Photodetector: الدائرة ، والعمل ، وأنواعها وتطبيقاتها

يعد جهاز الكشف الضوئي مكونًا أساسيًا في جهاز الاستقبال البصري الذي يحول الإشارة الضوئية الواردة إلى إشارة كهربائية. عادةً ما تسمى أجهزة الكشف الضوئية لأشباه الموصلات بالديودات الضوئية لأن هذه هي الأنواع الرئيسية لأجهزة الكشف الضوئية المستخدمة في نظم الاتصالات نظرًا لسرعة اكتشافها وكفاءتها العالية وصغر حجمها. في الوقت الحاضر ، تُستخدم أجهزة الكشف الضوئي على نطاق واسع في الإلكترونيات الصناعية ، والاتصالات الإلكترونية ، والطب والرعاية الصحية ، والمعدات التحليلية ، والسيارات والنقل ، وغيرها الكثير. تُعرف هذه أيضًا باسم مستشعرات الضوء وأجهزة استشعار الضوء. لذلك ، تتناول هذه المقالة نظرة عامة على ملف كاشف ضوئي - العمل مع التطبيقات.

ما هو Photodetector؟

تعريف كاشف ضوئي هو ؛ يُعرف الجهاز الإلكتروني البصري الذي يستخدم للكشف عن الضوء الساقط أو الطاقة الضوئية لتحويله إلى إشارة كهربائية باسم جهاز الكشف الضوئي. عادةً ما تكون إشارة o / p هذه متناسبة مع القدرة الضوئية الساقطة. هذه المستشعرات مطلوبة تمامًا للتطبيقات العلمية المختلفة مثل التحكم في العمليات وأنظمة اتصالات الألياف البصرية والسلامة والاستشعار البيئي وأيضًا في التطبيقات الدفاعية. ومن أمثلة أجهزة الكشف الضوئي أجهزة الترانزستورات الضوئية و الثنائيات الضوئية .

كيف يعمل Photodetector؟

يعمل جهاز Photodetector ببساطة عن طريق اكتشاف الضوء أو أي إشعاع كهرومغناطيسي آخر أو قد تقوم الأجهزة باستقبال الإشارات الضوئية المرسلة. أجهزة كشف الصور التي تستخدم ملفات أشباه الموصلات تعمل على إنشاء زوج ثقب الإلكترون بناءً على مبدأ تشعيع الضوء.

بمجرد إضاءة مادة شبه موصلة من خلال الفوتونات التي لها طاقات عالية أو مكافئة إلى فجوة الحزمة الخاصة بها ، فإن الفوتونات الممتصة تشجع إلكترونات نطاق التكافؤ على الانتقال إلى نطاق التوصيل ، وبالتالي تترك وراءها ثقوبًا داخل نطاق التكافؤ. تعمل الإلكترونات في نطاق التوصيل كإلكترونات حرة (ثقوب) يمكن أن تتشتت تحت قوة مجال كهربائي داخلي أو خارجي.

قد تعيد أزواج ثقب الإلكترون المولدة بالصور بسبب الامتصاص البصري تجميع الضوء وإعادة إصداره ما لم تتعرض لفصل بوساطة المجال الكهربائي لإعطاء زيادة في التيار الضوئي ، وهو جزء من ناقلات الشحن المجانية المولدة بالصور والمستلمة في ترتيب الأقطاب الكهربائية للكاشف الضوئي. يتناسب حجم التيار الضوئي عند الطول الموجي المحدد بشكل مباشر مع شدة الضوء الساقط.

الخصائص

تمت مناقشة خصائص أجهزة الكشف الضوئي أدناه.

الاستجابة الطيفية - إنها استجابة جهاز الكشف الضوئي كدالة لتردد الفوتون.

كفاءة ذرية - عدد حاملات الشحنة المولدة لكل فوتون

الاستجابة - إنه تيار الإخراج مفصولة بالقوة الإجمالية للضوء الذي يسقط على الكاشف.

قوة مكافئة للضوضاء - هو المقدار المطلوب من الطاقة الضوئية لتوليد إشارة تعادل في الحجم ضوضاء الجهاز.

التحري - الجذر التربيعي لمنطقة الكاشف مفصولة بقوة مكافئة للضوضاء.

يكسب - إنه تيار خرج كاشف الصور الذي يقسم على التيار الناتج مباشرة بواسطة فوتونات الحادث على الكاشفات.

الظلام الحالي- تدفق التيار عبر الكاشف حتى في حالة نقص الضوء.

وقت الاستجابة - إنه الوقت المطلوب للكاشف للانتقال من 10 إلى 90٪ من الناتج النهائي.

طيف الضوضاء - إن تيار الضوضاء الداخلية أو الجهد هو دالة للتردد يمكن الإشارة إليها في صورة كثافة طيفية للضوضاء.

اللاخطية - يحد اللاخطي لكاشف الصور من إخراج التردد اللاسلكي.

أنواع كاشفات الصور

يتم تصنيف أجهزة الكشف الضوئية بناءً على آلية الكشف عن الضوء مثل التأثير الكهروضوئي أو تأثير الانبعاث الضوئي أو تأثير الاستقطاب أو التأثير الحراري أو التفاعل الضعيف أو التأثير الكيميائي الضوئي. تشمل الأنواع المختلفة من أجهزة الكشف الضوئي بشكل أساسي الصمام الثنائي الضوئي ، والكاشف الضوئي MSM ، والترانزستور الضوئي ، والكاشف الضوئي ، والأنابيب الضوئية والمضاعفات الضوئية.

الثنائيات الضوئية

هذه هي أجهزة أشباه الموصلات ذات بنية تقاطع PIN أو PN حيث يتم امتصاص الضوء داخل منطقة استنفاد وينتج تيارًا ضوئيًا. هذه الأجهزة سريعة وخطية للغاية ومضغوطة للغاية وتولد كفاءة كمومية عالية مما يعني أنها تولد إلكترونًا واحدًا تقريبًا لكل فوتون عارض ونطاق ديناميكي عالٍ. يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن الثنائيات الضوئية .

أجهزة كشف MSM الضوئية

تشتمل أجهزة الكشف الضوئي MSM (المعادن - أشباه الموصلات - المعادن) على اثنين شوتكي الاتصالات بدلا من أ السندات الإذنية تقاطع . من المحتمل أن تكون هذه الكواشف أسرع مقارنة بالديودات الضوئية التي تصل إلى مئات من عرض النطاق الترددي GHz. تسمح أجهزة الكشف MSM لكاشفات المنطقة الكبيرة جدًا بإجراء اقتران سهل مع الألياف الضوئية دون تدهور عرض النطاق الترددي.

الترانزستور الضوئي

الترانزستور الضوئي هو أحد أنواع الثنائي الضوئي الذي يستخدم التضخيم الداخلي للتيار الضوئي. ولكن لا يتم استخدامها بشكل متكرر بالمقارنة مع الثنائيات الضوئية. تستخدم هذه بشكل أساسي للكشف عن الإشارات الضوئية وتحويلها إلى إشارات كهربائية رقمية. يتم تشغيل هذه المكونات ببساطة من خلال الضوء بدلاً من التيار الكهربائي. تعتبر أجهزة الترانزستورات الضوئية منخفضة التكلفة وتوفر قدرًا كبيرًا من المكاسب ، لذلك يتم استخدامها في تطبيقات مختلفة. يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن الترانزستورات الضوئية .

كاشفات ضوئية

تُعرف أجهزة الكشف عن الناقلية الضوئية أيضًا باسم مقاومات الضوء والخلايا الضوئية و المقاومات التي تعتمد على الضوء . هذه الكواشف مصنوعة من بعض أشباه الموصلات مثل CdS (كبريتيد الكادميوم). لذلك يشتمل هذا الكاشف على مادة شبه موصلة مع قطبين كهربائيين معدنيين متصلين لاكتشاف المقاومة. بالمقارنة مع الثنائيات الضوئية ، فهذه ليست باهظة الثمن ولكنها بطيئة جدًا وليست حساسة للغاية وتظهر استجابة غير خطية. بدلاً من ذلك ، يمكنهم التفاعل مع ضوء الأشعة تحت الحمراء طويل الموجة. يتم فصل أجهزة الكشف عن الناقلية الضوئية إلى أنواع مختلفة بناءً على وظيفة الاستجابات الطيفية مثل نطاق الطول الموجي المرئي ونطاق الطول الموجي القريب من الأشعة تحت الحمراء ونطاق الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء.

الأنابيب الضوئية

تُعرف الأنابيب المملوءة بالغاز أو الأنابيب المفرغة التي تُستخدم كأجهزة كشف ضوئية بالأنابيب الضوئية. الأنبوب الضوئي هو ملف كاشف ضوئي يستخدم تأثير كهروضوئي خارجي أو تأثير ضوئي. يتم تفريغ هذه الأنابيب بشكل متكرر أو ملؤها أحيانًا بالغاز عند ضغط منخفض.

مضاعف ضوئي

المضاعف الضوئي هو أحد أنواع الأنبوب الضوئي الذي يغير الفوتونات الساقطة إلى إشارة كهربائية. تستخدم هذه الكواشف عملية مضاعفة الإلكترون للحصول على استجابة متزايدة. لديهم مساحة كبيرة نشطة وسرعة عالية. هناك أنواع مختلفة من المضاعفات الضوئية المتاحة مثل أنبوب مضاعف ضوئي ، ومضاعف ضوئي مغناطيسي ، ومضاعف ضوئي كهربائي ، ومضاعف ضوئي للسيليكون.

رسم تخطيطي لدائرة الكاشف الضوئي

يتم عرض دائرة مستشعر الضوء باستخدام جهاز الكشف الضوئي أدناه. في هذه الدائرة ، يتم استخدام الثنائي الضوئي كجهاز كشف ضوئي لاكتشاف وجود أو عدم وجود الضوء. يمكن تعديل حساسية هذا المستشعر ببساطة باستخدام الضبط المسبق.

تشتمل المكونات المطلوبة لدائرة مستشعر الضوء هذه بشكل أساسي على الثنائي الضوئي ، LED ، LM339 IC ، المقاوم ، الضبط المسبق ، إلخ. قم بتوصيل الدائرة وفقًا لمخطط الدائرة الموضح أدناه.

عمل

يستخدم الثنائي الضوئي كجهاز كشف ضوئي لتوليد تيار داخل الدائرة بمجرد سقوط الضوء عليها. في هذه الدائرة ، يتم استخدام الثنائي الضوئي في وضع التحيز العكسي من خلال المقاوم R1. لذلك لا يسمح المقاوم R1 هذا بتزويد الكثير من التيار في جميع أنحاء الثنائي الضوئي في حالة سقوط كمية كبيرة من الضوء على الثنائي الضوئي.

عندما لا يسقط ضوء على الثنائي الضوئي ، فإنه ينتج عنه إمكانات عالية عند الطرف 6 لمقارن LM339 (عكس المدخلات). بمجرد أن يسقط الضوء على هذا الصمام الثنائي ، فإنه يسمح للتيار بالتزويد في جميع أنحاء الصمام الثنائي وبالتالي سينخفض ​​الجهد عبره. يتم توصيل pin7 (المدخلات غير العاكسة) للمقارنة بـ VR2 (المقاوم المتغير) لتعيين الجهد المرجعي للمقارنة.

هنا ، يعمل المقارن عندما يكون الإدخال غير المقلوب للمقارن مرتفعًا مقارنةً بمدخلات معكوسة ، ثم يظل ناتجه مرتفعًا. لذا فإن دبوس خرج IC مثل pin-1 متصل بصمام ثنائي باعث للضوء. هنا ، يتم ضبط الجهد المرجعي عبر الإعداد المسبق VR1 ليتوافق مع إضاءة العتبة. عند الإخراج ، سيتم تشغيل مؤشر LED بمجرد سقوط الضوء على الثنائي الضوئي. لذلك ، ينخفض ​​الإدخال المقلوب إلى قيمة أقل مقارنة بالمجموعة المرجعية عند الإدخال غير المقلوب. لذلك ، يذهب الناتج لتوفير التحيز المطلوب للأمام إلى الصمام الثنائي الباعث للضوء.

Photodetector مقابل Photodiode

يشمل الاختلاف بين الكاشف الضوئي والثنائي الضوئي ما يلي.

الكفاءة الكمية للكاشف الضوئي

يمكن تعريف الكفاءة الكمية للكاشف الضوئي على أنها جزء من الفوتونات الساقطة التي يتم امتصاصها من خلال الموصل الضوئي إلى الإلكترونات المنتجة يتم جمعها في طرف الكاشف.

يمكن الإشارة إلى كفاءة الكم بـ 'η'

الكفاءة الكمية (η) = الإلكترونات المولدة / العدد الإجمالي للفوتونات العارضة

هكذا،

η = (التيار / شحن الإلكترون) / (إجمالي الطاقة الضوئية للفوتون الساقط / طاقة الفوتون)

رياضيا ، سيصبح مثل

η = (Iph / e) / (PD / hc / λ)

المميزات والعيوب

تشمل مزايا جهاز الكشف الضوئي ما يلي.

• أجهزة الكشف الضوئية صغيرة الحجم.
• سرعة الكشف الخاصة به سريعة.
• كفاءة الكشف عالية.
• يولدون ضوضاء أقل.
• هذه ليست باهظة الثمن ومدمجة وخفيفة الوزن.
• لديهم عمر طويل.
• لديهم كفاءة كمية عالية.
• لا يتطلب جهدًا عاليًا.

ال مساوئ جهاز كشف الضوء تشمل ما يلي.

• لديهم حساسية منخفضة للغاية.
• ليس لديهم مكاسب داخلية.
• وقت الاستجابة بطيء جدًا.
• المنطقة النشطة لهذا الكاشف صغيرة.
• التغيير داخل التيار صغير للغاية ، لذلك قد لا يكون كافياً لقيادة الدائرة.
• يتطلب جهد تعويض.

تطبيقات أجهزة كشف الصور

تشمل تطبيقات جهاز الكشف الضوئي ما يلي.

• تُستخدم أجهزة الكشف عن الصور في تطبيقات مختلفة تتراوح من الأبواب الأوتوماتيكية في محلات السوبر ماركت إلى أجهزة التحكم عن بُعد الخاصة بالتلفزيون داخل منزلك.
• هذه مكونات مهمة أساسية تستخدم في الاتصالات الضوئية ، والأمن ، والرؤية الليلية ، وتصوير الفيديو ، والتصوير الطبي الحيوي ، وكشف الحركة واستشعار الغاز والتي لديها القدرة على تحويل الضوء إلى إشارات كهربائية بالضبط.
• تستخدم هذه لقياس القوة الضوئية والتدفق الضوئي
• تستخدم هذه بشكل أساسي في أنواع مختلفة من تصميمات المجاهر وأجهزة الاستشعار البصري.
• هذه مهمة لأجهزة تحديد المدى بالليزر.
• تُستخدم عادةً في قياس التردد واتصالات الألياف الضوئية وما إلى ذلك.
• تستخدم أجهزة الكاشفات الضوئية في القياس الضوئي والقياس الإشعاعي لقياس الخصائص المختلفة مثل القوة الضوئية ، والشدة الضوئية ، والإشعاع ، والتدفق الضوئي.
• تستخدم في قياس القوة الضوئية داخل أجهزة قياس الطيف وأجهزة تخزين البيانات الضوئية وحواجز الضوء ومقاطع الشعاع ومجاهر التألق والمرابطات التلقائية ومقاييس التداخل وأنواع مختلفة من المستشعرات الضوئية.
• تستخدم هذه في LIDAR وأجهزة ضبط المسافة بالليزر وأجهزة الرؤية الليلية وتجارب البصريات الكمومية.
• هذه قابلة للتطبيق في قياس التردد البصري ، واتصالات الألياف الضوئية وأيضًا لتصنيف ضوضاء الليزر أو الليزر النبضي.
• تُستخدم المصفوفات ثنائية الأبعاد التي تحتوي على العديد من أجهزة الكشف عن الصور المتطابقة بشكل أساسي كمصفوفات مستوى بؤري وكثيراً ما تستخدم في تطبيقات التصوير.

ما هو كاشف ضوئي يستخدم؟

تستخدم أجهزة الكشف عن الضوء لتحويل طاقة الفوتون الضوئية إلى إشارة كهربائية.

ما هي خصائص جهاز كشف الضوء؟

خصائص أجهزة الكشف الضوئي هي الحساسية للضوء ، والاستجابة الطيفية ، وكفاءة الكم ، والضوضاء المنحازة للأمام ، والتيار المظلم ، والطاقة المكافئة للضوضاء ، واستجابة التوقيت ، والسعة الطرفية ، وتردد القطع ، وعرض النطاق الترددي للتردد.

ما هي متطلبات جهاز كشف الضوء؟

متطلبات أجهزة الكشف الضوئي هي ؛ أوقات استجابة قصيرة ، أقل مساهمة للضوضاء ، موثوقية ، حساسية عالية ، استجابة خطية على نطاق واسع من شدة الضوء ، جهد انحياز منخفض ، تكلفة منخفضة واستقرار خصائص الأداء.

ما الذي يستخدم في مواصفات الكاشفات الضوئية؟

تُستخدم القدرة المكافئة للضوضاء في مواصفات أجهزة الكشف الضوئية لأن طاقة الإدخال البصري هي التي تولد طاقة خرج إضافية تساوي طاقة الضوضاء لعرض النطاق الترددي المحدد.

هل العائد الكمي وكفاءة الكم متماثلان؟

العائد الكمي والكفاءة الكمية ليسا متماثلين لأن احتمال انبعاث الفوتون بمجرد امتصاص فوتون واحد هو العائد الكمي بينما الكفاءة الكمومية هي احتمال انبعاث الفوتون بمجرد تنشيط النظام لحالة الانبعاث.

وهكذا ، هذا هو لمحة عامة عن كاشف ضوئي - العمل مع التطبيقات. تعتمد هذه الأجهزة على التأثير الكهروضوئي الداخلي والخارجي ، لذا فهي تستخدم بشكل أساسي للكشف عن الضوء. هنا سؤال لك ، ما هي أجهزة كشف بصرية ؟