Fotodetector: circuito, trabalho, tipos e suas aplicações

O fotodetector é um componente essencial em um receptor óptico que converte o sinal óptico de entrada em um sinal elétrico. Os fotodetectores semicondutores são geralmente chamados de fotodiodos porque são os principais tipos de fotodetectores utilizados em óptica. sistemas de comunicação devido à sua rápida velocidade de detecção, alta eficiência de detecção e tamanho pequeno. Atualmente, os fotodetectores são amplamente utilizados em eletrônicos industriais, comunicações eletrônicas, medicina e saúde, equipamentos analíticos, automotivos e de transporte e muito mais. Estes também são conhecidos como fotossensores e sensores de luz. Assim, este artigo discute uma visão geral de um fotodetector – trabalhando com aplicativos.

O que é Fotodetector?

Uma definição de fotodetector é; um dispositivo optoeletrônico que é usado para detectar a luz incidente ou a potência óptica para convertê-la em um sinal elétrico é conhecido como fotodetector. Normalmente, este sinal o/p é proporcional à potência óptica incidente. Esses sensores são absolutamente necessários para diferentes implementações científicas, como controle de processo, sistemas de comunicação por fibra óptica, segurança, detecção ambiental e também em aplicações de defesa. Exemplos de fotodetectores são fototransistores e fotodiodos .

Como funciona o fotodetector?

O fotodetector simplesmente funciona detectando luz ou outra radiação eletromagnética ou os dispositivos podem receber os sinais ópticos transmitidos. Fotodetectores que usam semicondutores operam na criação do par elétron-buraco segundo o princípio de irradiação de luz.

Uma vez que um material semicondutor é iluminado através de fótons que possuem energias altas ou equivalentes ao seu bandgap, os fótons absorvidos encorajam os elétrons da banda de valência a se moverem para a banda de condução, deixando para trás lacunas dentro da banda de valência. Os elétrons na banda de condução funcionam como elétrons livres (buracos) que podem se dispersar sob o poder de um campo elétrico intrínseco ou aplicado externamente.

Os pares elétron-buraco fotogerados devido à absorção óptica podem recombinar e reemitir luz, a menos que sejam submetidos a uma separação mediada por campo elétrico para aumentar a fotocorrente, que é uma fração dos portadores de carga livre fotogerados recebidos em os eletrodos do arranjo do fotodetector. A magnitude da fotocorrente em um comprimento de onda especificado é diretamente proporcional à intensidade da luz incidente.

Propriedades

As propriedades dos fotodetectores são discutidas abaixo.

Resposta Espectral - É a resposta do fotodetector como uma função de frequência de fótons.

Eficiência quântica - O número de portadores de carga gerados para cada fóton

Responsividade – É a corrente de saída separada pela potência total da queda de luz no detector.

Potência equivalente a ruído - É a quantidade necessária de potência de luz para gerar um sinal de tamanho equivalente ao ruído do dispositivo.

Detetive – A raiz quadrada da área do detector separada pela potência equivalente de ruído.

Ganho - É a corrente de saída do fotodetector que é dividida pela corrente produzida diretamente pelos fótons incidentes nos detectores.

Corrente Escura- O fluxo de corrente através de um detector mesmo na deficiência de luz.

Tempo de resposta - É o tempo necessário para um detector ir de 10 a 90% da saída final.

Espectro de Ruído - A corrente ou tensão intrínseca do ruído é uma função da frequência que pode ser representada na forma de densidade espectral do ruído.

Não-linearidade - A não linearidade do fotodetector limita a saída de RF.

Tipos de fotodetectores

Os fotodetectores são classificados com base no mecanismo de detecção de luz como o efeito fotoelétrico ou fotoemissão, efeito de polarização, efeito térmico, interação fraca ou efeito fotoquímico. Os diferentes tipos de fotodetectores incluem principalmente um fotodiodo, fotodetector MSM, fototransistor, detector fotocondutor, fototubos e fotomultiplicadores.

Fotodiodos

Estes são dispositivos semicondutores com uma estrutura de junção PIN ou PN onde a luz é absorvida dentro de uma região de depleção e produz uma fotocorrente. Esses dispositivos são rápidos, altamente lineares, muito compactos e geram uma alta eficiência quântica, o que significa que gera quase um elétron para cada fóton incidente e uma alta faixa dinâmica. Por favor, consulte este link para saber mais sobre Fotodiodos .

Fotodetectores MSM

Os fotodetectores MSM (metal-semicondutor-metal) incluem dois escocês contatos em vez de um Junção PN . Esses detectores são potencialmente mais rápidos em comparação com fotodiodos com largura de banda de até centenas de GHz. Os detectores MSM permitem que os detectores de áreas muito grandes facilitem o acoplamento com fibras ópticas sem degradação da largura de banda.

Fototransistor

O fototransistor é um tipo de fotodiodo que usa amplificação interna da fotocorrente. Mas estes não são usados ​​com frequência em comparação com os fotodiodos. Estes são usados ​​principalmente para detectar sinais de luz e transformá-los em sinais elétricos digitais. Esses componentes são simplesmente operados por meio de luz em vez de corrente elétrica. Os fototransistores são de baixo custo e fornecem uma grande quantidade de ganho, por isso são usados ​​em várias aplicações. Por favor, consulte este link para saber mais sobre fototransistores .

Detectores fotocondutores

Os detectores fotocondutores também são conhecidos como fotoresistores, fotocélulas e resistores dependentes de luz . Esses detectores são feitos com certos semicondutores como CdS (sulfeto de cádmio). Portanto, este detector inclui um material semicondutor com dois eletrodos metálicos conectados para detectar a resistência. Comparados aos fotodiodos, eles não são caros, mas são bastante lentos, não são extremamente sensíveis e exibem uma resposta não linear. Alternativamente, eles podem reagir à luz infravermelha de comprimento de onda longo. Os detectores fotocondutores são separados em diferentes tipos com base na função das responsividades espectrais, como a faixa de comprimento de onda visível, faixa de comprimento de onda do infravermelho próximo e faixa de comprimento de onda IR.

fototubos

Os tubos cheios de gás ou tubos de vácuo que são usados ​​como fotodetectores são conhecidos como fototubos. Um fototubo é um detector fotoemissivo que usa um efeito fotoelétrico externo ou efeito fotoemissivo. Esses tubos são freqüentemente evacuados ou às vezes preenchidos com gás a baixa pressão.

fotomultiplicador

Um fotomultiplicador é um tipo de fototubo que transforma os fótons incidentes em um sinal elétrico. Esses detectores usam um processo de multiplicação de elétrons para obter uma responsividade muito maior. Eles têm uma grande área ativa e alta velocidade. Existem diferentes tipos de fotomultiplicadores disponíveis, como tubo fotomultiplicador, fotomultiplicador magnético, fotomultiplicador eletrostático e fotomultiplicador de silício.

Diagrama do Circuito do Fotodetector

O circuito do sensor de luz usando um fotodetector é mostrado abaixo. Neste circuito, o fotodiodo é utilizado como um fotodetector para detectar a existência ou não de luz. A sensibilidade deste sensor pode ser simplesmente ajustada usando a predefinição.

Os componentes necessários deste circuito sensor de luz incluem principalmente um fotodiodo, LED, IC LM339 , Resistor, Preset, etc. Conecte o circuito de acordo com o diagrama de circuito mostrado abaixo.

Trabalhando

Um fotodiodo é usado como um fotodetector para gerar corrente dentro do circuito quando a luz incide sobre ele. Neste circuito, o fotodiodo é usado no modo de polarização reversa através do resistor R1. Portanto, este resistor R1 não permite que muita corrente seja fornecida ao longo do fotodiodo, caso uma grande quantidade de luz caia no fotodiodo.

Quando nenhuma luz incide no fotodiodo, isso resulta em alto potencial no pino 6 de um comparador LM339 (entrada inversora). Uma vez que a luz incide sobre este diodo, ela permite que a corrente seja fornecida por todo o diodo e, portanto, a tensão cairá através dele. O pino 7 (entrada não inversora) do comparador é conectado a um VR2 (resistor variável) para definir a tensão de referência do comparador.

Aqui, um comparador funciona quando a entrada não inversora do comparador é alta em comparação com a entrada inversora, então sua saída permanece alta. Portanto, o pino de saída do IC, como o pino 1, está conectado a um diodo emissor de luz. Aqui, a tensão de referência é definida ao longo de uma predefinição VR1 para corresponder a uma iluminação limite. Na saída, o LED será ligado assim que a luz incidir sobre o fotodiodo. Assim, a entrada inversora cai para um valor menor em relação à referência definida na entrada não inversora. Assim, a saída vai fornecer a polarização direta necessária para o diodo emissor de luz.

Fotodetector vs Fotodiodo

A diferença entre fotodetector e fotodiodo inclui o seguinte.

Eficiência Quântica do Fotodetector

A eficiência quântica do fotodetector pode ser definida como a fração dos fótons incidentes que são absorvidos pelo fotocondutor para que os elétrons produzidos sejam coletados no terminal do detector.

A eficiência quântica pode ser denotada com 'η'

Eficiência quântica (η) = Elétrons gerados/Número total de fótons incidentes

Desta forma,

η = (Corrente/ Carga de um elétron)/(Potência óptica total do fóton incidente/ Energia do fóton)

Então, matematicamente, será como

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Vantagens e desvantagens

As vantagens do fotodetector incluem o seguinte.

• Fotodetectores são pequenos em tamanho.
• Sua velocidade de detecção é rápida.
• Sua eficiência de detecção é alta.
• Geram menos ruído.
• Estes não são caros, compactos e leves.
• Eles têm uma longa vida útil.
• Eles têm alta eficiência quântica.
• Não requer alta tensão.

o Desvantagens do fotodetector inclui o seguinte.

• Eles têm uma sensibilidade muito baixa.
• Eles não têm ganho interno.
• O tempo de resposta é muito lento.
• A área ativa deste detector é pequena.
• A mudança dentro da corrente é extremamente pequena, então pode não ser adequada para conduzir o circuito.
• Requer tensão de compensação.

Aplicações de fotodetectores

As aplicações do fotodetector incluem o seguinte.

• Os fotodetectores são usados ​​em diferentes aplicações, desde portas automáticas em supermercados até controles remotos de TV em sua casa.
• Estes são componentes significativos essenciais usados ​​em comunicações ópticas, segurança, visão noturna, imagens de vídeo, imagens biomédicas, detecção de movimento e detecção de gás, que têm a capacidade de transformar exatamente a luz em sinais elétricos.
• Estes são usados ​​para medir a potência óptica e o fluxo luminoso
• Estes são usados ​​principalmente em diferentes tipos de projetos de microscópio e sensor óptico.
• Estes são significativos para telêmetros a laser.
• Estes são normalmente usados ​​em metrologia de frequência, comunicação de fibra óptica, etc.
• Os fotodetectores em fotometria e radiometria são usados ​​para medir diferentes propriedades, como potência óptica, intensidade óptica, irradiância e fluxo luminoso.
• Estes são usados ​​para medir a potência óptica em espectrômetros, dispositivos de armazenamento de dados ópticos, barreiras de luz, perfis de feixe, microscópios de fluorescência, autocorreladores, interferômetros e diferentes tipos de sensores ópticos.
• Estes são usados ​​para LIDAR, telêmetros a laser, dispositivos de visão noturna e experimentos de óptica quântica.
• Estes são aplicáveis ​​em metrologia de frequência óptica, comunicações de fibra óptica e também para a classificação de ruído de laser ou lasers pulsados.
• As matrizes bidimensionais com vários fotodetectores idênticos são usadas principalmente como matrizes de plano focal e frequentemente para aplicações de imagem.

Para que serve um fotodetector?

Os fotodetectores são usados ​​para converter a energia do fóton da luz em um sinal elétrico.

Quais são as características de um fotodetector?

As características dos fotodetectores são fotossensibilidade, resposta espectral, eficiência quântica, ruído de polarização direta, corrente escura, potência equivalente a ruído, resposta de temporização, capacitância terminal, frequência de corte e largura de banda de frequência.

Quais são os requisitos de um fotodetector?

Os requisitos dos fotodetectores são; tempos de resposta curtos, a menor contribuição de ruído, confiabilidade, alta sensibilidade, resposta linear em uma ampla faixa de intensidades de luz, baixa tensão de polarização, baixo custo e estabilidade das características de desempenho.

O que é usado na especificação de detectores ópticos?

A potência equivalente de ruído é usada na especificação de detectores ópticos porque é a potência óptica de entrada que gera uma potência de saída extra igual à potência de ruído para uma largura de banda especificada.

O rendimento quântico e a eficiência quântica são iguais?

O rendimento quântico e a eficiência quântica não são os mesmos porque a probabilidade de um fóton ser emitido uma vez que um fóton foi absorvido é o rendimento quântico, enquanto a eficiência quântica é a probabilidade de um fóton ser emitido uma vez que o sistema foi energizado para sua condição de emissão.

Assim, este é uma visão geral de um fotodetector – trabalhando com aplicativos. Esses dispositivos são baseados no efeito fotoelétrico interno e externo, portanto, usados ​​principalmente para a detecção de luz. Aqui está uma pergunta para você, quais são detectores ópticos ?