Fotorilevatore: circuito, funzionamento, tipi e sue applicazioni

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Il fotorilevatore è un componente essenziale in un ricevitore ottico che converte il segnale ottico in ingresso in un segnale elettrico. I fotorivelatori a semiconduttore sono solitamente chiamati fotodiodi perché questi sono i principali tipi di fotorilevatori utilizzati in ottica sistemi di comunicazione grazie alla loro rapida velocità di rilevamento, elevata efficienza di rilevamento e dimensioni ridotte. Al momento, i fotorivelatori sono ampiamente utilizzati nell'elettronica industriale, nelle comunicazioni elettroniche, nella medicina e nella sanità, nelle apparecchiature analitiche, nel settore automobilistico e dei trasporti e molti altri. Questi sono anche noti come fotosensori e sensori di luce. Quindi, questo articolo discute una panoramica di a fotorilevatore – lavorare con le applicazioni.


Cos'è il fotorilevatore?

Una definizione di fotorilevatore è; un dispositivo optoelettronico utilizzato per rilevare la luce incidente o la potenza ottica per convertirla in un segnale elettrico è noto come fotorilevatore. Di solito, questo segnale o/p è proporzionale alla potenza ottica incidente. Questi sensori sono assolutamente necessari per diverse implementazioni scientifiche come controllo di processo, sistemi di comunicazione in fibra ottica, sicurezza, rilevamento ambientale e anche in applicazioni di difesa. Esempi di fotorivelatori sono fototransistor e fotodiodi .



  Fotorilevatore
Fotorilevatore

Come funziona il fotorilevatore?

Il fotorilevatore funziona semplicemente rilevando la luce o altre radiazioni elettromagnetiche o i dispositivi possono ricevere i segnali ottici trasmessi. Fotorivelatori che utilizzano semiconduttori operare sulla creazione della coppia elettrone-lacuna secondo il principio dell'irradiazione della luce.

Una volta che un materiale semiconduttore viene illuminato attraverso fotoni che hanno energie elevate o equivalenti al suo bandgap, i fotoni assorbiti incoraggiano gli elettroni della banda di valenza a spostarsi nella banda di conduzione, lasciando così dei buchi all'interno della banda di valenza. Gli elettroni nella banda di conduzione si comportano come elettroni liberi (lacune) che possono disperdersi sotto la potenza di un campo elettrico intrinseco o applicato esternamente.



Le coppie elettrone-lacuna fotogenerate a causa dell'assorbimento ottico possono ricombinarsi e riemettere luce a meno che non siano sottoposte a una separazione mediata dal campo elettrico per dare un aumento a una fotocorrente, che è una frazione dei portatori di carica gratuiti fotogenerati ricevuti a gli elettrodi della disposizione del fotorivelatore. L'intensità della fotocorrente a una lunghezza d'onda specificata è direttamente proporzionale all'intensità della luce incidente.

Proprietà

Le proprietà dei fotorivelatori sono discusse di seguito.

  PCBWay

Risposta spettrale – È la risposta del fotorivelatore come funzione di frequenza del fotone.

Efficienza quantistica – Il numero di portatori di carica generati per ogni fotone

Reattività – È la corrente di uscita separata dalla potenza totale della luce che cade sul rilevatore.

Potenza equivalente al rumore – È la quantità richiesta di potenza luminosa per generare un segnale di dimensioni equivalenti al rumore del dispositivo.

Rilevazione – La radice quadrata dell'area del rivelatore separata dalla potenza equivalente del rumore.

Guadagno - È la corrente di uscita del fotorivelatore che viene divisa per la corrente prodotta direttamente dai fotoni incidenti sui rivelatori.

Corrente Oscura- Il flusso di corrente attraverso un rilevatore anche in assenza di luce.

Tempo di risposta - È il tempo necessario affinché un rilevatore passi dal 10 al 90% dell'uscita finale.

Spettro del rumore – La corrente o la tensione del rumore intrinseco è una funzione della frequenza che può essere espressa in forma di densità spettrale del rumore.

Non linearità - La non linearità del fotorivelatore limita l'uscita RF.

Tipi di fotorivelatori

I fotorilevatori sono classificati in base al meccanismo di rilevamento della luce come effetto fotoelettrico o fotoemissione, effetto di polarizzazione, effetto termico, interazione debole o effetto fotochimico. I diversi tipi di fotorilevatori includono principalmente un fotodiodo, un fotorilevatore MSM, un fototransistor, un rivelatore fotoconduttivo, fototubi e fotomoltiplicatori.

Fotodiodi

Si tratta di dispositivi a semiconduttore con una struttura a giunzione PIN o PN in cui la luce viene assorbita all'interno di una regione di esaurimento e produce una fotocorrente. Questi dispositivi sono veloci, altamente lineari, molto compatti e generano un'elevata efficienza quantistica, il che significa che genera quasi un elettrone per ogni fotone incidente e un'elevata gamma dinamica. Si prega di fare riferimento a questo link per saperne di più Fotodiodi .

  Fotodiodo
Fotodiodo

Fotorivelatori MSM

I fotorivelatori MSM (Metallo-semiconduttore-metallo) ne includono due Schottky contatti piuttosto che a giunzione PN . Questi rilevatori sono potenzialmente più veloci rispetto ai fotodiodi con larghezze di banda fino a centinaia di GHz. I rilevatori MSM consentono ai rilevatori di aree molto grandi di semplificare l'accoppiamento con le fibre ottiche senza degradare la larghezza di banda.

  Fotorilevatore MSM
Fotorilevatore MSM

Fototransistor

Il fototransistor è un tipo di fotodiodo che utilizza l'amplificazione interna della fotocorrente. Ma questi non sono usati frequentemente rispetto ai fotodiodi. Questi sono utilizzati principalmente per rilevare segnali luminosi e trasformarli in segnali elettrici digitali. Questi componenti sono semplicemente azionati attraverso la luce anziché la corrente elettrica. I fototransistor sono a basso costo e forniscono una grande quantità di guadagno, quindi vengono utilizzati in varie applicazioni. Si prega di fare riferimento a questo link per saperne di più fototransistor .

  Fototransistor
Fototransistor

Rivelatori fotoconduttivi

I rilevatori fotoconduttivi sono anche noti come fotoresistenze, fotocellule e resistori dipendenti dalla luce . Questi rilevatori sono realizzati con alcuni semiconduttori come CdS (solfuro di cadmio). Quindi questo rilevatore include un materiale semiconduttore con due elettrodi metallici collegati per rilevare la resistenza. Rispetto ai fotodiodi, questi non sono costosi ma sono piuttosto lenti, non estremamente sensibili e mostrano una risposta non lineare. In alternativa, possono reagire alla luce IR a lunghezza d'onda lunga. I rilevatori fotoconduttivi sono suddivisi in diversi tipi in base alla funzione delle responsività spettrali come l'intervallo di lunghezze d'onda visibili, l'intervallo di lunghezze d'onda del vicino infrarosso e l'intervallo di lunghezze d'onda IR.

  Rivelatore fotoconduttivo
Rivelatore fotoconduttivo

Fototubi

I tubi riempiti di gas oi tubi a vuoto utilizzati come fotorivelatori sono noti come fototubi. Un fototubo è un rivelatore fotoemissivo che utilizza un effetto fotoelettrico esterno o un effetto fotoemissivo. Questi tubi vengono spesso evacuati o riempiti a volte con gas a bassa pressione.

  Fototubo
Fototubo

Fotomoltiplicatore

Un fotomoltiplicatore è un tipo di tubo fotografico che trasforma i fotoni incidenti in un segnale elettrico. Questi rivelatori utilizzano un processo di moltiplicazione elettronica per ottenere una reattività molto maggiore. Hanno un'ampia area attiva e un'alta velocità. Sono disponibili diversi tipi di fotomoltiplicatori come il tubo fotomoltiplicatore, il fotomoltiplicatore magnetico, il fotomoltiplicatore elettrostatico e il fotomoltiplicatore al silicio.

  Fotomoltiplicatore
Fotomoltiplicatore

Schema elettrico del fotorilevatore

Di seguito è mostrato il circuito del sensore di luce che utilizza un fotorilevatore. In questo circuito, il fotodiodo viene utilizzato come fotorivelatore per rilevare l'esistenza o meno della luce. La sensibilità di questo sensore può essere regolata semplicemente utilizzando il preset.

I componenti richiesti di questo circuito del sensore di luce includono principalmente un fotodiodo, LED, IC LM339 , Resistenza, Preset, ecc. Collegare il circuito secondo lo schema elettrico mostrato di seguito.

  Circuito del sensore di luce che utilizza il fotodiodo come fotorilevatore
Circuito del sensore di luce che utilizza il fotodiodo come fotorilevatore

Lavorando

Un fotodiodo viene utilizzato come fotorilevatore per generare corrente all'interno del circuito una volta che la luce cade su di esso. In questo circuito, il fotodiodo viene utilizzato in modalità di polarizzazione inversa attraverso il resistore R1. Quindi questo resistore R1 non consente di fornire troppa corrente attraverso il fotodiodo nel caso in cui un'enorme quantità di luce cada sul fotodiodo.

Quando nessuna luce cade sul fotodiodo, si ottiene un alto potenziale sul pin6 di un comparatore LM339 (ingresso invertente). Una volta che la luce cade su questo diodo, consente alla corrente di fornire tutto il diodo e quindi la tensione cadrà su di esso. Il pin7 (ingresso non invertente) del comparatore è collegato a un VR2 (resistore variabile) per impostare la tensione di riferimento del comparatore.

Qui, un comparatore funziona quando l'ingresso non invertente del comparatore è alto rispetto all'ingresso invertente, quindi la sua uscita rimane alta. Quindi il pin di uscita di IC come il pin-1 è collegato a un diodo a emissione di luce. Qui, la tensione di riferimento è impostata attraverso una preimpostazione VR1 per corrispondere a un'illuminazione di soglia. All'uscita, il LED si accenderà una volta che la luce cade sul fotodiodo. L'ingresso invertente scende quindi ad un valore inferiore rispetto al riferimento impostato all'ingresso non invertente. Quindi, l'uscita fornisce la polarizzazione in avanti richiesta al diodo a emissione di luce.

Fotorilevatore vs Fotodiodo

La differenza tra fotorilevatore e fotodiodo include quanto segue.

Fotorilevatore

Fotodiodo

Il fotorilevatore è un fotosensore.

È un diodo a semiconduttore sensibile alla luce.

Il fotorilevatore non viene utilizzato con un amplificatore per rilevare la luce.

Il fotodiodo utilizza un amplificatore per rilevare bassi livelli di luce in quanto consentono una corrente di dispersione che cambia con la luce che li colpisce.
Un fotorivelatore è semplicemente realizzato con un semiconduttore composto con una banda proibita di 0,73 eV. Il fotodiodo è semplicemente realizzato con due semiconduttori di tipo P e di tipo N.

Questi sono più lenti dei fotodiodi. Questi sono più veloci dei fotorivelatori.
La risposta del fotorivelatore non è più veloce rispetto al fotodiodo.

La risposta del fotodiodo è molto più veloce rispetto al fotorilevatore.
È più sensibile. È meno sensibile.
Il fotorilevatore converte l'energia dei fotoni della luce in un segnale elettrico. I fotodiodi convertono l'energia luminosa e rilevano anche la luminosità della luce.
L'intervallo di temperatura del fotorilevatore va da 8 K a 420 K. La temperatura del fotodiodo varia da 27°C a 550°C.

Efficienza quantistica del fotorilevatore

L'efficienza quantica del fotorivelatore può essere definita come la frazione dei fotoni incidenti che vengono assorbiti attraverso il fotoconduttore rispetto agli elettroni prodotti raccolti al terminale del rivelatore.

L'efficienza quantistica può essere indicata con 'η'

Efficienza quantistica (η) = Elettroni generati/Numero totale di fotoni incidenti

Così,

η = (Corrente/Carica di un elettrone)/(Potenza ottica totale del fotone incidente/Energia del fotone)

Quindi matematicamente, diventerà come

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Vantaggi e svantaggi

I vantaggi del fotorilevatore includono quanto segue.

  • I fotorivelatori sono di piccole dimensioni.
  • La sua velocità di rilevamento è veloce.
  • La sua efficienza di rilevamento è elevata.
  • Generano meno rumore.
  • Questi non sono costosi, compatti e leggeri.
  • Hanno una lunga vita.
  • Hanno un'elevata efficienza quantica.
  • Non richiede alta tensione.

Il svantaggi del fotorilevatore include il seguente.

  • Hanno una sensibilità molto bassa.
  • Non hanno guadagno interno.
  • Il tempo di risposta è molto lento.
  • L'area attiva di questo rivelatore è piccola.
  • Il cambiamento all'interno della corrente è estremamente piccolo, quindi potrebbe non essere adeguato per guidare il circuito.
  • Richiede tensione di offset.

Applicazioni dei fotorivelatori

Le applicazioni del fotorilevatore includono quanto segue.

  • I fotorilevatori sono utilizzati in diverse applicazioni che vanno dalle porte automatiche nei supermercati ai telecomandi TV all'interno della tua casa.
  • Si tratta di componenti significativi essenziali utilizzati nelle comunicazioni ottiche, sicurezza, visione notturna, imaging video, imaging biomedico, rilevamento del movimento e rilevamento di gas che hanno la capacità di trasformare esattamente la luce in segnali elettrici.
  • Questi sono usati per misurare la potenza ottica e il flusso luminoso
  • Questi sono utilizzati principalmente in diversi tipi di design di microscopi e sensori ottici.
  • Questi sono significativi per i telemetri laser.
  • Questi sono normalmente utilizzati nella metrologia della frequenza, nelle comunicazioni in fibra ottica, ecc.
  • I fotorilevatori in fotometria e radiometria vengono utilizzati per misurare diverse proprietà come potenza ottica, intensità ottica, irradianza e flusso luminoso.
  • Questi sono utilizzati per misurare la potenza ottica all'interno di spettrometri, dispositivi ottici di memorizzazione dei dati, barriere fotoelettriche, profilatori di fascio, microscopi a fluorescenza, autocorrelatori, interferometri e diversi tipi di sensori ottici.
  • Questi sono usati per LIDAR, telemetri laser, dispositivi per la visione notturna ed esperimenti di ottica quantistica.
  • Questi sono applicabili nella metrologia della frequenza ottica, nelle comunicazioni in fibra ottica e anche per la classificazione del rumore laser o dei laser pulsati.
  • Gli array bidimensionali con diversi fotorivelatori identici sono utilizzati principalmente come array sul piano focale e spesso per applicazioni di imaging.

A cosa serve un fotorilevatore?

I fotorivelatori sono usati per convertire l'energia dei fotoni della luce in un segnale elettrico.

Quali sono le caratteristiche di un fotorilevatore?

Le caratteristiche dei fotorilevatori sono fotosensibilità, risposta spettrale, efficienza quantistica, rumore polarizzato in avanti, corrente oscura, potenza equivalente al rumore, risposta temporale, capacità terminale, frequenza di taglio e larghezza di banda di frequenza.

Quali sono i requisiti di un fotorilevatore?

I requisiti dei fotorilevatori sono; tempi di risposta brevi, minimo contributo al rumore, affidabilità, alta sensibilità, risposta lineare su un'ampia gamma di intensità luminose, bassa tensione di polarizzazione, basso costo e stabilità delle caratteristiche prestazionali.

Cosa viene utilizzato nelle specifiche dei rilevatori ottici?

La potenza equivalente al rumore viene utilizzata nelle specifiche dei rilevatori ottici perché è la potenza di ingresso ottica che genera una potenza di uscita aggiuntiva pari a quella potenza di rumore per una larghezza di banda specificata.

La resa quantica e l'efficienza quantistica sono la stessa cosa?

La resa quantica e l'efficienza quantistica non sono le stesse perché la probabilità che un fotone emetta una volta che un fotone è stato assorbito è la resa quantica mentre l'efficienza quantistica è la probabilità che un fotone venga emesso una volta che il sistema è stato alimentato alla sua condizione di emissione.

Così, questo è una panoramica di un fotorilevatore – lavorare con le applicazioni. Questi dispositivi si basano sull'effetto fotoelettrico interno ed esterno, quindi utilizzati principalmente per il rilevamento della luce. Ecco una domanda per te, cosa sono rilevatori ottici ?