Photodetector : วงจร การทำงาน ประเภท และการใช้งาน

เครื่องตรวจจับแสงเป็นส่วนประกอบสำคัญในตัวรับแสงที่แปลงสัญญาณแสงที่เข้ามาเป็นสัญญาณไฟฟ้า โฟโตดีเต็กเตอร์ของสารกึ่งตัวนำมักเรียกว่าโฟโตไดโอดเนื่องจากเป็นโฟโตดีเต็กเตอร์ประเภทหลักที่ใช้ในออปติคัล ระบบสื่อสาร เนื่องจากความเร็วในการตรวจจับที่รวดเร็ว ประสิทธิภาพการตรวจจับสูง และขนาดที่เล็ก ในปัจจุบัน เครื่องตรวจจับด้วยแสงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ การสื่อสารทางอิเล็กทรอนิกส์ การแพทย์และการดูแลสุขภาพ อุปกรณ์วิเคราะห์ ยานยนต์และการขนส่ง และอื่นๆ อีกมากมาย สิ่งเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าตัวรับแสงและตัวรับแสง ดังนั้น บทความนี้จะกล่าวถึงภาพรวมของก เครื่องตรวจจับแสง - การทำงานกับแอพพลิเคชั่น

Photodetector คืออะไร?

คำจำกัดความของเครื่องตรวจจับด้วยแสงคือ อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการตรวจจับแสงที่ตกกระทบหรือพลังงานแสงเพื่อแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเรียกว่าตัวตรวจจับแสง โดยปกติแล้ว สัญญาณ o/p นี้จะแปรผันตามกำลังแสงที่ตกกระทบ เซ็นเซอร์เหล่านี้จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ เช่น การควบคุมกระบวนการ ระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง ความปลอดภัย การตรวจจับสภาพแวดล้อม และการใช้งานด้านการป้องกัน ตัวอย่างของเครื่องตรวจจับด้วยแสง ได้แก่ โฟโต้ทรานซิสเตอร์และ โฟโตไดโอด .

เครื่องตรวจจับแสงทำงานอย่างไร?

เครื่องตรวจจับแสงทำงานโดยการตรวจจับแสงหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ หรืออุปกรณ์อื่นๆ โดยรับสัญญาณแสงที่ส่งเข้ามา เครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ สารกึ่งตัวนำ ดำเนินการสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลตามหลักการฉายแสง

เมื่อวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ถูกส่องผ่านโฟตอนที่มีพลังงานสูงหรือเทียบเท่าไปยังแถบช่องว่าง จากนั้นโฟตอนที่ถูกดูดกลืนจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนแถบเวเลนซ์เคลื่อนที่เข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า ดังนั้นจะทิ้งรูภายในแถบเวเลนต์ไว้ อิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าทำหน้าที่เป็นอิเล็กตรอนอิสระ (รู) ที่สามารถกระจายตัวภายใต้พลังของสนามไฟฟ้าภายในหรือสนามไฟฟ้าที่ใช้ภายนอก

คู่ของรูอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นด้วยภาพถ่ายเนื่องจากการดูดกลืนแสงอาจรวมตัวกันใหม่และเปล่งแสงอีกครั้ง เว้นแต่จะอยู่ภายใต้การแยกโดยใช้สนามไฟฟ้าเพื่อเพิ่มกระแสแสง ซึ่งเป็นเศษเสี้ยวของพาหะประจุไฟฟ้าฟรีที่สร้างด้วยภาพถ่ายที่ได้รับที่ อิเล็กโทรดของการจัดเรียงตัวตรวจจับด้วยแสง ขนาดของกระแสแสงที่ความยาวคลื่นที่ระบุจะแปรผันโดยตรงกับความเข้มของแสงที่ตกกระทบ

คุณสมบัติ

คุณสมบัติของเครื่องตรวจจับด้วยแสงมีดังต่อไปนี้

การตอบสนองทางสเปกตรัม – เป็นการตอบสนองของเครื่องตรวจจับด้วยแสงเป็นฟังก์ชันความถี่โฟตอน

ประสิทธิภาพควอนตัม – จำนวนพาหะประจุที่สร้างขึ้นสำหรับแต่ละโฟตอน

ความรับผิดชอบ – เป็นกระแสไฟขาออกที่แยกจากกำลังรวมของแสงที่ตกกระทบเครื่องตรวจจับ

พลังงานเทียบเท่าเสียงรบกวน – เป็นปริมาณพลังงานแสงที่ต้องการเพื่อสร้างสัญญาณที่มีขนาดเทียบเท่ากับสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์

การตรวจจับ – รากที่สองของพื้นที่ของเครื่องตรวจจับที่คั่นด้วยกำลังเสียงเทียบเท่า

ได้รับ - เป็นกระแสเอาท์พุตของเครื่องตรวจจับภาพถ่ายซึ่งหารด้วยกระแสที่ผลิตโดยตรงโดยโฟตอนที่ตกกระทบบนเครื่องตรวจจับ

กระแสมืด- การไหลของกระแสไฟฟ้าทั่วเครื่องตรวจจับแม้ในสภาพแสงน้อย

เวลาตอบสนอง - เป็นเวลาที่จำเป็นสำหรับเครื่องตรวจจับที่จะไปจาก 10 – 90% ของเอาต์พุตสุดท้าย

สเปกตรัมเสียง – กระแสหรือแรงดันสัญญาณรบกวนภายในเป็นฟังก์ชันของความถี่ที่สามารถระบุได้ในรูปแบบความหนาแน่นสเปกตรัมสัญญาณรบกวน

ความไม่เชิงเส้น – ความไม่เชิงเส้นของตัวตรวจจับภาพถ่ายจะจำกัดเอาต์พุต RF

ประเภทตัวตรวจจับแสง

ตัวตรวจจับโฟโต้ถูกจัดประเภทตามกลไกการตรวจจับของแสง เช่น โฟโตอิเล็กทริกหรือโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ เอฟเฟกต์โพลาไรเซชัน เอฟเฟกต์ความร้อน ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ หรือเอฟเฟกต์โฟโตเคมี เครื่องตรวจจับโฟโตประเภทต่างๆ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโฟโตไดโอด, โฟโตดีเต็กเตอร์ MSM, โฟโตทรานซิสเตอร์, เครื่องตรวจจับโฟโตคอนดักทีฟ, โฟโตทิวบ์ และโฟโตมัลติพลายเออร์

โฟโต้ไดโอด

อุปกรณ์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีโครงสร้างทางแยก PIN หรือ PN ซึ่งแสงจะถูกดูดกลืนภายในบริเวณพร่องและสร้างกระแสแสง อุปกรณ์เหล่านี้มีความรวดเร็ว เป็นเชิงเส้นสูง กะทัดรัดมาก และสร้างประสิทธิภาพเชิงควอนตัมสูง ซึ่งหมายความว่าจะสร้างอิเล็กตรอนเกือบหนึ่งตัวสำหรับแต่ละโฟตอนที่ตกกระทบและช่วงไดนามิกสูง โปรดดูที่ลิงค์นี้เพื่อทราบข้อมูลเพิ่มเติม โฟโต้ไดโอด .

เครื่องตรวจจับ MSM

เครื่องตรวจจับภาพ MSM (โลหะ–เซมิคอนดักเตอร์–โลหะ) รวมสองเครื่อง ชอตกี้ ติดต่อมากกว่าก ทางแยก PN . อุปกรณ์ตรวจจับเหล่านี้อาจเร็วกว่าเมื่อเทียบกับโฟโตไดโอดที่มีแบนด์วิดท์สูงถึงหลายร้อย GHz ตัวตรวจจับ MSM ช่วยให้ตัวตรวจจับพื้นที่ขนาดใหญ่มากทำการเชื่อมต่อกับใยแก้วนำแสงได้ง่ายโดยไม่ทำให้แบนด์วิธลดลง

โฟโต้ทรานซิสเตอร์

โฟโต้ทรานซิสเตอร์เป็นโฟโตไดโอดประเภทหนึ่งซึ่งใช้การขยายภายในของโฟโตเคอร์เรนต์ แต่มักไม่ค่อยได้ใช้เมื่อเทียบกับโฟโตไดโอด ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการตรวจจับสัญญาณแสงและเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล ส่วนประกอบเหล่านี้ทำงานง่ายๆ ผ่านแสงแทนที่จะใช้กระแสไฟฟ้า โฟโต้ทรานซิสเตอร์มีต้นทุนต่ำและให้อัตราขยายจำนวนมาก ดังนั้นจึงใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย โปรดดูที่ลิงค์นี้เพื่อทราบข้อมูลเพิ่มเติม โฟโต้ทรานซิสเตอร์ .

เครื่องตรวจจับโฟโตคอนดักทีฟ

เครื่องตรวจจับโฟโตคอนดักทีฟเรียกอีกอย่างว่าโฟโตรีซีสเตอร์ โฟโตเซลล์ และ ตัวต้านทานที่ขึ้นกับแสง . อุปกรณ์ตรวจจับเหล่านี้ผลิตด้วยสารกึ่งตัวนำบางชนิด เช่น CdS (แคดเมียมซัลไฟด์) ดังนั้นเครื่องตรวจจับนี้จึงมีวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีขั้วไฟฟ้าโลหะสองขั้วเชื่อมต่อกันเพื่อตรวจจับความต้านทาน เมื่อเทียบกับโฟโตไดโอดแล้ว สิ่งเหล่านี้ไม่แพง แต่ค่อนข้างช้า ไม่ไวมาก & แสดงการตอบสนองแบบไม่เชิงเส้น อีกทางหนึ่งคือพวกมันสามารถตอบสนองต่อแสง IR ที่มีความยาวคลื่นยาวได้ เครื่องตรวจจับโฟโตคอนดักทีฟถูกแยกออกเป็นประเภทต่างๆ ตามหน้าที่ของการตอบสนองทางสเปกตรัม เช่น ช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ ช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้ และช่วงความยาวคลื่น IR

หลอดภาพ

หลอดบรรจุก๊าซหรือหลอดสุญญากาศที่ใช้เป็นเครื่องตรวจจับด้วยแสงเรียกว่าโฟโตทิวบ์ โฟโต้ทูปคือ เครื่องตรวจจับโฟโตอีมิสซีฟ ที่ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจากภายนอกหรือเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก ท่อเหล่านี้มักถูกขับออกหรือเติมด้วยก๊าซที่ความดันต่ำในบางครั้ง

โฟโต้มัลติพลายเออร์

โฟโตมัลติพลายเออร์คือโฟโตทิวบ์ประเภทหนึ่งที่เปลี่ยนโฟตอนที่ตกกระทบเป็นสัญญาณไฟฟ้า อุปกรณ์ตรวจจับเหล่านี้ใช้กระบวนการเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนเพื่อให้ได้การตอบสนองที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก พวกเขามีพื้นที่ใช้งานขนาดใหญ่และความเร็วสูง มีตัวคูณโฟโตมัลติพลายเออร์หลายประเภท เช่น หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ ตัวคูณโฟโตแม่เหล็ก ตัวคูณโฟโตสแตติก และตัวคูณโฟโตซิลิคอน

แผนภาพวงจรตรวจจับด้วยแสง

วงจรเซ็นเซอร์วัดแสงโดยใช้ตัวตรวจจับแสงแสดงอยู่ด้านล่าง ในวงจรนี้ โฟโตไดโอดถูกใช้เป็นเครื่องตรวจจับแสงเพื่อตรวจจับการมีอยู่หรือไม่มีอยู่ของแสง ความไวของเซ็นเซอร์นี้สามารถปรับได้ง่ายๆ โดยใช้การตั้งค่าล่วงหน้า

ส่วนประกอบที่จำเป็นของวงจรเซ็นเซอร์วัดแสงนี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโฟโตไดโอด, LED, ไอซี LM339 ,ตัวต้านทาน,พรีเซต เป็นต้น ต่อวงจรตามรูปวงจรด้านล่าง

การทำงาน

โฟโตไดโอดถูกใช้เป็นตัวตรวจจับแสงเพื่อสร้างกระแสภายในวงจรเมื่อแสงตกกระทบ ในวงจรนี้ โฟโตไดโอดจะใช้ในโหมดไบแอสย้อนกลับผ่านตัวต้านทาน R1 ดังนั้นตัวต้านทาน R1 นี้จึงไม่อนุญาตให้จ่ายกระแสมากเกินไปทั่วทั้งโฟโตไดโอดในกรณีที่แสงตกบนโฟโตไดโอดจำนวนมาก

เมื่อไม่มีแสงตกกระทบโฟโตไดโอด จะส่งผลให้มีศักยภาพสูงที่พิน 6 ของตัวเปรียบเทียบ LM339 (อินพุตกลับด้าน) เมื่อแสงตกลงบนไดโอดนี้ มันจะให้กระแสจ่ายไปทั่วไดโอด และดังนั้นแรงดันไฟจะตกคร่อมไดโอด ขา 7 (อินพุตไม่กลับด้าน) ของตัวเปรียบเทียบเชื่อมต่อกับ VR2 (ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้) เพื่อตั้งค่าแรงดันอ้างอิงของตัวเปรียบเทียบ

ที่นี่ ตัวเปรียบเทียบจะทำงานเมื่ออินพุตที่ไม่กลับด้านของตัวเปรียบเทียบมีค่าสูงเมื่อเทียบกับการกลับอินพุต จากนั้นเอาต์พุตจะยังคงสูงอยู่ ดังนั้นขาเอาต์พุตของไอซี เช่น ขา-1 จึงต่อเข้ากับไดโอดเปล่งแสง ที่นี่ แรงดันอ้างอิงถูกตั้งค่าตลอดทั้ง VR1 ที่ตั้งไว้ล่วงหน้าเพื่อให้สอดคล้องกับการส่องสว่างของธรณีประตู ที่เอาต์พุต ไฟ LED จะเปิดขึ้นเมื่อแสงตกลงบนโฟโตไดโอด ดังนั้น อินพุตที่กลับด้านจะลดลงเป็นค่าที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับชุดข้อมูลอ้างอิงที่อินพุตที่ไม่กลับด้าน ดังนั้น เอาต์พุตจะส่งอคติไปข้างหน้าที่จำเป็นไปยังไดโอดเปล่งแสง

โฟโต้ดีเทคเตอร์ vs โฟโต้ไดโอด

ความแตกต่างระหว่างตัวตรวจจับแสงและโฟโตไดโอดมีดังต่อไปนี้

ประสิทธิภาพควอนตัมของเครื่องตรวจจับด้วยแสง

ประสิทธิภาพควอนตัมของเครื่องตรวจจับด้วยแสงสามารถกำหนดได้เนื่องจากเศษส่วนของโฟตอนที่ตกกระทบซึ่งถูกดูดกลืนผ่านตัวนำแสงไปยังอิเล็กตรอนที่ผลิตได้นั้นจะถูกรวบรวมไว้ที่ขั้วตรวจจับ

ประสิทธิภาพควอนตัมสามารถแสดงด้วย 'η'

ประสิทธิภาพควอนตัม (η) = อิเล็กตรอนที่สร้างขึ้น/จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบทั้งหมด

ดังนั้น,

η = (กระแส/ ประจุของอิเล็กตรอน)/(พลังงานแสงของโฟตอนที่ตกกระทบทั้งหมด/ พลังงานโฟตอน)

ในทางคณิตศาสตร์จะกลายเป็นเหมือน

η = (อิฟ/ อี)/(PD/ hc/λ)

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดีของเครื่องตรวจจับด้วยแสงมีดังต่อไปนี้

• เครื่องตรวจจับด้วยแสงมีขนาดเล็ก
• ความเร็วในการตรวจจับนั้นรวดเร็ว
• ประสิทธิภาพการตรวจจับสูง
• พวกเขาสร้างเสียงรบกวนน้อยลง
• เหล่านี้ไม่แพง กะทัดรัด & น้ำหนักเบา
• พวกเขามีอายุยืนยาว
• พวกเขามีประสิทธิภาพควอนตัมสูง
• ไม่ต้องใช้ไฟฟ้าแรงสูง

เดอะ ข้อเสียของเครื่องตรวจจับด้วยแสง รวมสิ่งต่อไปนี้

• พวกมันมีความไวต่ำมาก
• พวกเขาไม่มีผลประโยชน์ภายใน
• เวลาตอบสนองช้ามาก
• พื้นที่ทำงานของอุปกรณ์ตรวจจับนี้มีขนาดเล็ก
• การเปลี่ยนแปลงภายในกระแสมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นอาจไม่เพียงพอในการขับเคลื่อนวงจร
• มันต้องใช้แรงดันออฟเซ็ต

การประยุกต์ใช้โฟโต้ดีเทคเตอร์

แอปพลิเคชั่นของ photodetector มีดังต่อไปนี้

• Photodetector ใช้ในแอพพลิเคชั่นต่างๆ ตั้งแต่ประตูอัตโนมัติในซูเปอร์มาร์เก็ตไปจนถึงรีโมทคอนโทรลทีวีภายในบ้านของคุณ
• สิ่งเหล่านี้เป็นองค์ประกอบสำคัญที่จำเป็นที่ใช้ในการสื่อสารด้วยแสง การรักษาความปลอดภัย การมองเห็นตอนกลางคืน การสร้างภาพวิดีโอ การสร้างภาพทางการแพทย์ การตรวจจับการเคลื่อนไหวและการตรวจจับก๊าซ ซึ่งมีความสามารถในการเปลี่ยนแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ
• สิ่งเหล่านี้ใช้สำหรับการวัดพลังงานแสงและฟลักซ์การส่องสว่าง
• ส่วนใหญ่จะใช้ในการออกแบบกล้องจุลทรรศน์และเซ็นเซอร์ออปติคัลประเภทต่างๆ
• สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญสำหรับเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์
• โดยปกติจะใช้ในมาตรวิทยาความถี่ การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง ฯลฯ
• เครื่องตรวจจับแสงในการวัดด้วยแสงและการวัดด้วยรังสีใช้ในการวัดคุณสมบัติต่างๆ เช่น กำลังแสง ความเข้มของแสง การฉายรังสี และฟลักซ์การส่องสว่าง
• สิ่งเหล่านี้ใช้สำหรับการวัดพลังงานแสงภายในสเปกโตรมิเตอร์ อุปกรณ์เก็บข้อมูลออปติคัล สิ่งกีดขวางแสง โปรไฟล์ลำแสง กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์
• สิ่งเหล่านี้ใช้สำหรับ LIDAR, เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์, อุปกรณ์มองเห็นกลางคืน & การทดลองเลนส์ควอนตัม
• สิ่งเหล่านี้ใช้ได้กับมาตรวิทยาความถี่ออปติก การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง และสำหรับการจำแนกประเภทของสัญญาณรบกวนเลเซอร์หรือเลเซอร์พัลซิ่ง
• อาร์เรย์สองมิติที่มีตัวตรวจจับภาพถ่ายที่เหมือนกันหลายตัวส่วนใหญ่จะใช้เป็นอาร์เรย์ของระนาบโฟกัสและมักใช้กับแอปพลิเคชันด้านการถ่ายภาพ

เครื่องตรวจจับแสงใช้สำหรับอะไร?

เครื่องตรวจจับแสงใช้สำหรับแปลงพลังงานโฟตอนของแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

เครื่องตรวจจับด้วยแสงมีลักษณะอย่างไร?

ลักษณะของเครื่องตรวจจับด้วยแสงคือความไวแสง, การตอบสนองทางสเปกตรัม, ประสิทธิภาพควอนตัม, สัญญาณรบกวนไปข้างหน้า, กระแสมืด, พลังงานเทียบเท่าสัญญาณรบกวน, การตอบสนองตามเวลา, ความจุของเทอร์มินัล, ความถี่คัตออฟและแบนด์วิดท์ความถี่

ข้อกำหนดของเครื่องตรวจจับแสงคืออะไร?

ข้อกำหนดของเครื่องตรวจจับด้วยแสงคือ เวลาตอบสนองสั้น, เสียงรบกวนน้อยที่สุด, ความน่าเชื่อถือ, ความไวสูง, การตอบสนองเชิงเส้นในช่วงความเข้มของแสงที่กว้าง, แรงดันไบแอสต่ำ, ต้นทุนต่ำ & ความเสถียรของคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ

อะไรที่ใช้ในข้อกำหนดของเครื่องตรวจจับด้วยแสง?

พลังงานเทียบเท่าสัญญาณรบกวนถูกใช้ในข้อมูลจำเพาะของเครื่องตรวจจับด้วยแสง เนื่องจากเป็นพลังงานอินพุตออปติคัลที่สร้างพลังงานเอาต์พุตพิเศษที่เท่ากับพลังงานสัญญาณรบกวนสำหรับแบนด์วิดท์ที่ระบุ

ผลผลิตควอนตัมและประสิทธิภาพควอนตัมเหมือนกันหรือไม่?

ผลผลิตควอนตัมและประสิทธิภาพควอนตัมไม่เหมือนกัน เนื่องจากความน่าจะเป็นที่โฟตอนจะปล่อยออกมาเมื่อโฟตอนหนึ่งถูกดูดกลืนคือผลผลิตควอนตัม ในขณะที่ประสิทธิภาพควอนตัมคือความน่าจะเป็นที่โฟตอนจะถูกปล่อยออกมาเมื่อระบบได้รับพลังงานเข้าสู่สภาวะการเปล่งแสง

ดังนั้นนี่คือ ภาพรวมของเครื่องตรวจจับด้วยแสง - การทำงานกับแอพพลิเคชั่น อุปกรณ์เหล่านี้ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกทั้งภายในและภายนอก ดังนั้นจึงใช้เป็นหลักในการตรวจจับแสง นี่คือคำถามสำหรับคุณคืออะไร เครื่องตรวจจับแสง ?