El fotodetector es un componente esencial en un receptor óptico que convierte la señal óptica entrante en una señal eléctrica. Los fotodetectores de semiconductores generalmente se denominan fotodiodos porque estos son los principales tipos de fotodetectores utilizados en óptica. sistemas de comunicación debido a su rápida velocidad de detección, alta eficiencia de detección y tamaño pequeño. En la actualidad, los fotodetectores se utilizan ampliamente en la electrónica industrial, las comunicaciones electrónicas, la medicina y la atención sanitaria, los equipos analíticos, la automoción y el transporte, y muchos más. Estos también se conocen como fotosensores y sensores de luz. Por lo tanto, este artículo analiza una descripción general de un fotodetector – trabajar con aplicaciones.
¿Qué es Fotodetector?
Una definición de fotodetector es; un dispositivo optoelectrónico que se utiliza para detectar la luz incidente o la potencia óptica para convertirla en una señal eléctrica se conoce como fotodetector. Normalmente, esta señal o/p es proporcional a la potencia óptica incidente. Estos sensores son absolutamente necesarios para diferentes implementaciones científicas como control de procesos, sistemas de comunicación de fibra óptica, seguridad, detección ambiental y también en aplicaciones de defensa. Ejemplos de fotodetectores son fototransistores y fotodiodos .
¿Cómo funciona el fotodetector?
El fotodetector simplemente funciona al detectar luz u otra radiación electromagnética o los dispositivos pueden recibir las señales ópticas transmitidas. Fotodetectores que utilizan semiconductores operar en la creación del par electrón-hueco según el principio de irradiación de luz.
Una vez que un material semiconductor se ilumina a través de fotones que tienen energías altas o equivalentes a su banda prohibida, los fotones absorbidos alientan a los electrones de la banda de valencia a moverse hacia la banda de conducción, dejando huecos dentro de la banda de valencia. Los electrones en la banda de conducción actúan como electrones libres (agujeros) que pueden dispersarse bajo el poder de un campo eléctrico intrínseco o aplicado externamente.
Los pares de huecos de electrones fotogenerados debido a la absorción óptica pueden recombinarse y volver a emitir luz a menos que se sometan a una separación mediada por un campo eléctrico para aumentar la fotocorriente, que es una fracción de los portadores de carga libres fotogenerados recibidos en los electrodos de la disposición del fotodetector. La magnitud de la fotocorriente a una longitud de onda específica es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente.
Propiedades
Las propiedades de los fotodetectores se analizan a continuación.
Respuesta espectral - Es la respuesta del fotodetector como una función de frecuencia de fotones.
Eficiencia cuántica - El número de portadores de carga generados por cada fotón.
Capacidad de respuesta - Es la corriente de salida separada por la potencia total de la luz que cae sobre el detector.
Potencia equivalente al ruido – Es la cantidad de potencia luminosa necesaria para generar una señal de tamaño equivalente al ruido del dispositivo.
Detective - La raíz cuadrada del área del detector separada por la potencia equivalente del ruido.
Ganar - Es la corriente de salida del fotodetector la que se divide por la corriente producida directamente por los fotones incidentes en los detectores.
Corriente oscura- El flujo de corriente a través de un detector incluso en la deficiencia de luz.
Tiempo de respuesta - Es el tiempo requerido para que un detector pase del 10 al 90% de la salida final.
Espectro de ruido – La corriente o voltaje de ruido intrínseco es una función de la frecuencia que se puede expresar en forma de densidad espectral de ruido.
No linealidad – La no linealidad del fotodetector limita la salida de RF.
Tipos de fotodetectores
Los fotodetectores se clasifican según el mecanismo de detección de la luz como el efecto fotoeléctrico o de fotoemisión, el efecto de polarización, el efecto térmico, la interacción débil o el efecto fotoquímico. Los diferentes tipos de fotodetectores incluyen principalmente un fotodiodo, un fotodetector MSM, un fototransistor, un detector fotoconductor, fototubos y fotomultiplicadores.
Fotodiodos
Estos son dispositivos semiconductores con una estructura de unión PIN o PN donde la luz se absorbe dentro de una región de agotamiento y produce una fotocorriente. Estos dispositivos son rápidos, altamente lineales, muy compactos y generan una alta eficiencia cuántica, lo que significa que genera casi un electrón por cada fotón incidente y un alto rango dinámico. Por favor, consulte este enlace para saber más sobre Fotodiodos .
Fotodetectores MSM
Los fotodetectores MSM (metal-semiconductor-metal) incluyen dos Schottky contactos en lugar de un Unión PN . Estos detectores son potencialmente más rápidos en comparación con los fotodiodos con anchos de banda de hasta cientos de GHz. Los detectores MSM permiten que los detectores de área muy grande se acoplen fácilmente con fibras ópticas sin degradar el ancho de banda.
fototransistor
El fototransistor es un tipo de fotodiodo que utiliza amplificación interna de la fotocorriente. Pero estos no se usan con frecuencia en comparación con los fotodiodos. Estos se utilizan principalmente para detectar señales de luz y convertirlas en señales eléctricas digitales. Estos componentes funcionan simplemente a través de la luz en lugar de la corriente eléctrica. Los fototransistores son de bajo costo y proporcionan una gran cantidad de ganancia, por lo que se utilizan en diversas aplicaciones. Por favor, consulte este enlace para saber más sobre fototransistores .
Detectores fotoconductores
Los detectores fotoconductores también se conocen como fotorresistores, fotocélulas y resistencias dependientes de la luz . Estos detectores están hechos con ciertos semiconductores como CdS (sulfuro de cadmio). Entonces, este detector incluye un material semiconductor con dos electrodos metálicos conectados para detectar la resistencia. Comparados con los fotodiodos, estos no son caros pero son bastante lentos, no extremadamente sensibles y exhiben una respuesta no lineal. Alternativamente, pueden reaccionar a la luz IR de longitud de onda larga. Los detectores fotoconductores se dividen en diferentes tipos según la función de las respuestas espectrales, como el rango de longitud de onda visible, el rango de longitud de onda del infrarrojo cercano y el rango de longitud de onda IR.
Fototubos
Los tubos llenos de gas o tubos de vacío que se utilizan como fotodetectores se conocen como fototubos. Un fototubo es un detector fotoemisivo que utiliza un efecto fotoeléctrico externo o efecto fotoemisivo. Estos tubos se vacían con frecuencia o se llenan a veces con gas a baja presión.
fotomultiplicador
Un fotomultiplicador es un tipo de fototubo que cambia los fotones incidentes en una señal eléctrica. Estos detectores utilizan un proceso de multiplicación de electrones para obtener una capacidad de respuesta mucho mayor. Tienen una gran área activa y alta velocidad. Hay diferentes tipos de fotomultiplicadores disponibles, como el tubo fotomultiplicador, el fotomultiplicador magnético, el fotomultiplicador electrostático y el fotomultiplicador de silicio.
Diagrama del circuito del fotodetector
El circuito del sensor de luz que usa un fotodetector se muestra a continuación. En este circuito, el fotodiodo se utiliza como fotodetector para detectar la existencia o no de luz. La sensibilidad de este sensor se puede ajustar simplemente usando el preajuste.
Los componentes requeridos de este circuito de sensor de luz incluyen principalmente un fotodiodo, LED, CI LM339 , Resistor, Preset, etc. Conecte el circuito según el diagrama de circuito que se muestra a continuación.
Laboral
Se utiliza un fotodiodo como fotodetector para generar corriente dentro del circuito una vez que la luz cae sobre él. En este circuito, el fotodiodo se usa en modo de polarización inversa a través de la resistencia R1. Por lo tanto, esta resistencia R1 no permite que se suministre demasiada corriente en todo el fotodiodo en caso de que caiga una gran cantidad de luz sobre el fotodiodo.
Cuando no cae luz sobre el fotodiodo, se produce un alto potencial en el pin 6 de un comparador LM339 (entrada inversora). Una vez que la luz cae sobre este diodo, permite que la corriente se suministre a través del diodo y, por lo tanto, el voltaje caerá a través de él. El pin7 (entrada no inversora) del comparador está conectado a un VR2 (resistencia variable) para establecer el voltaje de referencia del comparador.
Aquí, un comparador funciona cuando la entrada no inversora del comparador es alta en comparación con la entrada inversora, entonces su salida permanece alta. Entonces, el pin de salida de IC como pin-1 está conectado a un diodo emisor de luz. Aquí, el voltaje de referencia se establece a lo largo de un preajuste VR1 para que corresponda a una iluminación de umbral. En la salida, el LED se encenderá una vez que la luz caiga sobre el fotodiodo. Entonces, la entrada inversora cae a un valor más bajo en comparación con la referencia establecida en la entrada no inversora. Entonces, la salida suministra la polarización directa requerida al diodo emisor de luz.
Fotodetector vs Fotodiodo
La diferencia entre el fotodetector y el fotodiodo incluye lo siguiente.
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fotodetector |
Fotodiodo |
| El fotodetector es un fotosensor.
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Es un diodo semiconductor sensible a la luz.
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| El fotodetector no se utiliza con un amplificador para detectar la luz.
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El fotodiodo utiliza un amplificador para detectar niveles bajos de luz ya que permiten una corriente de fuga que cambia con la luz que incide sobre ellos. |
| Un fotodetector se fabrica simplemente con un semiconductor compuesto con una banda prohibida de 0,73 eV. | El fotodiodo se fabrica simplemente con dos semiconductores tipo P y tipo N.
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| Estos son más lentos que los fotodiodos. | Estos son más rápidos que los fotodetectores. |
| La respuesta del fotodetector no es más rápida en comparación con el fotodiodo.
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La respuesta del fotodiodo es mucho más rápida en comparación con el fotodetector. |
| Es más sensible. | Es menos sensible. |
| El fotodetector convierte la energía fotónica de la luz en una señal eléctrica. | Los fotodiodos convierten la energía de la luz y también detectan el brillo de la luz. |
| El rango de temperatura del fotodetector oscila entre 8K y 420 K. | La temperatura del fotodiodo oscila entre 27 °C y 550 °C. |
Eficiencia cuántica del fotodetector
La eficiencia cuántica del fotodetector se puede definir como la fracción de los fotones incidentes que se absorben a través del fotoconductor y los electrones producidos se recolectan en la terminal del detector.
La eficiencia cuántica se puede denotar con 'η'
Eficiencia cuántica (η) = Electrones generados/Número total de fotones incidentes
De este modo,
η = (Corriente/ Carga de un electrón)/(Potencia óptica total del fotón incidente/ Energía del fotón)
Así que matemáticamente, será como
η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)
Ventajas y desventajas
Las ventajas del fotodetector incluyen lo siguiente.
- Los fotodetectores son de tamaño pequeño.
- Su velocidad de detección es rápida.
- Su eficiencia de detección es alta.
- Generan menos ruido.
- No son caros, compactos y ligeros.
- Tienen una larga vida.
- Tienen una alta eficiencia cuántica.
- No requiere alto voltaje.
los desventajas del fotodetector Incluya lo siguiente.
- Tienen una sensibilidad muy baja.
- No tienen ganancia interna.
- El tiempo de respuesta es muy lento.
- El área activa de este detector es pequeña.
- El cambio dentro de la corriente es extremadamente pequeño, por lo que puede no ser adecuado para impulsar el circuito.
- Requiere voltaje compensado.
Aplicaciones de los fotodetectores
Las aplicaciones del fotodetector incluyen las siguientes.
- Los fotodetectores se utilizan en diferentes aplicaciones que van desde puertas automáticas en supermercados hasta controles remotos de TV dentro de su hogar.
- Estos son componentes significativos esenciales utilizados en comunicaciones ópticas, seguridad, visión nocturna, imágenes de video, imágenes biomédicas, detección de movimiento y detección de gas que tienen la capacidad de convertir la luz en señales eléctricas exactamente.
- Estos se utilizan para medir la potencia óptica y el flujo luminoso.
- Estos se utilizan principalmente en diferentes tipos de microscopios y diseños de sensores ópticos.
- Estos son importantes para los telémetros láser.
- Estos se utilizan normalmente en metrología de frecuencia, comunicación por fibra óptica, etc.
- Los fotodetectores en fotometría y radiometría se utilizan para medir diferentes propiedades, como la potencia óptica, la intensidad óptica, la irradiancia y el flujo luminoso.
- Se utilizan para medir la potencia óptica en espectrómetros, dispositivos de almacenamiento de datos ópticos, barreras de luz, perfiladores de haz, microscopios de fluorescencia, autocorreladores, interferómetros y diferentes tipos de sensores ópticos.
- Estos se utilizan para LIDAR, telémetros láser, dispositivos de visión nocturna y experimentos de óptica cuántica.
- Estos son aplicables en metrología de frecuencia óptica, comunicaciones de fibra óptica y también para la clasificación de ruido láser o láseres pulsados.
- Las matrices bidimensionales con varios fotodetectores idénticos se utilizan principalmente como matrices de plano focal y, con frecuencia, para aplicaciones de imágenes.
¿Para qué sirve un fotodetector?
Los fotodetectores se utilizan para convertir la energía fotónica de la luz en una señal eléctrica.
¿Cuáles son las características de un fotodetector?
Las características de los fotodetectores son fotosensibilidad, respuesta espectral, eficiencia cuántica, ruido de polarización directa, corriente oscura, potencia equivalente de ruido, respuesta de tiempo, capacitancia terminal, frecuencia de corte y ancho de banda de frecuencia.
¿Cuáles son los requisitos de un fotodetector?
Los requisitos de los fotodetectores son; tiempos de respuesta cortos, la menor contribución de ruido, confiabilidad, alta sensibilidad, respuesta lineal en una amplia gama de intensidades de luz, voltaje de polarización bajo, bajo costo y estabilidad de las características de rendimiento.
¿Qué se utiliza en la especificación de detectores ópticos?
La potencia equivalente de ruido se utiliza en la especificación de detectores ópticos porque es la potencia de entrada óptica la que genera una potencia de salida adicional que es igual a la potencia de ruido para un ancho de banda especificado.
¿El rendimiento cuántico y la eficiencia cuántica son lo mismo?
El rendimiento cuántico y la eficiencia cuántica no son lo mismo porque la probabilidad de que un fotón se emita una vez que se ha absorbido un fotón es el rendimiento cuántico, mientras que la eficiencia cuántica es la probabilidad de que se emita un fotón una vez que el sistema ha sido energizado a su condición de emisión.
Así, esto es una descripción general de un fotodetector – trabajar con aplicaciones. Estos dispositivos se basan en el efecto fotoeléctrico interno y externo, por lo que se utilizan principalmente para la detección de luz. Aquí hay una pregunta para ti, ¿cuáles son detectores ópticos ?
