

Fotodetektoriams keliami reikalavimai; trumpas atsako laikas, mažiausias triukšmo įnašas, patikimumas, didelis jautrumas, linijinis atsakas įvairiuose šviesos intensyvumo diapazonuose, žema įtampa, maža kaina ir veikimo charakteristikų stabilumas.

Kas naudojama optinių detektorių specifikacijoje?

Triukšmo ekvivalentinė galia naudojama optinių detektorių specifikacijoje, nes būtent optinė įvesties galia sukuria papildomą išėjimo galią, lygią tam tikro dažnio juostos pločio triukšmo galiai.

Ar kvantinis derlius ir kvantinis efektyvumas yra vienodi?

Kvantinė išeiga ir kvantinis efektyvumas nėra vienodi, nes tikimybė, kad fotonas išspinduliuos vieną fotoną sugėrus, yra kvantinė išeiga, o kvantinis efektyvumas yra tikimybė, kad fotonas bus išspinduliuotas, kai sistema bus įjungta iki spinduliavimo būsenos.

Taigi, tai yra fotodetektoriaus apžvalga – darbas su programomis. Šie prietaisai yra pagrįsti vidiniu ir išoriniu fotoelektriniu efektu, todėl dažniausiai naudojami šviesai aptikti. Štai jums klausimas, kas yra optiniai detektoriai ?