Photodetector : Rangkaian, Cara Kerja, Jenis & Aplikasinya

Fotodetektor adalah komponen penting dalam penerima optik yang mengubah sinyal optik yang masuk menjadi sinyal listrik. Fotodetektor semikonduktor biasanya disebut fotodioda karena ini adalah jenis utama fotodetektor yang digunakan dalam optik sistem komunikasi karena kecepatan deteksi cepat, efisiensi deteksi tinggi & ukuran kecil. Saat ini, fotodetektor banyak digunakan dalam industri elektronik, komunikasi elektronik, kedokteran & kesehatan, peralatan analitik, otomotif & transportasi, dan masih banyak lagi. Ini juga dikenal sebagai fotosensor dan sensor cahaya. Jadi, artikel ini membahas gambaran umum tentang a detektor foto – bekerja dengan aplikasi.

Apa itu Fotodetektor?

Definisi fotodetektor adalah; perangkat optoelektronik yang digunakan untuk mendeteksi cahaya insiden atau daya optik untuk mengubahnya menjadi sinyal listrik dikenal sebagai fotodetektor. Biasanya, sinyal output daya ini sebanding dengan daya optik insiden. Sensor ini mutlak diperlukan untuk implementasi ilmiah yang berbeda seperti kontrol proses, sistem komunikasi serat optik, keselamatan, penginderaan lingkungan & juga dalam aplikasi pertahanan. Contoh fotodetektor adalah fototransistor dan fotodioda .

Bagaimana Fotodetektor Bekerja?

Photodetector hanya bekerja dengan mendeteksi cahaya atau radiasi elektromagnetik lainnya atau perangkat mungkin dengan menerima sinyal optik yang ditransmisikan. Fotodetektor yang digunakan semikonduktor beroperasi pada penciptaan pasangan elektron-lubang berdasarkan prinsip iradiasi cahaya.

Setelah bahan semikonduktor disinari melalui foton yang memiliki energi tinggi atau setara dengan celah pitanya, foton yang diserap mendorong elektron pita valensi untuk pindah ke pita konduksi, sehingga meninggalkan lubang di dalam pita valensi. Elektron dalam pita konduksi berfungsi sebagai elektron bebas (lubang) yang dapat menyebar di bawah kekuatan medan listrik intrinsik atau eksternal yang diterapkan.

Pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto karena penyerapan optik dapat bergabung kembali & memancarkan kembali cahaya kecuali mengalami pemisahan yang dimediasi medan listrik untuk meningkatkan arus foto, yang merupakan sebagian kecil dari pembawa muatan bebas yang dihasilkan foto yang diterima di elektroda susunan fotodetektor. Magnitudo arus foto pada panjang gelombang tertentu berbanding lurus dengan intensitas cahaya datang.

Properti

Properti fotodetektor dibahas di bawah ini.

Respon Spektral – Ini adalah respons fotodetektor sebagai fungsi frekuensi foton.

Efisiensi Kuantum – Jumlah pembawa muatan yang dihasilkan untuk setiap foton

Responsif – Ini adalah arus keluaran yang dipisahkan oleh kekuatan total cahaya yang jatuh pada detektor.

Daya setara kebisingan – Ini adalah jumlah daya cahaya yang diperlukan untuk menghasilkan sinyal yang ukurannya setara dengan kebisingan perangkat.

Deteksi – Akar kuadrat dari area detektor yang dipisahkan oleh daya ekuivalen derau.

Memperoleh - Ini adalah arus keluaran detektor foto yang dibagi dengan arus yang dihasilkan langsung oleh foton yang datang pada detektor.

Arus Gelap- Aliran arus di seluruh detektor bahkan dalam kekurangan cahaya.

Waktu merespon - Ini adalah waktu yang diperlukan detektor untuk beralih dari 10 – 90% dari hasil akhir.

Spektrum Kebisingan – Arus atau tegangan derau intrinsik adalah fungsi frekuensi yang dapat ditandakan dalam bentuk kerapatan spektral derau.

Nonlinier – Nonlinier detektor foto membatasi output RF.

Jenis fotodetektor

Fotodetektor diklasifikasikan berdasarkan mekanisme pendeteksian cahaya seperti efek fotolistrik atau fotoemisi, efek polarisasi, efek termal, interaksi lemah, atau efek fotokimia. Berbagai jenis photodetectors terutama meliputi photodiode, photodetector MSM, phototransistor, photoconductive detector, phototubes & Photomultipliers.

Fotodioda

Ini adalah perangkat semikonduktor dengan struktur persimpangan PIN atau PN di mana cahaya diserap dalam daerah penipisan & menghasilkan arus foto. Perangkat ini cepat, sangat linier, sangat kompak dan menghasilkan efisiensi kuantum tinggi yang berarti menghasilkan hampir satu elektron untuk setiap foton & rentang dinamis tinggi. Silakan merujuk ke tautan ini untuk mengetahui lebih banyak tentang Fotodioda .

Fotodetektor MSM

Fotodetektor MSM (Logam–semikonduktor–logam) mencakup dua Schottky kontak daripada a Persimpangan PN . Detektor ini berpotensi lebih cepat dibandingkan dengan fotodioda dengan bandwidth hingga ratusan GHz. Detektor MSM memungkinkan detektor area yang sangat besar untuk memudahkan penggabungan dengan serat optik tanpa penurunan bandwidth.

Fototransistor

Fototransistor adalah salah satu jenis fotodioda yang menggunakan amplifikasi internal arus foto. Tapi ini tidak sering digunakan dibandingkan dengan fotodioda. Ini terutama digunakan untuk mendeteksi sinyal cahaya & mengubahnya menjadi sinyal listrik digital. Komponen-komponen ini hanya dioperasikan melalui cahaya daripada arus listrik. Phototransistor berbiaya rendah dan memberikan keuntungan yang besar, sehingga digunakan dalam berbagai aplikasi. Silakan merujuk ke tautan ini untuk mengetahui lebih banyak tentang fototransistor .

Detektor fotokonduktif

Detektor fotokonduktif juga dikenal sebagai fotoresistor, fotosel & resistor yang tergantung cahaya . Detektor ini dibuat dengan semikonduktor tertentu seperti CdS (kadmium sulfida). Jadi detektor ini termasuk bahan semikonduktor dengan dua elektroda logam yang terhubung untuk mendeteksi resistansi. Dibandingkan dengan fotodioda, ini tidak mahal tetapi cukup lambat, tidak terlalu sensitif & menunjukkan respons nonlinier. Alternatifnya, mereka dapat bereaksi terhadap cahaya IR dengan panjang gelombang panjang. Detektor fotokonduktif dipisahkan menjadi berbagai jenis berdasarkan fungsi respons spektral seperti rentang panjang gelombang yang terlihat, rentang panjang gelombang inframerah-dekat, dan rentang panjang gelombang IR.

Tabung foto

Tabung berisi gas atau tabung vakum yang digunakan sebagai fotodetektor dikenal sebagai tabung foto. Phototube adalah detektor fotoemisif yang menggunakan efek fotolistrik eksternal atau efek fotoemisif. Tabung ini sering dikosongkan atau kadang diisi dengan gas pada tekanan rendah.

Pengganda foto

Photomultiplier adalah salah satu jenis phototube yang mengubah foton insiden menjadi sinyal listrik. Detektor ini menggunakan proses penggandaan elektron untuk mendapatkan responsivitas yang jauh lebih tinggi. Mereka memiliki area aktif yang luas & kecepatan tinggi. Ada berbagai jenis pengganda foto yang tersedia seperti tabung pengganda foto, pengganda foto magnetik, pengganda foto elektrostatis, dan pengganda foto silikon.

Diagram Sirkuit Fotodetektor

Rangkaian sensor cahaya menggunakan fotodetektor ditunjukkan di bawah ini. Pada rangkaian ini, fotodioda digunakan sebagai fotodetektor untuk mendeteksi ada tidaknya cahaya. Sensitivitas sensor ini dapat dengan mudah disesuaikan dengan menggunakan preset.

Komponen yang diperlukan dari rangkaian sensor cahaya ini terutama meliputi fotodioda, LED, IC LM339 , Resistor, Preset, dll. Hubungkan rangkaian sesuai diagram rangkaian di bawah ini.

Bekerja

Fotodioda digunakan sebagai fotodetektor untuk menghasilkan arus di dalam rangkaian setelah cahaya jatuh di atasnya. Di sirkuit ini, fotodioda digunakan dalam mode bias balik melalui resistor R1. Jadi resistor R1 ini tidak mengizinkan terlalu banyak arus untuk memasok seluruh fotodioda jika terjadi penurunan cahaya dalam jumlah besar pada fotodioda.

Ketika tidak ada cahaya yang jatuh pada fotodioda, maka menghasilkan potensial tinggi pada pin6 komparator LM339 (input pembalik). Begitu cahaya jatuh pada dioda ini, maka memungkinkan arus mengalir ke seluruh dioda & dengan demikian tegangan akan turun melewatinya. Pin7 (input non-pembalik) komparator dihubungkan ke VR2 (resistor variabel) untuk mengatur tegangan referensi komparator.

Di sini, komparator bekerja ketika input non-pembalik komparator tinggi dibandingkan dengan input pembalik maka outputnya tetap tinggi. Jadi pin keluaran IC seperti pin-1 terhubung ke dioda pemancar cahaya. Di sini, tegangan referensi diatur di seluruh preset VR1 agar sesuai dengan iluminasi ambang batas. Pada outputnya, LED akan ON begitu cahaya jatuh pada photodiode. Jadi, input pembalik turun ke nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan referensi yang ditetapkan pada input non-pembalik. Jadi, output akan memasok bias ke depan yang diperlukan ke dioda pemancar cahaya.

Fotodetektor vs Fotodioda

Perbedaan antara fotodetektor dan fotodioda meliputi yang berikut ini.

Efisiensi Kuantum Fotodetektor

Efisiensi kuantum fotodetektor dapat didefinisikan sebagai fraksi dari foton insiden yang diserap melalui fotokonduktor hingga elektron yang dihasilkan dikumpulkan di terminal detektor.

Efisiensi kuantum dapat dilambangkan dengan 'η'

Efisiensi Kuantum (η) = Elektron yang dihasilkan/Jumlah total foton yang datang

Dengan demikian,

η = (Arus/ Muatan elektron)/(Total daya optik foton kejadian/ Energi foton)

Jadi secara matematis, akan menjadi seperti

η = (Iph/ e)/(PD/hc/λ)

Keuntungan dan kerugian

Kelebihan photodetector antara lain sebagai berikut.

• Fotodetektor berukuran kecil.
• Kecepatan deteksinya cepat.
• Efisiensi pendeteksiannya tinggi.
• Mereka menghasilkan lebih sedikit kebisingan.
• Ini tidak mahal, kompak & ringan.
• Mereka memiliki umur panjang.
• Mereka memiliki efisiensi kuantum yang tinggi.
• Itu tidak membutuhkan tegangan tinggi.

Itu kelemahan fotodetektor termasuk berikut ini.

• Mereka memiliki sensitivitas yang sangat rendah.
• Mereka tidak memiliki keuntungan internal.
• Waktu respons sangat lambat.
• Area aktif detektor ini kecil.
• Perubahan dalam arus sangat kecil, jadi mungkin tidak cukup untuk menggerakkan sirkuit.
• Itu membutuhkan tegangan offset.

Aplikasi Fotodetektor

Aplikasi photodetector meliputi yang berikut ini.

• Fotodetektor digunakan dalam berbagai aplikasi mulai dari pintu otomatis di supermarket hingga pengontrol jarak jauh TV di dalam rumah Anda.
• Ini adalah komponen penting penting yang digunakan dalam komunikasi optik, keamanan, penglihatan malam, pencitraan video, pencitraan biomedis, deteksi gerakan & penginderaan gas yang memiliki kemampuan untuk mengubah cahaya menjadi sinyal listrik dengan tepat.
• Ini digunakan untuk mengukur daya optik & fluks bercahaya
• Ini terutama digunakan dalam berbagai jenis mikroskop & desain sensor optik.
• Ini penting untuk pengukur jarak laser.
• Ini biasanya digunakan dalam metrologi frekuensi, komunikasi serat optik, dll.
• Fotodetektor dalam fotometri & radiometri digunakan untuk mengukur sifat yang berbeda seperti daya optik, intensitas optik, radiasi & fluks bercahaya.
• Ini digunakan untuk mengukur daya optik dalam spektrometer, perangkat penyimpanan data optik, penghalang cahaya, profil sinar, mikroskop fluoresensi, autokorelator, interferometer & berbagai jenis sensor optik.
• Ini digunakan untuk LIDAR, pengukur jarak laser, perangkat penglihatan malam & eksperimen optik kuantum.
• Ini berlaku dalam metrologi frekuensi optik, komunikasi serat optik & juga untuk klasifikasi kebisingan laser atau laser berdenyut.
• Array dua dimensi dengan beberapa detektor foto identik terutama digunakan sebagai array bidang fokus & sering untuk aplikasi pencitraan.

Untuk apa fotodetektor digunakan?

Fotodetektor digunakan untuk mengubah energi foton cahaya menjadi sinyal listrik.

Apa karakteristik dari fotodetektor?

Karakteristik fotodetektor adalah fotosensitifitas, respons spektral, efisiensi kuantum, derau bias maju, arus gelap, daya setara derau, respons waktu, kapasitansi terminal, frekuensi cutoff & bandwidth frekuensi.

Apa saja persyaratan fotodetektor?

Persyaratan fotodetektor adalah; waktu respons singkat, kontribusi kebisingan paling sedikit, keandalan, sensitivitas tinggi, respons linier pada berbagai intensitas cahaya, tegangan bias rendah, biaya rendah & stabilitas karakteristik kinerja.

Apa yang digunakan dalam spesifikasi detektor optik?

Daya ekuivalen derau digunakan dalam spesifikasi detektor optik karena merupakan daya masukan optik yang menghasilkan daya keluaran tambahan yang sama dengan daya derau untuk lebar pita tertentu.

Apakah hasil kuantum & efisiensi kuantum sama?

Hasil kuantum dan efisiensi kuantum tidak sama karena probabilitas sebuah foton yang dipancarkan setelah satu foton diserap adalah hasil kuantum sedangkan efisiensi kuantum adalah probabilitas bahwa sebuah foton dipancarkan setelah sistem diberi energi ke kondisi pancarannya.

Jadi, ini gambaran umum tentang fotodetektor – bekerja dengan aplikasi. Perangkat ini didasarkan pada efek fotolistrik internal dan eksternal, sehingga terutama digunakan untuk mendeteksi cahaya. Ini pertanyaan untuk Anda, apa itu detektor optik ?