Fotodetektor: Schaltung, Funktion, Typen und Anwendungen

Der Fotodetektor ist eine wesentliche Komponente in einem optischen Empfänger, der das eingehende optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Halbleiter-Fotodetektoren werden normalerweise als Fotodioden bezeichnet, da dies die Haupttypen von Fotodetektoren sind, die in der Optik verwendet werden Kommunikationssysteme aufgrund ihrer schnellen Erkennungsgeschwindigkeit, hohen Erkennungseffizienz und geringen Größe. Gegenwärtig werden Fotodetektoren häufig in der Industrieelektronik, der elektronischen Kommunikation, der Medizin und dem Gesundheitswesen, Analysegeräten, der Automobilindustrie und dem Transportwesen und vielen mehr eingesetzt. Diese werden auch als Photosensoren und Lichtsensoren bezeichnet. Daher behandelt dieser Artikel einen Überblick über a Fotodetektor – Arbeiten mit Anwendungen.

Was ist ein Fotodetektor?

Eine Fotodetektor-Definition ist; Ein optoelektronisches Gerät, das verwendet wird, um das einfallende Licht oder die optische Leistung zu erfassen, um es in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wird als Fotodetektor bezeichnet. Üblicherweise ist dieses o/p-Signal proportional zur einfallenden optischen Leistung. Diese Sensoren werden für verschiedene wissenschaftliche Implementierungen wie Prozesssteuerung, faseroptische Kommunikationssysteme, Sicherheit, Umweltsensorik und auch in Verteidigungsanwendungen unbedingt benötigt. Beispiele für Fotodetektoren sind Fototransistoren u Fotodioden .

Wie funktioniert der Fotodetektor?

Der Fotodetektor funktioniert einfach, indem er Licht oder andere elektromagnetische Strahlung erkennt, oder Geräte können die übertragenen optischen Signale empfangen. Fotodetektoren, die verwenden Halbleiter arbeiten mit der Elektron-Loch-Paarbildung nach dem Lichtbestrahlungsprinzip.

Sobald ein Halbleitermaterial durch Photonen beleuchtet wird, die hohe oder äquivalente Energien zu seiner Bandlücke haben, regen absorbierte Photonen Valenzbandelektronen dazu an, sich in das Leitungsband zu bewegen, wodurch Löcher innerhalb des Valenzbands zurückbleiben. Die Elektronen im Leitungsband verhalten sich wie freie Elektronen (Löcher), die sich unter der Kraft eines intrinsischen oder extern angelegten elektrischen Feldes verteilen können.

Die photogenerierten Elektron-Loch-Paare können aufgrund optischer Absorption rekombinieren und Licht erneut emittieren, es sei denn, sie werden einer durch ein elektrisches Feld vermittelten Trennung unterzogen, um einen Photostrom zu erhöhen, der ein Bruchteil der empfangenen photogenerierten freien Ladungsträger ist die Elektroden der Fotodetektoranordnung. Die Größe des Fotostroms bei einer bestimmten Wellenlänge ist direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts.

Eigenschaften

Die Eigenschaften von Photodetektoren werden unten diskutiert.

Spektrale Antwort – Es ist die Antwort des Photodetektors als Photonenfrequenzfunktion.

Quanteneffizienz - Die Anzahl der pro Photon erzeugten Ladungsträger

Reaktionsfähigkeit – Es ist der Ausgangsstrom getrennt durch die Gesamtleistung des auf den Detektor fallenden Lichts.

Rauschäquivalente Leistung – Es ist die erforderliche Menge an Lichtleistung, um ein Signal zu erzeugen, das in seiner Größe dem Rauschen des Geräts entspricht.

Detektiv – Die Quadratwurzel der Fläche des Detektors getrennt durch die Rauschäquivalentleistung.

Gewinnen - Es ist der Ausgangsstrom des Fotodetektors, der durch den direkt erzeugten Strom durch die auf die Detektoren einfallenden Photonen geteilt wird.

Dunkle Strömung- Der Stromfluss durch einen Detektor auch bei Lichtmangel.

Reaktionszeit - Es ist die Zeit, die ein Detektor benötigt, um von 10 auf 90 % der Endleistung zu kommen.

Rauschspektrum – Der intrinsische Rauschstrom oder die Eigenrauschspannung ist eine Funktion der Frequenz, die in Form einer spektralen Rauschdichteform angegeben werden kann.

Nichtlinearität – Die Nichtlinearität des Fotodetektors begrenzt die HF-Ausgabe.

Arten von Fotodetektoren

Die Fotodetektoren werden basierend auf dem Detektionsmechanismus von Licht wie dem fotoelektrischen oder Fotoemissionseffekt, dem Polarisationseffekt, dem thermischen Effekt, der schwachen Wechselwirkung oder dem fotochemischen Effekt klassifiziert. Die verschiedenen Arten von Photodetektoren umfassen hauptsächlich eine Photodiode, einen MSM-Photodetektor, einen Phototransistor, einen photoleitenden Detektor, Photoröhren und Photomultiplier.

Fotodioden

Dies sind Halbleiterbauelemente mit einer PIN- oder PN-Übergangsstruktur, bei der Licht in einem Verarmungsbereich absorbiert wird und einen Fotostrom erzeugt. Diese Geräte sind schnell, hochgradig linear, sehr kompakt und erzeugen eine hohe Quanteneffizienz, was bedeutet, dass sie fast ein Elektron für jedes einfallende Photon und einen hohen Dynamikbereich erzeugen. Bitte beachten Sie diesen Link, um mehr darüber zu erfahren Fotodioden .

MSM-Fotodetektoren

MSM (Metall-Halbleiter-Metall)-Fotodetektoren umfassen zwei Schottki Kontakte statt a PN-Übergang . Diese Detektoren sind potenziell schneller als Fotodioden mit Bandbreiten von bis zu Hunderten von GHz. MSM-Detektoren ermöglichen sehr großflächigen Detektoren eine einfache Kopplung mit optischen Fasern ohne Bandbreitenverschlechterung.

Fototransistor

Der Fototransistor ist eine Art von Fotodiode, die eine interne Verstärkung des Fotostroms verwendet. Aber diese werden im Vergleich zu Fotodioden nicht häufig verwendet. Diese dienen hauptsächlich dazu, Lichtsignale zu erkennen und in digitale elektrische Signale umzuwandeln. Diese Komponenten werden einfach mit Licht statt mit elektrischem Strom betrieben. Fototransistoren sind kostengünstig und bieten eine große Verstärkung, sodass sie in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Bitte beachten Sie diesen Link, um mehr darüber zu erfahren Fototransistoren .

Photoleitfähige Detektoren

Fotoleitende Detektoren sind auch bekannt als Fotowiderstände, Fotozellen und Lichtabhängige Widerstände . Diese Detektoren bestehen aus bestimmten Halbleitern wie CdS (Cadmiumsulfid). Dieser Detektor enthält also ein Halbleitermaterial mit zwei verbundenen metallischen Elektroden zum Erfassen des Widerstands. Im Vergleich zu Fotodioden sind diese nicht teuer, aber sie sind ziemlich langsam, nicht extrem empfindlich und weisen eine nichtlineare Reaktion auf. Alternativ können sie auf langwelliges IR-Licht reagieren. Photoleitfähige Detektoren werden basierend auf der Funktion der spektralen Empfindlichkeiten wie dem sichtbaren Wellenlängenbereich, dem nahen Infrarot-Wellenlängenbereich und dem IR-Wellenlängenbereich in verschiedene Typen unterteilt.

Fotoröhren

Die als Fotodetektoren verwendeten gasgefüllten Röhren oder Vakuumröhren werden als Fotoröhren bezeichnet. Ein Fototubus ist ein photoemittierender Detektor das einen externen photoelektrischen Effekt oder Photoemissionseffekt verwendet. Diese Rohre werden häufig evakuiert oder manchmal mit Gas bei niedrigem Druck gefüllt.

Photomultiplier

Ein Photomultiplier ist eine Art Photoröhre, die einfallende Photonen in ein elektrisches Signal umwandelt. Diese Detektoren verwenden einen Elektronenvervielfachungsprozess, um eine stark erhöhte Empfindlichkeit zu erzielen. Sie haben eine große aktive Fläche und hohe Geschwindigkeit. Es sind verschiedene Arten von Photomultipliern erhältlich, wie Photomultiplier-Röhre, magnetischer Photomultiplier, elektrostatischer Photomultiplier und Silizium-Photomultiplier.

Schaltplan des Fotodetektors

Die Lichtsensorschaltung mit einem Fotodetektor ist unten dargestellt. In dieser Schaltung wird die Fotodiode als Fotodetektor verwendet, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Licht zu erfassen. Die Empfindlichkeit dieses Sensors kann einfach über die Voreinstellung angepasst werden.

Die erforderlichen Komponenten dieser Lichtsensorschaltung umfassen hauptsächlich eine Fotodiode, LED, LM339-IC , Widerstand, Preset usw. Schließen Sie die Schaltung gemäß dem unten gezeigten Schaltplan an.

Arbeiten

Eine Fotodiode wird als Fotodetektor verwendet, um Strom innerhalb des Schaltkreises zu erzeugen, sobald Licht darauf fällt. In dieser Schaltung wird die Fotodiode über den Widerstand R1 im Sperrvorspannungsmodus verwendet. Dieser R1-Widerstand lässt also nicht zu, dass zu viel Strom durch die Fotodiode fließt, falls eine große Menge Licht auf die Fotodiode fällt.

Fällt kein Licht auf die Fotodiode, so liegt am Pin6 eines LM339-Komparators (invertierender Eingang) ein hohes Potential an. Sobald Licht auf diese Diode fällt, kann Strom durch die Diode fließen und somit fällt die Spannung darüber ab. Der Pin 7 (nicht invertierender Eingang) des Komparators ist mit einem VR2 (variabler Widerstand) verbunden, um die Referenzspannung des Komparators einzustellen.

Hier arbeitet ein Komparator, wenn der nichtinvertierende Eingang des Komparators im Vergleich zum invertierenden Eingang hoch ist, dann bleibt sein Ausgang hoch. Der Ausgangspin des IC wie Pin-1 ist also mit einer Leuchtdiode verbunden. Hier wird die Referenzspannung über eine VR1-Voreinstellung eingestellt, um einer Schwellenbeleuchtung zu entsprechen. Am Ausgang wird die LED eingeschaltet, sobald Licht auf die Fotodiode fällt. Der invertierende Eingang fällt also auf einen niedrigeren Wert im Vergleich zum Sollwert, der am nichtinvertierenden Eingang eingestellt ist. Der Ausgang liefert also die erforderliche Vorwärtsspannung an die Leuchtdiode.

Fotodetektor vs. Fotodiode

Der Unterschied zwischen Fotodetektor und Fotodiode umfasst Folgendes.

Quanteneffizienz des Photodetektors

Die Quanteneffizienz des Fotodetektors kann definiert werden als der Bruchteil der einfallenden Photonen, die durch den Fotoleiter absorbiert werden, zu den erzeugten Elektronen, die am Detektoranschluss gesammelt werden.

Die Quanteneffizienz kann mit „η“ bezeichnet werden

Quanteneffizienz (η) = Erzeugte Elektronen/Gesamtzahl einfallender Photonen

Daher,

η = (Strom/ Ladung eines Elektrons)/(Gesamte optische Leistung des einfallenden Photons/ Photonenenergie)

So mathematisch wird es wie

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Vorteile und Nachteile

Die Vorteile des Fotodetektors umfassen die folgenden.

• Fotodetektoren sind klein.
• Seine Erkennungsgeschwindigkeit ist schnell.
• Seine Erkennungseffizienz ist hoch.
• Sie erzeugen weniger Lärm.
• Diese sind nicht teuer, kompakt und leicht.
• Sie haben eine lange Lebensdauer.
• Sie haben eine hohe Quanteneffizienz.
• Es benötigt keine Hochspannung.

Das Nachteile des Fotodetektors füge folgendes hinzu.

• Sie haben eine sehr geringe Empfindlichkeit.
• Sie haben keinen internen Gewinn.
• Die Reaktionszeit ist sehr langsam.
• Die aktive Fläche dieses Detektors ist klein.
• Die Änderung innerhalb des Stroms ist extrem gering und daher möglicherweise nicht ausreichend, um die Schaltung zu treiben.
• Es erfordert Offset-Spannung.

Anwendungen von Photodetektoren

Die Anwendungen von Fotodetektoren umfassen die folgenden.

• Fotodetektoren werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, die von automatischen Türen in Supermärkten bis hin zu TV-Fernbedienungen in Ihrem Zuhause reichen.
• Dies sind wesentliche Komponenten, die in der optischen Kommunikation, Sicherheit, Nachtsicht, Videobildgebung, biomedizinischen Bildgebung, Bewegungserkennung und Gaserkennung verwendet werden und die Fähigkeit haben, Licht genau in elektrische Signale umzuwandeln.
• Diese werden zur Messung der optischen Leistung und des Lichtstroms verwendet
• Diese werden hauptsächlich in verschiedenen Arten von Mikroskopen und optischen Sensordesigns verwendet.
• Diese sind für Laser-Entfernungsmesser von Bedeutung.
• Diese werden normalerweise in der Frequenzmesstechnik, Glasfaserkommunikation usw. verwendet.
• Photodetektoren in der Photometrie & Radiometrie werden verwendet, um verschiedene Eigenschaften wie optische Leistung, optische Intensität, Bestrahlungsstärke & Lichtstrom zu messen.
• Diese werden zur Messung der optischen Leistung in Spektrometern, optischen Datenspeichern, Lichtschranken, Strahlprofilern, Fluoreszenzmikroskopen, Autokorrelatoren, Interferometern und verschiedenen Arten von optischen Sensoren verwendet.
• Diese werden für LIDAR, Laser-Entfernungsmesser, Nachtsichtgeräte und Quantenoptik-Experimente verwendet.
• Diese sind in der optischen Frequenzmesstechnik, der Glasfaserkommunikation und auch für die Klassifizierung von Laserrauschen oder gepulsten Lasern anwendbar.
• Die zweidimensionalen Arrays mit mehreren identischen Fotodetektoren werden hauptsächlich als Focal-Plane-Arrays und häufig für Bildgebungsanwendungen verwendet.

Wofür wird ein Fotodetektor verwendet?

Photodetektoren werden verwendet, um die Photonenenergie des Lichts in ein elektrisches Signal umzuwandeln.

Was sind die Eigenschaften eines Fotodetektors?

Die Eigenschaften von Fotodetektoren sind Lichtempfindlichkeit, Spektralempfindlichkeit, Quanteneffizienz, Vorwärtsrauschen, Dunkelstrom, Rauschäquivalentleistung, Zeitverhalten, Anschlusskapazität, Grenzfrequenz und Frequenzbandbreite.

Was sind die Anforderungen an einen Fotodetektor?

Die Anforderungen an Fotodetektoren sind: kurze Reaktionszeiten, geringster Rauschbeitrag, Zuverlässigkeit, hohe Empfindlichkeit, lineares Verhalten über einen breiten Bereich von Lichtintensitäten, niedrige Vorspannung, geringe Kosten und Stabilität der Leistungsmerkmale.

Was wird in der Spezifikation optischer Detektoren verwendet?

Die äquivalente Rauschleistung wird in der Spezifikation optischer Detektoren verwendet, da es die optische Eingangsleistung ist, die eine zusätzliche Ausgangsleistung erzeugt, die dieser Rauschleistung für eine bestimmte Bandbreite entspricht.

Ist Quantenausbeute und Quanteneffizienz dasselbe?

Die Quantenausbeute und die Quanteneffizienz sind nicht dasselbe, da die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon emittiert, nachdem ein Photon absorbiert wurde, die Quantenausbeute ist, während die Quanteneffizienz die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Photon emittiert wird, sobald das System in seinen Emissionszustand erregt wurde.

Das ist also eine Übersicht über einen Photodetektor – Arbeiten mit Anwendungen. Diese Geräte basieren auf dem internen und externen photoelektrischen Effekt, werden also hauptsächlich zur Detektion von Licht verwendet. Hier ist eine Frage an Sie, was sind optische Detektoren ?