Fotódetektor: Jellemzők, típusok, előnyök, 7 alkalmazás

A fotódióda detektor tartalma

Ebben a cikkben a fotódióda detektorról az alábbiak szerint fogunk beszélni:

• A fotodetektor definíciója
• Különböző típusok
• Circuit Diagram
• Alkalmazási területek
• Mi az a fotodióda
• A fotodióda jellemzői
• Működési elve
• Lavina fotodióda
• Circuit Diagram
• Alkalmazási területek
• Előnyök hátrányok
• Fototranzisztor vs. fotodióda

Mi az a fotódetektor?

A fotódetektor meghatározása:

"A fotodetektorok fontos elemek, képesek a fényt elektromos jelekké alakítani."

"Fotodetektorok fontos elemek, amelyek hasznosak a képfeldolgozásban, az optikai kommunikációban, a biztonságban, valamint az éjszakai látásban és a mozgásérzékelésben.”

A fotódetektorok típusai:

A fotódetektorok fontosabb alkalmazásai:

• A fotódetektorok olyan tulajdonságokhoz használhatók, mint az optikai teljesítmény, a fényáram mérése.
• Ezeket különféle típusú optikai érzékelőkben és mikroszkópokban használják.
• A fotódetektorok elengedhetetlenek a lézeres távolságmérőkhöz.
• A gyors fotodetektorokat általában az optikai szálas kommunikációban, frekvenciametrológiában stb. használják.

Mi az a fotódióda?

A fotodióda meghatározása:

„A fotodióda alapvetően egy tipikusan pn átmenetes dióda."

Amikor egy foton nekiütközik a diódának, az elektront gerjeszt, és mozgatható elektront és pozitív töltésű lyukat hoz létre. Az abszorpció a csomópont kimerülési területén történik, a hordozót a kimerülési régió beépített potenciálja távolítja el a csomópontból.

Hogyan működik a fotodióda?

A fotodióda működési elve:

A fotodióda pn átmenet vagy PIN-konfiguráció. Ha egy foton ütközik a diódával, az elektront és egy pozitív töltésű lyukat hoz létre. Amikor bármilyen abszorpció történik a csomópont kimerülési területén, akkor ezek a hordozók beszorultak a csomópontba a kimerülési régió beépített területéről, amely fotoáramot hozott létre.

A fotodiódákat széles körben használják inverz előfeszítéssel vagy előfeszítés nélkül. A fény vagy a foton áramot tud vezetni ezen az áramkörön, ami az előre irányú előfeszítést eredményezi, ami ezt követően "sötét áramot" okoz a fordított irányból a fotoáram felé. Ezt természetes hatásnak nevezik, és a napelem tervezés alapja lehet. A napelem csak több hatékony fotodióda kombinációja.

A fordított előfeszítés kisebb áramot hoz létre pontosan azonos irányban. Ezen kívül a fotodióda kevesebb zajt mutat.

Lavina fotodiódák hasonló elrendezésű, de általában nagyobb fordított előfeszítéssel működik. Ez lehetővé teszi, hogy minden egyes fénykép-generált szolgáltató megsokszorozódjon a lavinatöréssel, ami a fotodióda belső effektusaihoz vezet, és javítja az eszköz általános reakcióképességét.

A fotódióda anyagok:

A fotodiódában használt anyagok:

• Szilícium
• Germánium
• Ólom-szulfid

A anyagok A fotodióda felépítéséhez használt módszer fontos a tulajdonságainak leírása szempontjából, mert csak a megfelelő energiájú fotonok képesek gerjeszteni elektronokat a sávszélességben és jelentős fényáramot generálni.

Fontos megjegyezni, hogy a szilícium alapú fotodiódák nagyobb sávszélességgel rendelkeznek, és emiatt kevesebb zajt képesek produkálni, mint a germánium alapú fotodiódák.

Óta tranzisztorok és az IC-ket is félvezető anyagból készítik, és pn átmeneteket tartalmaznak, és fotodiódaként működhetnek. Ez nem elfogadott, ennek a hatásnak a kiküszöbölésére átlátszatlan ház kötelező. Bár ezek nem teljesen átlátszatlanok a nagy energiájú sugárzásokkal szemben, az indukált fotoáram miatt mégis hibás működést okozhatnak az IC-kben.

A fotódióda alkalmazásai:

• A fotodiódákat fogyasztói elektronikában használják, például CD-lejátszókban, tűz- és füstérzékelőkben, távirányítókban, világításban stb.
• Ezeket különféle orvosi alkalmazásokban is alkalmazzák, detektorokban és nagyenergiájú fizikában stb.

A fotódióda előnyei és hátrányai:

ELŐNYÖK-

• Alacsony zaj
• Olcsó
• Kompakt és könnyű.
• Hosszú élettartam
• Nincs szükség nagyfeszültségre.
• Magas kvantumhatékonyság.

HÁTRÁNYOK-

• Kis terület
• Nincs belső nyereség
• Sokkal alacsonyabb érzékenység
• A válaszidő lassabb.

Mik a fotódióda jellemzői?

A fotodiódáknak kétféle jellemzője van

• Elektromos jellemzők
• Optikai jellemzők

A fotódióda elektromos jellemzői:

SUNT ELLENÁLLÁS, R_SH

Sönt ellenállás (R_SH) a termikus zaj becslésére szolgál, ha nincs fordított előfeszítés. Ez a feszültség és az áram aránya.

Ezt a fotodióda VI görbéjének az origó meredekségéből számítják ki.

SOROZAT ELLENÁLLÁS

A soros ellenállást Rs adja, és a szilícium ellenállásaiból származik. A kifejezést a következő egyenlet adja:

CSATLAKOZÓ KAPACITÁS, (C_j)

Junction kapacitás (C_j) a dióda kapacitása adott fordított előfeszítés mellett.

A csatlakozási kapacitás arányos a diffúziós területtel és fordítottan arányos a kimerülési terület szélességével.

EMELKEDÉSI ÉS BUSZI IDŐ (t_r , t_f )

A kilencven százalék tíz százalékról való eléréséhez szükséges időt emelkedési időnek nevezzük, míg a kilencven százalékról tíz százalékra való eséshez szükséges időt őszi időnek nevezzük. Ezt a paramétert általában 3 dB-es csillapítási frekvenciaválaszban fejezik ki, az alábbiak szerint.

                                t_r=0.35/f_3dB

LETÖRÉSI FESZÜLTSÉG (V_BR)

Ez a maximum negatív a diódára kapcsolható feszültség terminál.

ZAJ-EGYENSÚLYÚ TELJESÍTMÉNY (N_EP)

A fotonintenzitás előfeltétele annak, hogy egy meghatározott fordított előfeszítés mellett ekvivalens legyen a zaj. Ez az N mérése_EP.

VÁLASZIDŐ (t_r)

Azt az idő határozza meg, amelyre a diódának szüksége van ahhoz, hogy reagáljon egy lépéses fénybemenetre egy meghatározott fordított előfeszítő üzemmódban.

Rövidzárlati áram (I_SC):

Aktivitáskövető dióda csapok rövidre zárva, az adott fényintenzitás mellett folyó áram.

A fotódióda optikai jellemzői:

KVANTUMHATÉKONYSÁG, Q_E

Q_E széles körben elismert a beeső fotonok százalékos aránya, amelyek hozzájárulnak a fotoáramhoz.

                               Q_E=R _{radiál kiválasztó}/R _Id (100%)

RESPONZIVITY, R

A szilícium fotodióda érzékenysége a fényérzékenység mérése. Ezt az adott hullámhosszon az Ip és a fény érkező teljesítményének (P) aránya adja meg.

                              R=I_P/P meghatározott hullámhosszon

NEM EGYSÉGESSÉG

Jól definiálható, mint a reszponzivitás változásai az aktív fotodióda felületén, triviális fényfoltokkal.

NEMLINEARITÁS

A szilícium fotodióda karakterisztikája lineáris jellegű, bár az áram kismértékű változása szabályozza a fotoáram linearitását.

Zaj a fotódiódában:

A fotodiódában kétféle zajt vezetnek be; ők

• Lövészaj
• Johnson Zaj.

Lövészaj

Ezt a következő egyenlet fejezi ki.

Thermal Noise vagy Johnson Noise

A fotodetektor Johnson-zajt produkálhat a hordozó hőtermelése miatt. Ennek a generált áramzajnak a nagysága:

Ezért a teljes zaj

Magyarázza el az Avalanche és Zener mechanizmusokat:

Lavina letörés csak nagyobb feszültségeknél történik. Tegyük fel, hogy az elektromos tér (E) az átmeneti tartományban óriási. Ezután egy e^- a P oldalról bejövő kinetikus energiával felgyorsulhat, hogy a rácsnak ütközve, ionizálás. Az interakciók hordozósokszorozást hoznak létre; az eredeti elektront és a keletkezett elektront az É oldalra sodorják, a létrehozó lyukat pedig a P-re lendítik. Ez a folyamat Lavina, mivel minden bejövő hordozó képes elindítani a nagyszámú hordozót.

A Zener-effektus akkor következik be, amikor az elektronok alagútvezetése megtörténik a P-oldali védősávból az N-oldali vezetési sávba, és fordított áramot okozhat az N-től a P-terminálig. Az alagútáram alapvető elkerülhetetlensége a nagyszámú elektron, amelyet egy ónos gát választ le a jelentős mennyiségű üres állapotról. Mivel az alagút kialakulásának valószínűségét a gát szélessége határozza meg, az adalékolásnak nagynak kell lennie.

Hasonlítsa össze a fotótranzisztort és a fotódiódát:

További elektronikával kapcsolatos cikkért kattints ide