Fotodedektör : Devre, Çalışma, Tipleri ve Uygulamaları

Fotodetektör, gelen optik sinyali elektrik sinyaline dönüştüren bir optik alıcıda önemli bir bileşendir. Yarı iletken fotodetektörlere genellikle fotodiyotlar denir, çünkü bunlar optikte kullanılan ana fotodetektör türleridir. iletişim sistemleri hızlı algılama hızları, yüksek algılama verimliliği ve küçük boyutları nedeniyle. Şu anda, fotodedektörler endüstriyel elektronik, elektronik iletişim, tıp ve sağlık hizmetleri, analitik ekipman, otomotiv ve ulaşım ve daha pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlar ayrıca fotosensörler ve ışık sensörleri olarak da bilinir. Bu nedenle, bu makale bir genel bakışı tartışıyor fotodedektör – uygulamalarla çalışmak.

Fotodedektör nedir?

Bir fotodedektör tanımı; gelen ışığı veya optik gücü bir elektrik sinyaline dönüştürmek için algılamak için kullanılan bir optoelektronik cihaz, bir fotodetektör olarak bilinir. Genellikle, bu o/p sinyali gelen optik güçle orantılıdır. Bu sensörler, proses kontrolü, fiber optik iletişim sistemleri, güvenlik, çevresel algılama ve ayrıca savunma uygulamaları gibi farklı bilimsel uygulamalar için kesinlikle gereklidir. Fotodedektör örnekleri, fototransistörler ve fotodiyotlar .

Fotodedektör Nasıl Çalışır?

Fotodedektör, yalnızca ışığı veya diğer elektromanyetik radyasyonu algılayarak çalışır veya iletilen optik sinyalleri alarak cihazlar olabilir. Kullanılan fotodedektörler yarı iletkenler ışık ışınlama prensibine göre elektron-boşluk çifti oluşturma üzerinde çalışır.

Bir yarı iletken malzeme, bant aralığına yüksek veya eşdeğer enerjilere sahip fotonlar aracılığıyla aydınlatıldıktan sonra, emilen fotonlar, valans bandı elektronlarını iletim bandına hareket etmeye teşvik eder, böylece valans bandı içinde boşluklar bırakır. İletim bandındaki elektronlar, içsel veya harici olarak uygulanan bir elektrik alanın gücü altında dağılabilen serbest elektronlar (delikler) olarak işlev görür.

Optik absorpsiyon nedeniyle foto-üretilmiş elektron deliği çiftleri, bir foto-akımda bir artış sağlamak için bir elektrik alanı-aracılı ayırmaya tabi tutulmadıkça, ışığı yeniden birleştirebilir ve yeniden yayabilir; fotodetektör düzenlemesinin elektrotları. Belirli bir dalga boyundaki fotoakım büyüklüğü, gelen ışığın yoğunluğu ile doğru orantılıdır.

Özellikleri

Fotodedektörlerin özellikleri aşağıda tartışılmaktadır.

Spektral cevap - Bir foton frekans fonksiyonu olarak fotodedektörün yanıtıdır.

Kuantum verimi - Her bir foton için üretilen yük taşıyıcı sayısı

Duyarlılık – Dedektör üzerine düşen ışığın toplam gücü ile ayrılan çıkış akımıdır.

Gürültü eşdeğeri Güç – Cihazın gürültüsüne eşdeğer boyutta bir sinyal üretmek için gereken ışık gücü miktarıdır.

Dedektiflik – Gürültü eşdeğer gücü ile ayrılmış dedektör alanının karekökü.

Kazanmak - Dedektörler üzerine gelen fotonlar tarafından doğrudan üretilen akıma bölünen foto dedektörün çıkış akımıdır.

Karanlık Akım- Işık eksikliğinde bile bir dedektör boyunca akım akışı.

Tepki Süresi - Bir dedektörün son çıkışının %10 – 90'ına çıkması için gereken süredir.

Gürültü Spektrumu – Gerçek gürültü akımı veya voltajı, bir gürültü spektral yoğunluk formunda gösterilebilen bir frekans fonksiyonudur.

Doğrusal olmama – Foto dedektörün doğrusal olmaması, RF çıkışını sınırlar.

Fotodetektör Çeşitleri

Fotodedektörler, fotoelektrik veya fotoemisyon etkisi, polarizasyon etkisi, termal etki, zayıf etkileşim veya fotokimyasal etki gibi ışığı algılama mekanizmasına göre sınıflandırılır. Farklı fotodedektör türleri arasında esas olarak bir fotodiyot, MSM fotodedektörü, fototransistör, fotoiletken dedektör, fototüpler ve Fotoçoğaltıcılar bulunur.

fotodiyotlar

Bunlar, ışığın bir tükenme bölgesi içinde emildiği ve bir fotoakım ürettiği bir PIN veya PN bağlantı yapısına sahip yarı iletken cihazlardır. Bu cihazlar hızlı, oldukça doğrusal, çok kompakt ve yüksek bir kuantum verimliliği üretiyor, bu da her gelen foton için neredeyse bir elektron ve yüksek bir dinamik aralık ürettiği anlamına geliyor. hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen bu bağlantıya bakın fotodiyotlar .

MSM Fotodedektörleri

MSM (Metal-yarı iletken-metal) fotodetektörleri iki adet içerir Schottky kişiler yerine bir Pn kavşağı . Bu dedektörler, yüzlerce GHz bant genişliğine kadar olan fotodiyotlara kıyasla potansiyel olarak daha hızlıdır. MSM dedektörleri, çok geniş alan dedektörlerinin, bant genişliğini düşürmeden optik fiberlerle kolay bağlantı yapmasına izin verir.

Fototransistör

Fototransistör, fotoakımın dahili amplifikasyonunu kullanan bir tür fotodiyottur. Ancak bunlar fotodiyotlara kıyasla sıklıkla kullanılmaz. Bunlar esas olarak ışık sinyallerini tespit etmek ve bunları dijital elektrik sinyallerine dönüştürmek için kullanılır. Bu bileşenler, elektrik akımı yerine basitçe ışıkla çalıştırılır. Fototransistörler düşük maliyetlidir ve büyük miktarda kazanç sağlar, bu nedenle çeşitli uygulamalarda kullanılırlar. hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen bu bağlantıya bakın fototransistörler .

Fotoiletken Dedektörler

Foto iletken dedektörler ayrıca fotodirençler, fotoseller ve ışığa bağımlı dirençler . Bu dedektörler, CdS (kadmiyum sülfit) gibi belirli yarı iletkenlerle yapılır. Dolayısıyla bu dedektör, direnci tespit etmek için birbirine bağlı iki metalik elektrotlu yarı iletken bir malzeme içerir. Fotodiyotlarla karşılaştırıldığında, bunlar pahalı değildir ancak oldukça yavaştırlar, aşırı hassas değildirler ve doğrusal olmayan bir yanıt sergilerler. Alternatif olarak, uzun dalga boylu IR ışığa tepki verebilirler. Foto iletken dedektörler, görünür dalga boyu aralığı, yakın kızılötesi dalga boyu aralığı ve IR dalga boyu aralığı gibi spektral yanıtların işlevine dayalı olarak farklı tiplere ayrılır.

Fotoğraf tüpleri

Fotodetektör olarak kullanılan gaz dolu tüpler veya vakum tüpleri foto tüpler olarak bilinir. Bir fotoğraf tüpü bir foto yayıcı dedektör harici bir fotoelektrik etki veya foto yayıcı etki kullanan. Bu tüpler sıklıkla boşaltılır veya bazen düşük basınçta gazla doldurulur.

fotoçoğaltıcı

Bir fotoçoğaltıcı, gelen fotonları elektrik sinyaline dönüştüren bir tür fototüptür. Bu dedektörler, çok daha yüksek bir tepkisellik elde etmek için bir elektron çoğaltma işlemi kullanır. Geniş bir aktif alana ve yüksek hıza sahiptirler. Fotoçoğaltıcı tüp, Manyetik fotoçoğaltıcı, Elektrostatik fotoçoğaltıcı ve Silikon fotoçoğaltıcı gibi farklı fotoçoğaltıcı türleri mevcuttur.

Fotodedektör Devre Şeması

Bir fotodetektör kullanan ışık sensörü devresi aşağıda gösterilmiştir. Bu devrede fotodiyot, ışığın varlığını veya yokluğunu tespit etmek için bir fotodedektör olarak kullanılır. Bu sensörün hassasiyeti, ön ayar kullanılarak kolayca ayarlanabilir.

Bu ışık sensörü devresinin gerekli bileşenleri esas olarak bir fotodiyot, LED, LM339 entegresi , Direnç, Preset, vb. Devreyi aşağıda gösterilen devre şemasına göre bağlayın.

Çalışma

Bir fotodiyot, üzerine ışık düştüğünde devre içinde akım üretmek için bir fotodedektör olarak kullanılır. Bu devrede fotodiyot, R1 direnci üzerinden ters polarizasyon modunda kullanılır. Bu nedenle, bu R1 direnci, fotodiyot üzerine çok büyük miktarda ışık düşmesi durumunda fotodiyot boyunca çok fazla akım sağlanmasına izin vermez.

Fotodiyota ışık düşmediğinde, bir LM339 karşılaştırıcısının pin6'sında (ters giriş) yüksek potansiyel ile sonuçlanır. Işık bu diyotun üzerine düştüğünde, akımın diyot boyunca beslenmesine izin verir ve böylece voltaj düşer. Karşılaştırıcının pin7'si (ters çevirmeyen giriş), karşılaştırıcının referans voltajını ayarlamak için bir VR2'ye (değişken direnç) bağlanır.

Burada, bir karşılaştırıcı, karşılaştırıcının ters çevirmeyen girişi, ters çevirme girişine kıyasla yüksek olduğunda çalışır, ardından çıkışı yüksek kalır. Böylece pin-1 gibi IC'nin çıkış pini ışık yayan bir diyota bağlanır. Burada referans voltajı, bir eşik aydınlatmasına karşılık gelecek şekilde bir VR1 ön ayarı boyunca ayarlanır. Çıkışta, fotodiyot üzerine ışık düştüğünde LED yanacaktır. Böylece, evirici giriş, evirmeyen girişteki referans setine kıyasla daha düşük bir değere düşer. Böylece çıkış, ışık yayan diyoda gereken ileri yönlü eğilimi sağlamaya gider.

Fotodetektör ve Fotodiyot

Fotodedektör ve fotodiyot arasındaki fark aşağıdakileri içerir.

Fotodedektörün Kuantum Verimliliği

Fotodetektörün kuantum verimliliği, fotoiletken tarafından absorbe edilen gelen fotonların üretilen elektronlara oranı olarak tanımlanabilir ve dedektör terminalinde toplanır.

Kuantum verimliliği 'η' ile gösterilebilir

Kuantum Verimliliği (η) = Üretilen elektronlar/Toplam gelen foton sayısı

Böylece,

η = (Akım/ Bir elektronun yükü)/(Toplam gelen fotonun optik gücü/ Foton enerjisi)

Yani matematiksel olarak, şöyle olacak

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Avantajlar ve dezavantajlar

Fotodedektörün avantajları aşağıdakileri içerir.

• Fotodetektörlerin boyutu küçüktür.
• Algılama hızı hızlıdır.
• Algılama etkinliği yüksektir.
• Daha az gürültü üretirler.
• Bunlar pahalı, kompakt ve hafif değildir.
• Uzun bir ömürleri vardır.
• Yüksek kuantum verimliliğine sahiptirler.
• Yüksek voltaj gerektirmez.

bu fotodedektörün dezavantajları aşağıdakileri dahil edin.

• Çok düşük hassasiyete sahiptirler.
• İç kazançları yoktur.
• Tepki süresi çok yavaş.
• Bu dedektörün aktif alanı küçüktür.
• Akım içindeki değişim son derece küçüktür, bu nedenle devreyi sürmek için yeterli olmayabilir.
• Ofset voltajı gerektirir.

Fotodedektörlerin Uygulamaları

Fotodetektör uygulamaları aşağıdakileri içerir.

• Fotodedektörler, süpermarketlerdeki otomatik kapılardan evinizdeki TV uzaktan kumandalarına kadar farklı uygulamalarda kullanılmaktadır.
• Bunlar, ışığı tam olarak elektrik sinyallerine dönüştürme yeteneğine sahip optik iletişim, güvenlik, gece görüşü, video görüntüleme, biyomedikal görüntüleme, hareket algılama ve gaz algılamada kullanılan temel önemli bileşenlerdir.
• Bunlar optik gücü ve ışık akısını ölçmek için kullanılır
• Bunlar esas olarak farklı mikroskop ve optik sensör tasarımlarında kullanılır.
• Bunlar, lazer telemetreler için önemlidir.
• Bunlar normalde frekans metrolojisinde, fiber optik iletişimde vb. kullanılır.
• Fotometri ve radyometrideki fotodetektörler, optik güç, optik yoğunluk, ışınım ve ışık akısı gibi farklı özellikleri ölçmek için kullanılır.
• Bunlar, spektrometreler, optik veri depolama cihazları, ışık bariyerleri, ışın profilleyiciler, flüoresans mikroskopları, otokorelatörler, interferometreler ve farklı optik sensörler içindeki optik gücü ölçmek için kullanılır.
• Bunlar LIDAR, lazer telemetreler, gece görüş cihazları ve kuantum optik deneyleri için kullanılır.
• Bunlar, optik frekans metrolojisinde, optik fiber iletişimde ve ayrıca lazer gürültüsü veya darbeli lazerlerin sınıflandırılması için geçerlidir.
• Birkaç özdeş foto dedektöre sahip iki boyutlu diziler, çoğunlukla odak düzlemi dizileri olarak ve sıklıkla görüntüleme uygulamaları için kullanılır.

Bir fotodedektör ne için kullanılır?

Fotodedektörler, ışığın foton enerjisini elektrik sinyaline dönüştürmek için kullanılır.

Bir fotodedektörün özellikleri nelerdir?

Fotodetektörlerin özellikleri, ışığa duyarlılık, spektral yanıt, kuantum verimliliği, ileri taraflı gürültü, karanlık akım, gürültü eşdeğeri güç, zamanlama yanıtı, terminal kapasitansı, kesme frekansı ve frekans bant genişliğidir.

Bir fotodedektörün gereksinimleri nelerdir?

Fotodetektörlerin gereksinimleri; kısa yanıt süreleri, en az gürültü katkısı, güvenilirlik, yüksek hassasiyet, geniş bir ışık yoğunluğu aralığında doğrusal yanıt, düşük ön gerilim, düşük maliyet ve performans kararlılığı özellikleri.

Optik dedektörlerin özelliklerinde ne kullanılır?

Optik dedektörlerin spesifikasyonunda gürültü eşdeğer gücü kullanılır, çünkü belirli bir bant genişliği için bu gürültü gücüne eşit ekstra bir çıkış gücü üreten optik giriş gücüdür.

Kuantum verimi ve kuantum verimliliği aynı mıdır?

Kuantum verimi ve kuantum verimliliği aynı değildir, çünkü bir foton emildikten sonra yayılan bir fotonun olasılığı kuantum verimidir, oysa kuantum verimliliği, sisteme enerji verildikten sonra bir fotonun yayılması olasılığıdır.

Böylece, bu bir fotodetektöre genel bakış – uygulamalarla çalışmak. Bu cihazlar dahili ve harici fotoelektrik etkiye dayalıdır, bu nedenle esas olarak ışığın algılanması için kullanılır. İşte size bir soru, neler var? optik dedektörler ?