光検出器は、入力光信号を電気信号に変換する光受信機に不可欠なコンポーネントです。半導体光検出器は通常フォトダイオードと呼ばれます。通信システム検出速度が速く、検出効率が高く、サイズが小さいためです。現在、光検出器は、産業用電子機器、電子通信、医療とヘルスケア、分析機器、自動車と輸送などで広く使用されています。これらは、光センサーおよび光センサーとしても知られています。したがって、この記事では、 光検出器 – アプリケーションの操作。

光検出器とは

光検出器の定義は次のとおりです。入射光または光パワーを検出して電気信号に変換するために使用される光電子デバイスは、光検出器として知られています。通常、この o/p 信号は入射光パワーに比例します。これらのセンサーは、プロセス制御、光ファイバー通信システム、安全性、環境センシング、および防衛アプリケーションなど、さまざまな科学的実装に絶対に必要です。光検出器の例としては、フォトトランジスタとフォトダイオード .

光検出器

光検出器のしくみ?

光検出器は、単に光または他の電磁放射を検出することによって機能するか、送信された光信号を受信することによってデバイスを検出することができます。使用する光検出器半導体光照射原理による電子正孔対生成に作用する。

半導体材料が、そのバンドギャップと同等または高いエネルギーを持つ光子によって照射されると、吸収された光子が価電子帯の電子を伝導帯に移動させ、価電子帯内に正孔を残します。伝導帯の電子は自由電子 (正孔) として機能し、固有の電界または外部から印加された電界の力で分散することができます。

“スイッチング電源回路図 ”

光吸収のために光生成された電子正孔対は、電場を介した分離を受けない限り、光を再結合して再放出する可能性があります。光検出器配列の電極。指定された波長での光電流の大きさは、入射光の強度に正比例します。

プロパティ

光検出器の特性については、以下で説明します。

スペクトル応答 – これは、光子周波数関数としての光検出器の応答です。

量子効率 – 各光子に対して生成される電荷キャリアの数

応答性 – これは、検出器に落ちる光の総パワーによって分離された出力電流です。

ノイズ等価電力 – これは、デバイスのノイズと同等のサイズの信号を生成するために必要な光パワーの量です。

検出力 – ノイズ等価パワーで分離された検出器の面積の平方根。

利得 - これは、光検出器の出力電流を、検出器への入射光子によって直接生成された電流で割ったものです。

暗電流- 光が不足している場合でも、検出器全体に流れる電流。

反応時間 - 検出器が最終出力の 10 ～ 90% になるまでに必要な時間です。

ノイズスペクトル – 固有ノイズ電流または電圧は、ノイズスペクトル密度形式で表すことができる周波数の関数です。

非線形性 – 光検出器の非線形性により、RF 出力が制限されます。

光検出器の種類

光検出器は、光電または光電子放出効果、偏光効果、熱効果、弱い相互作用、または光化学効果などの光の検出メカニズムに基づいて分類されます。さまざまなタイプの光検出器には、主にフォトダイオード、MSM 光検出器、フォトトランジスタ、光伝導検出器、光電管、光電子増倍管が含まれます。

フォトダイオード

これらは、光が空乏領域内で吸収されて光電流を生成する PIN または PN 接合構造を持つ半導体デバイスです。これらのデバイスは、高速で、線形性が高く、非常にコンパクトで、高い量子効率を生成します。つまり、入射光子ごとにほぼ 1 つの電子を生成し、ダイナミックレンジが大きくなります。詳細については、このリンクを参照してください。フォトダイオード .

フォトダイオード

MSM光検出器

MSM (金属-半導体-金属) 光検出器には 2 つのショットキー連絡先ではなく PN接合 .これらの検出器は、最大数百 GHz の帯域幅を持つフォトダイオードと比較して、潜在的に高速です。 MSM 検出器を使用すると、帯域幅を低下させることなく、非常に広い領域の検出器を光ファイバーと簡単に結合できます。

MSM光検出器

フォトトランジスタ

フォトトランジスタは、光電流の内部増幅を使用するフォトダイオードの一種です。しかし、これらはフォトダイオードに比べてあまり使用されていません。これらは主に光信号を検出し、デジタル電気信号に変換するために使用されます。これらのコンポーネントは、電流ではなく光で簡単に操作できます。フォトトランジスタは低コストでゲインが大きいため、さまざまな用途に使用されています。詳細については、このリンクを参照してください。フォトトランジスタ .

フォトトランジスタ

光伝導検出器

光導電性検出器は、フォトレジスター、フォトセル、光依存抵抗器 .これらの検出器は、CdS (硫化カドミウム) などの特定の半導体で作られています。そのため、この検出器には、抵抗を検出するための 2 つの金属電極が接続された半導体材料が含まれています。フォトダイオードと比較すると、これらは高価ではありませんが、非常に遅く、極端に敏感ではなく、非線形応答を示します。あるいは、長波長の IR 光に反応することもあります。光伝導検出器は、可視波長域、近赤外波長域、IR 波長域などのスペクトル感度の機能に基づいて、さまざまなタイプに分類されます。

光導電検出器

光電管

光検出器として使用されるガス充填管または真空管は、光電管として知られています。光電管は、 光電子検出器 外部光電効果または光電子効果を使用します。これらのチューブは頻繁に排気されるか、時には低圧のガスで満たされます。

光電管

光電子増倍管

光電子増倍管は、入射光子を電気信号に変換する光電管の一種です。これらの検出器は、電子増倍プロセスを使用して、応答性を大幅に向上させます。彼らは広いアクティブエリアと高速を持っています。光電子増倍管、磁気光電子増倍管、静電型光電子増倍管、シリコン光電子増倍管など、さまざまな種類の光電子増倍管があります。

光電子増倍管

光検出器回路図

光検出器を使用した光センサー回路を以下に示します。この回路では、フォトダイオードを受光素子として光の有無を検出しています。このセンサーの感度は、プリセットを使用して簡単に調整できます。

この光センサー回路に必要なコンポーネントには、主にフォトダイオード、LED、 LM339 IC 、抵抗器、プリセットなど下図の回路図のように回路を接続してください。

フォトダイオードを光検出器として使用する光センサー回路

働く

フォトダイオードは、光が当たると回路内で電流を生成する光検出器として使用されます。この回路では、フォトダイオードは R1 抵抗を介して逆バイアスモードで使用されます。したがって、この R1 抵抗は、フォトダイオードに大量の光が落ちた場合に、フォトダイオード全体に供給される電流が多すぎることを許可しません。

フォトダイオードに光が当たらない場合、LM339 コンパレータのピン 6 (反転入力) の電位が高くなります。このダイオードに光が当たると、ダイオード全体に電流が供給されるようになり、ダイオード全体で電圧が低下します。コンパレータのピン 7 (非反転入力) は、コンパレータの基準電圧を設定するために VR2 (可変抵抗器) に接続されています。

ここで、コンパレータは、コンパレータの非反転入力が反転入力と比較して高いときに動作し、その出力は高いままです。そのため、ピン1のようなICの出力ピンは発光ダイオードに接続されています。ここで、基準電圧は、閾値照明に対応するようにＶＲ１プリセット全体にわたって設定される。出力では、フォトダイオードに光が当たると LED がオンになります。したがって、反転入力は、非反転入力で設定された基準と比較して、より低い値に低下します。したがって、出力は必要な順方向バイアスを発光ダイオードに供給します。

光検出器とフォトダイオード

光検出器とフォトダイオードの違いには次のようなものがあります。

光検出器	フォトダイオード
光検出器は光センサーです。	光に反応する半導体ダイオードです。
光検出器は、光を検出するためのアンプと一緒には使用されません。	フォトダイオードは、低レベルの光を検出するためにアンプを使用します。これは、光が当たると漏れ電流が変化するためです。
光検出器は、バンドギャップが 0.73 eV の化合物半導体で簡単に作れます。	フォトダイオードは、単純に P 型と N 型の 2 つの半導体で構成されています。 “建物のリフトの種類 ”
これらはフォトダイオードよりも低速です。	これらは光検出器よりも高速です。
光検出器の応答は、フォトダイオードに比べて速くありません。	フォトダイオードの応答は、光検出器と比較してはるかに高速です。
それはより敏感です。	感度が低いです。
光検出器は、光の光子エネルギーを電気信号に変換します。	フォトダイオードは光エネルギーを変換し、光の明るさを検出します。
光検出器の温度範囲は、8K ～ 420 K です。	フォトダイオードの温度範囲は 27°C ～ 550°C です。

光検出器の量子効率

光検出器の量子効率は、光伝導体を介して吸収され、生成された電子が検出器端子で収集される入射光子の割合として定義できます。

量子効率は「η」で表すことができます

量子効率 (η) = 生成された電子/入射光子の総数

したがって、

η = (電流/電子の電荷)/(全入射光子の光出力/光子エネルギー)

数学的には、次のようになります

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

長所と短所

光検出器の利点には、次のようなものがあります。

光検出器は小型です。
その検出速度は速いです。
その検出効率は高いです。
それらはより少ないノイズを生成します。
これらは高価ではなく、コンパクトで軽量です。
彼らは長い寿命を持っています。
それらは高い量子効率を持っています。
高電圧は必要ありません。

の 光検出器の短所 以下のものが含まれます。

彼らは感度が非常に低いです。
内部利得はありません。
応答時間は非常に遅いです。
この検出器のアクティブ領域は小さいです。
電流内の変化は非常に小さいため、回路を駆動するには不十分な場合があります。
オフセット電圧が必要です。

光検出器の応用

光検出器のアプリケーションには、次のものがあります。

光検出器は、スーパーマーケットの自動ドアから家庭内のテレビのリモコンまで、さまざまな用途で使用されています。
これらは、光を電気信号に正確に変換する機能を備えた、光通信、セキュリティ、暗視、ビデオイメージング、生物医学イメージング、モーション検出、およびガスセンシングで使用される重要なコンポーネントです。
これらは、光パワーと光束の測定に使用されます
これらは主に、さまざまな種類の顕微鏡および光学センサーの設計で使用されます。
これらは、レーザー距離計にとって重要です。
これらは通常、周波数計測、光ファイバー通信などで使用されます。
測光および放射測定の光検出器は、光パワー、光強度、放射照度、光束などのさまざまな特性を測定するために使用されます。
これらは、分光計、光データストレージデバイス、ライトバリア、ビームプロファイラー、蛍光顕微鏡、自己相関器、干渉計、およびさまざまな種類の光センサー内の光パワーの測定に使用されます。
これらは、LIDAR、レーザー距離計、暗視装置、量子光学実験に使用されます。
これらは、光周波数計測、光ファイバー通信、およびレーザーノイズまたはパルスレーザーの分類にも適用できます。
いくつかの同一の光検出器を備えた2次元アレイは、主に焦点面アレイとして使用され、イメージングアプリケーションに頻繁に使用されます。