Photodetector : Circuit, Paggana, Mga Uri at Mga Aplikasyon Nito

Ang photodetector ay isang mahalagang bahagi sa isang optical receiver na nagko-convert ng papasok na optical signal sa isang electrical signal. Ang mga semiconductor photodetector ay karaniwang tinatawag na photodiodes dahil ito ang mga pangunahing uri ng photodetector na ginagamit sa optical mga sistema ng komunikasyon dahil sa kanilang mabilis na bilis ng pagtuklas, mataas na kahusayan sa pagtuklas at maliit na sukat. Sa kasalukuyan, ang mga photodetector ay malawakang ginagamit sa pang-industriyang electronics, elektronikong komunikasyon, gamot at pangangalagang pangkalusugan, kagamitang pang-analytical, automotive at transportasyon, at marami pa. Ang mga ito ay kilala rin bilang mga photosensor at sensor ng liwanag. Kaya, tinatalakay ng artikulong ito ang isang pangkalahatang-ideya ng a photodetector – nagtatrabaho sa mga aplikasyon.

Ano ang Photodetector?

Ang kahulugan ng photodetector ay; Ang isang optoelectronic na aparato na ginagamit upang makita ang ilaw ng insidente o optical power upang i-convert ito sa isang electrical signal ay kilala bilang isang photodetector. Karaniwan, ang signal ng o/p na ito ay proporsyonal sa optical power ng insidente. Ang mga sensor na ito ay ganap na kailangan para sa iba't ibang mga siyentipikong pagpapatupad tulad ng kontrol sa proseso, fiber optic na mga sistema ng komunikasyon, kaligtasan, kapaligiran sensing at gayundin sa mga application ng pagtatanggol. Ang mga halimbawa ng photodetector ay mga phototransistor at photodiodes .

Paano Gumagana ang Photodetector?

Gumagana lang ang Photodetector sa pamamagitan ng pag-detect ng liwanag o iba pang electromagnetic radiation o mga device na maaaring sa pamamagitan ng pagtanggap ng ipinadalang optical signal. Mga photodetector na gumagamit semiconductor gumana sa paglikha ng pares ng electron-hole sa prinsipyo ng light irradiation.

Kapag ang materyal na semiconductor ay naiilaw sa pamamagitan ng mga photon na may mataas o katumbas na enerhiya sa bandgap nito, pagkatapos ay hinihikayat ng mga na-absorb na photon ang mga electron ng valence band na lumipat sa conduction band, kaya nag-iiwan ng mga butas sa loob ng valence band. Ang mga electron sa conduction band ay gumaganap bilang mga libreng electron (butas) na maaaring maghiwa-hiwalay sa ilalim ng kapangyarihan ng isang intrinsic o panlabas na inilapat na electric field.

Ang photo-generated electron-hole pairs dahil sa optical absorption ay maaaring muling pagsamahin at muling maglabas ng liwanag maliban kung sumailalim sa isang electric field-mediated separation upang magbigay ng pagtaas sa isang photocurrent, na isang fraction ng photo-generated na libreng charge carrier na natanggap sa ang mga electrodes ng pag-aayos ng photodetector. Ang photocurrent magnitude sa isang tinukoy na wavelength ay direktang proporsyonal sa intensity ng liwanag ng insidente.

Ari-arian

Ang mga katangian ng photodetector ay tinalakay sa ibaba.

Spectral na Tugon - Ito ang tugon ng photodetector bilang isang function ng dalas ng photon.

Quantum Efficiency – Ang bilang ng mga charge carrier na nabuo para sa bawat photon

Responsibilidad – Ito ang kasalukuyang output na pinaghihiwalay ng kabuuang lakas ng pagbagsak ng liwanag sa detektor.

Power na katumbas ng ingay - Ito ang kinakailangang halaga ng light power upang makabuo ng signal na katumbas ng laki sa ingay ng device.

Deteksyon – Ang parisukat na ugat ng lugar ng detektor na pinaghihiwalay ng katumbas na lakas ng ingay.

Makakuha - Ito ang kasalukuyang output ng photo detector na nahahati sa direktang ginawang kasalukuyang ng mga photon ng insidente sa mga detector.

Madilim na Agos- Ang daloy ng kasalukuyang sa buong isang detektor kahit na sa kakulangan ng liwanag.

Oras ng pagtugon - Ito ay ang kinakailangang oras para sa isang detector upang pumunta mula sa 10 - 90% ng huling output.

Spectrum ng Ingay - Ang intrinsic na ingay na kasalukuyang o boltahe ay isang function ng dalas na maaaring ipahiwatig sa isang ingay na parang spectral density form.

Nonlinearity - Nililimitahan ng nonlinearity ng photo detector ang RF output.

Mga Uri ng Photodetector

Inuri ang mga photodetector batay sa mekanismo ng pagtuklas ng liwanag tulad ng photoelectric o photoemission effect, polarization effect, thermal effect, mahinang interaksyon, o photochemical effect. Ang iba't ibang uri ng photodetector ay pangunahing kasama ang isang photodiode, MSM photodetector, phototransistor, photoconductive detector, phototube at Photomultiplier.

Photodiodes

Ito ay mga semiconductor device na may PIN o PN junction structure kung saan na-absorb ang liwanag sa loob ng depletion region at gumagawa ng photocurrent. Ang mga device na ito ay mabilis, napaka-linear, napaka-compact at bumubuo ng mataas na quantum efficiency na nangangahulugang bumubuo ito ng halos isang electron para sa bawat insidente ng photon at isang mataas na dynamic range. Mangyaring sumangguni sa link na ito upang malaman ang higit pa tungkol sa Photodiodes .

Mga MSM Photodetector

Kasama sa mga photodetector ng MSM (Metal–semiconductor–metal) ang dalawa Schottky mga contact sa halip na a PN junction . Ang mga detector na ito ay potensyal na mas mabilis kumpara sa mga photodiode na may hanggang sa daan-daang GHz bandwidth. Ang mga MSM detector ay nagbibigay-daan sa napakalaking area detector na gumawa ng madaling pagkabit sa mga optical fiber nang walang bandwidth na nagpapababa.

Phototransistor

Ang phototransistor ay isang uri ng photodiode na gumagamit ng internal amplification ng photocurrent. Ngunit ang mga ito ay hindi madalas na ginagamit kumpara sa mga photodiode. Pangunahing ginagamit ang mga ito para sa pag-detect ng mga light signal at baguhin ang mga ito sa mga digital electrical signal. Ang mga sangkap na ito ay pinapatakbo lamang sa pamamagitan ng liwanag kaysa sa electric current. Ang mga phototransistor ay mura at nagbibigay ng malaking halaga ng kita, kaya ginagamit ang mga ito sa iba't ibang mga aplikasyon. Mangyaring sumangguni sa link na ito upang malaman ang higit pa tungkol sa mga phototransistor .

Mga Photoconductive Detector

Ang mga photoconductive detector ay kilala rin bilang mga photoresistor, photocell at mga resistor na umaasa sa liwanag . Ang mga detektor na ito ay ginawa gamit ang ilang partikular na semiconductors tulad ng CdS (cadmium sulfide). Kaya ang detektor na ito ay may kasamang materyal na semiconductor na may dalawang konektadong metal na mga electrodes para sa pag-detect ng paglaban. Kung ikukumpara sa mga photodiode, hindi mahal ang mga ito ngunit medyo mabagal, hindi masyadong sensitibo at nagpapakita ng hindi linear na tugon. Bilang kahalili, maaari silang mag-react sa long-wavelength IR light. Ang mga photoconductive detector ay pinaghihiwalay sa iba't ibang uri batay sa paggana ng mga spectral na responsibilidad tulad ng nakikitang wavelength range, near-infrared wavelength range, at IR wavelength range.

Mga Phototube

Ang mga gas-filled tube o vacuum tubes na ginagamit bilang photodetector ay kilala bilang phototubes. Ang isang phototube ay isang photoemissive detector na gumagamit ng panlabas na photoelectric effect o photoemissive effect. Ang mga tubo na ito ay madalas na inililikas o napupuno minsan ng gas sa mababang presyon.

Photomultiplier

Ang photomultiplier ay isang uri ng phototube na nagpapalit ng mga photon ng insidente sa isang electrical signal. Gumagamit ang mga detektor na ito ng proseso ng pagpaparami ng elektron upang makakuha ng mas mataas na responsibilidad. Mayroon silang malaking aktibong lugar at mataas na bilis. Mayroong iba't ibang uri ng photomultiplier na available tulad ng Photomultiplier tube, Magnetic photomultiplier, Electrostatic photomultiplier, at Silicon photomultiplier.

Photodetector Circuit Diagram

Ang circuit ng light sensor gamit ang isang photodetector ay ipinapakita sa ibaba. Sa circuit na ito, ang photodiode ay ginagamit bilang isang photodetector upang makita ang pagkakaroon o kawalan ng liwanag. Ang sensitivity ng sensor na ito ay maaaring i-adjust sa pamamagitan ng paggamit ng preset.

Ang mga kinakailangang bahagi ng circuit ng light sensor na ito ay pangunahing kasama ang isang photodiode, LED, LM339 IC , Resistor, Preset, atbp. Ikonekta ang circuit ayon sa circuit diagram na ipinapakita sa ibaba.

Nagtatrabaho

Ang isang photodiode ay ginagamit bilang isang photodetector upang makabuo ng kasalukuyang sa loob ng circuit kapag bumagsak ang ilaw dito. Sa circuit na ito, ang photodiode ay ginagamit sa reverse bias mode sa pamamagitan ng R1 risistor. Kaya't ang R1 na risistor na ito ay hindi nagpapahintulot ng masyadong maraming kasalukuyang ibigay sa buong photodiode kung sakaling ang isang malaking halaga ng ilaw ay bumaba sa photodiode.

Kapag walang ilaw na bumagsak sa photodiode, nagreresulta ito sa mataas na potensyal sa pin6 ng isang LM339 comparator (inverting input). Sa sandaling bumagsak ang ilaw sa diode na ito, pinapayagan nito ang kasalukuyang supply sa buong diode at sa gayon ay bababa ang boltahe dito. Ang pin7 (non-inverting input) ng comparator ay konektado sa isang VR2 (variable resistor) upang itakda ang reference na boltahe ng comparator.

Dito, gumagana ang isang comparator kapag ang non-inverting input ng comparator ay mataas kumpara sa inverting input at ang output nito ay nananatiling mataas. Kaya ang output pin ng IC tulad ng pin-1 ay konektado sa isang light emitting diode. Dito, ang reference na boltahe ay nakatakda sa kabuuan ng isang VR1 preset upang tumugma sa isang threshold na pag-iilaw. Sa output, ang LED ay bubuksan sa sandaling bumagsak ang ilaw sa photodiode. Kaya, ang inverting input ay bumaba sa isang mas mababang halaga kumpara sa reference set sa non-inverting input. Kaya, ang output ay napupunta sa pagbibigay ng kinakailangang pasulong na bias sa light-emitting diode.

Photodetector kumpara sa Photodiode

Ang pagkakaiba sa pagitan ng photodetector at photodiode ay kinabibilangan ng mga sumusunod.

Quantum Efficiency ng Photodetector

Ang kahusayan ng quantum ng photodetector ay maaaring tukuyin bilang ang bahagi ng mga photon ng insidente na nasisipsip sa pamamagitan ng photoconductor sa mga electron na ginawa ay kinokolekta sa terminal ng detektor.

Ang kahusayan ng kabuuan ay maaaring tukuyin ng 'η'

Quantum Efficiency (η) = Mga nabuong electron/Kabuuang bilang ng mga photon ng insidente

kaya,

η = (Kasalukuyan/ Charge ng isang electron)/(Kabuuang insidente ng optical power ng photon/ Photon energy)

Kaya mathematically, ito ay magiging tulad ng

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Mga Kalamangan at Kahinaan

Ang mga bentahe ng photodetector ay kinabibilangan ng mga sumusunod.

• Maliit ang laki ng mga photodetector.
• Ang bilis ng pagtuklas nito ay mabilis.
• Ang kahusayan sa pagtuklas nito ay mataas.
• Gumagawa sila ng mas kaunting ingay.
• Ang mga ito ay hindi mahal, compact at magaan.
• Sila ay may mahabang buhay.
• Mayroon silang mataas na kahusayan sa kabuuan.
• Hindi ito nangangailangan ng mataas na boltahe.

Ang disadvantages ng photodetector isama ang mga sumusunod.

• Mayroon silang napakababang sensitivity.
• Wala silang panloob na pakinabang.
• Ang oras ng pagtugon ay napakabagal.
• Ang aktibong lugar ng detector na ito ay maliit.
• Ang pagbabago sa loob ng kasalukuyang ay napakaliit, kaya maaaring hindi sapat upang himukin ang circuit.
• Nangangailangan ito ng offset na boltahe.

Mga aplikasyon ng Photodetector

Ang mga aplikasyon ng photodetector ay kinabibilangan ng mga sumusunod.

• Ginagamit ang mga photodetector sa iba't ibang mga application na mula sa mga awtomatikong pinto sa mga supermarket hanggang sa mga remote controller ng TV sa loob ng iyong tahanan.
• Ito ay mga mahahalagang mahahalagang bahagi na ginagamit sa mga optical na komunikasyon, seguridad, night-vision, video imaging, biomedical imaging, motion detection at gas sensing na may kakayahang baguhin ang liwanag sa mga electrical signal nang eksakto.
• Ginagamit ang mga ito para sa pagsukat ng optical power at luminous flux
• Pangunahing ginagamit ang mga ito sa iba't ibang uri ng disenyo ng mikroskopyo at optical-sensor.
• Mahalaga ang mga ito para sa mga laser rangefinder.
• Ang mga ito ay karaniwang ginagamit sa frequency metrology, optical-fiber communication, atbp.
• Ginagamit ang mga photodetector sa photometry at radiometry upang sukatin ang iba't ibang katangian tulad ng optical power, optical intensity, irradiance at luminous flux.
• Ginagamit ang mga ito para sa pagsukat ng optical power sa loob ng mga spectrometer, optical data storage device, light barrier, beam profiler, fluorescence microscope, autocorrelator, interferometer at iba't ibang uri ng optical sensor.
• Ginagamit ang mga ito para sa LIDAR, laser rangefinder, night vision device, at mga eksperimento sa quantum optics.
• Ang mga ito ay naaangkop sa optical frequency metrology, optical fiber communications at para din sa pag-uuri ng laser noise o pulsed lasers.
• Ang dalawang-dimensional na array na may ilang magkaparehong photo detector ay pangunahing ginagamit bilang focal plane arrays at madalas para sa mga application ng imaging.

Ano ang gamit ng photodetector?

Ang mga photodetector ay ginagamit para sa pag-convert ng enerhiya ng photon ng liwanag sa isang electrical signal.

Ano ang mga katangian ng isang photodetector?

Ang mga katangian ng mga photodetector ay photosensitivity, spectral response, quantum efficiency, forward-biased noise, dark current, noise equivalent power, timing response, terminal capacitance, cutoff frequency at frequency bandwidth.

Ano ang mga kinakailangan ng isang photodetector?

Ang mga kinakailangan ng photodetector ay; maikling mga oras ng pagtugon, ang pinakamababang kontribusyon sa ingay, pagiging maaasahan, mataas na sensitivity, linear na pagtugon sa isang malawak na hanay ng mga light intensity, mababang bias na boltahe, mababang gastos at katatagan ng mga katangian ng pagganap.

Ano ang ginagamit sa pagtutukoy ng mga optical detector?

Ginagamit ang katumbas na lakas ng ingay sa detalye ng mga optical detector dahil ito ang optical input power na bumubuo ng dagdag na output power na katumbas ng noise power na iyon para sa isang tinukoy na bandwidth.

Pareho ba ang quantum yield at quantum efficiency?

Ang quantum yield at quantum efficiency ay hindi pareho dahil ang probabilidad ng photon na naglalabas kapag ang isang photon ay na-absorb ay ang quantum yield samantalang ang quantum efficiency ay ang probabilidad na ang isang photon ay na-emit kapag ang system ay na-energize sa kanyang emitting condition.

Kaya, ito ay isang pangkalahatang-ideya ng isang photodetector – nagtatrabaho sa mga aplikasyon. Ang mga device na ito ay batay sa panloob at panlabas na photoelectric effect, kaya pangunahing ginagamit para sa pagtuklas ng liwanag. Narito ang isang tanong para sa iyo, ano ang mga optical detector ?