Photodétecteur : Circuit, Fonctionnement, Types & Ses Applications

Le photodétecteur est un composant essentiel d'un récepteur optique qui convertit le signal optique entrant en un signal électrique. Les photodétecteurs à semi-conducteurs sont généralement appelés photodiodes car ce sont les principaux types de photodétecteurs utilisés en optique. systèmes de communication en raison de leur vitesse de détection rapide, de leur efficacité de détection élevée et de leur petite taille. À l'heure actuelle, les photodétecteurs sont largement utilisés dans l'électronique industrielle, les communications électroniques, la médecine et les soins de santé, les équipements d'analyse, l'automobile et les transports, et bien d'autres. Ceux-ci sont également appelés photocapteurs et capteurs de lumière. Ainsi, cet article traite d'un aperçu d'un photodétecteur – travailler avec des applications.

Qu'est-ce qu'un photodétecteur ?

Une définition de photodétecteur est; un dispositif optoélectronique utilisé pour détecter la lumière incidente ou la puissance optique pour la convertir en un signal électrique est appelé photodétecteur. Habituellement, ce signal o/p est proportionnel à la puissance optique incidente. Ces capteurs sont absolument nécessaires pour différentes implémentations scientifiques telles que le contrôle de processus, les systèmes de communication par fibre optique, la sécurité, la détection environnementale et également dans les applications de défense. Des exemples de photodétecteurs sont les phototransistors et photodiodes .

Comment fonctionne le photodétecteur ?

Le photodétecteur fonctionne simplement en détectant la lumière ou d'autres rayonnements électromagnétiques ou les appareils peuvent recevoir les signaux optiques transmis. Les photodétecteurs qui utilisent semi-conducteurs fonctionnent sur la création de paires électron-trou selon le principe d'irradiation lumineuse.

Une fois qu'un matériau semi-conducteur est éclairé par des photons qui ont des énergies élevées ou équivalentes à sa bande interdite, les photons absorbés encouragent les électrons de la bande de valence à se déplacer dans la bande de conduction, laissant ainsi des trous dans la bande de valence. Les électrons dans la bande de conduction fonctionnent comme des électrons libres (trous) qui peuvent se disperser sous la puissance d'un champ électrique intrinsèque ou appliqué de l'extérieur.

Les paires électron-trou photogénérées en raison de l'absorption optique peuvent se recombiner et réémettre de la lumière à moins d'être soumises à une séparation médiée par un champ électrique pour donner une augmentation à un photocourant, qui est une fraction des porteurs de charge libres photogénérés reçus à les électrodes de l'agencement photodétecteur. L'amplitude du photocourant à une longueur d'onde spécifiée est directement proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente.

Propriétés

Les propriétés des photodétecteurs sont décrites ci-dessous.

Réponse spectrale - C'est la réponse du photodétecteur en fonction de la fréquence des photons.

Efficacité quantique – Le nombre de porteurs de charge générés pour chaque photon

Réactivité – C'est le courant de sortie séparé par la puissance totale de la lumière tombant sur le détecteur.

Puissance équivalente au bruit – C'est la quantité de puissance lumineuse nécessaire pour générer un signal de taille équivalente au bruit de l'appareil.

Détective – La racine carrée de la surface du détecteur séparée par la puissance équivalente du bruit.

Gain - C'est le courant de sortie du photodétecteur qui est divisé par le courant directement produit par les photons incidents sur les détecteurs.

Courant sombre- La circulation du courant dans un détecteur même en cas de manque de lumière.

Temps de réponse - C'est le temps nécessaire pour qu'un détecteur passe de 10 à 90 % de la sortie finale.

Spectre de bruit – Le courant ou la tension de bruit intrinsèque est une fonction de la fréquence qui peut être signifiée sous la forme d'une densité spectrale de bruit.

Non-linéarité – La non-linéarité du photodétecteur limite la sortie RF.

Types de photodétecteurs

Les photodétecteurs sont classés en fonction du mécanisme de détection de la lumière comme l'effet photoélectrique ou de photoémission, l'effet de polarisation, l'effet thermique, l'interaction faible ou l'effet photochimique. Les différents types de photodétecteurs comprennent principalement une photodiode, un photodétecteur MSM, un phototransistor, un détecteur photoconducteur, des phototubes et des photomultiplicateurs.

Photodiodes

Ce sont des dispositifs semi-conducteurs avec une structure de jonction PIN ou PN où la lumière est absorbée dans une région d'appauvrissement et produit un photocourant. Ces dispositifs sont rapides, hautement linéaires, très compacts et génèrent une efficacité quantique élevée, ce qui signifie qu'ils génèrent près d'un électron pour chaque photon incident et une plage dynamique élevée. Veuillez vous référer à ce lien pour en savoir plus sur Photodiodes .

Photodétecteurs MSM

Les photodétecteurs MSM (Métal-semi-conducteur-métal) comprennent deux Schottky contacts plutôt qu'un Jonction PN . Ces détecteurs sont potentiellement plus rapides que les photodiodes avec des bandes passantes allant jusqu'à des centaines de GHz. Les détecteurs MSM permettent aux détecteurs de très grande surface de se coupler facilement avec des fibres optiques sans dégrader la bande passante.

Phototransistor

Le phototransistor est un type de photodiode qui utilise une amplification interne du photocourant. Mais ceux-ci ne sont pas fréquemment utilisés par rapport aux photodiodes. Ceux-ci sont principalement utilisés pour détecter les signaux lumineux et les transformer en signaux électriques numériques. Ces composants sont simplement actionnés par la lumière plutôt que par le courant électrique. Les phototransistors sont peu coûteux et offrent un gain important, ils sont donc utilisés dans diverses applications. Veuillez vous référer à ce lien pour en savoir plus sur phototransistors .

Détecteurs photoconducteurs

Les détecteurs photoconducteurs sont également connus sous le nom de photorésistances, cellules photoélectriques et résistances dépendant de la lumière . Ces détecteurs sont fabriqués avec certains semi-conducteurs comme le CdS (sulfure de cadmium). Ainsi, ce détecteur comprend un matériau semi-conducteur avec deux électrodes métalliques connectées pour détecter la résistance. Par rapport aux photodiodes, celles-ci ne sont pas chères mais elles sont assez lentes, pas extrêmement sensibles et présentent une réponse non linéaire. Alternativement, ils peuvent réagir à la lumière infrarouge à grande longueur d'onde. Les détecteurs photoconducteurs sont séparés en différents types en fonction de la fonction des sensibilités spectrales telles que la plage de longueurs d'onde visible, la plage de longueurs d'onde proche infrarouge et la plage de longueurs d'onde IR.

Phototubes

Les tubes remplis de gaz ou tubes à vide utilisés comme photodétecteurs sont appelés phototubes. Un phototube est un détecteur photoémissif qui utilise un effet photoélectrique externe ou un effet photoémissif. Ces tubes sont fréquemment mis sous vide ou remplis parfois de gaz à basse pression.

Photomultiplicateur

Un photomultiplicateur est un type de phototube qui transforme les photons incidents en un signal électrique. Ces détecteurs utilisent un processus de multiplication d'électrons pour obtenir une sensibilité très accrue. Ils ont une grande surface active et une grande vitesse. Il existe différents types de photomultiplicateurs disponibles, tels que le tube photomultiplicateur, le photomultiplicateur magnétique, le photomultiplicateur électrostatique et le photomultiplicateur au silicium.

Schéma du circuit du photodétecteur

Le circuit du capteur de lumière utilisant un photodétecteur est illustré ci-dessous. Dans ce circuit, la photodiode est utilisée comme photodétecteur pour détecter l'existence ou l'inexistence de lumière. La sensibilité de ce capteur peut être simplement ajustée en utilisant le préréglage.

Les composants requis de ce circuit de capteur de lumière comprennent principalement une photodiode, une LED, CI LM339 , résistance, préréglage, etc. Connectez le circuit selon le schéma de circuit illustré ci-dessous.

Travail

Une photodiode est utilisée comme photodétecteur pour générer du courant dans le circuit une fois que la lumière tombe dessus. Dans ce circuit, la photodiode est utilisée en mode de polarisation inverse à travers la résistance R1. Ainsi, cette résistance R1 ne permet pas de fournir trop de courant à travers la photodiode au cas où une énorme quantité de lumière tomberait sur la photodiode.

Lorsqu'aucune lumière ne tombe sur la photodiode, il en résulte un potentiel élevé à la broche 6 d'un comparateur LM339 (entrée inverseuse). Une fois que la lumière tombe sur cette diode, elle permet au courant de circuler dans toute la diode et ainsi la tension chutera à travers elle. La broche 7 (entrée non inverseuse) du comparateur est connectée à un VR2 (résistance variable) pour régler la tension de référence du comparateur.

Ici, un comparateur fonctionne lorsque l'entrée non inverseuse du comparateur est élevée par rapport à l'entrée inverseuse, alors sa sortie reste élevée. Ainsi, la broche de sortie de IC comme la broche 1 est connectée à une diode électroluminescente. Ici, la tension de référence est réglée tout au long d'un préréglage VR1 pour correspondre à un éclairement de seuil. À la sortie, la LED s'allumera une fois que la lumière tombera sur la photodiode. Ainsi, l'entrée inverseuse chute à une valeur inférieure par rapport à la référence définie à l'entrée non inverseuse. Ainsi, la sortie fournit la polarisation directe requise à la diode électroluminescente.

Photodétecteur vs Photodiode

La différence entre le photodétecteur et la photodiode comprend les éléments suivants.

Efficacité quantique du photodétecteur

L'efficacité quantique du photodétecteur peut être définie comme la fraction des photons incidents qui sont absorbés par le photoconducteur pour que les électrons produits soient collectés à la borne du détecteur.

L'efficacité quantique peut être notée 'η'

Efficacité quantique (η) = Électrons générés/Nombre total de photons incidents

Ainsi,

η = (Courant/ Charge d'un électron)/(Puissance optique totale du photon incident/ Énergie du photon)

Donc, mathématiquement, cela deviendra comme

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

Avantages et inconvénients

Les avantages du photodétecteur sont les suivants.

• Les photodétecteurs sont de petite taille.
• Sa vitesse de détection est rapide.
• Son efficacité de détection est élevée.
• Ils génèrent moins de bruit.
• Ce ne sont pas chers, compacts et légers.
• Ils ont une longue durée de vie.
• Ils ont une efficacité quantique élevée.
• Il ne nécessite pas de haute tension.

La inconvénients du photodétecteur inclure les éléments suivants.

• Ils ont une très faible sensibilité.
• Ils n'ont aucun gain interne.
• Le temps de réponse est très lent.
• La surface active de ce détecteur est petite.
• Le changement dans le courant est extrêmement faible, il peut donc ne pas être suffisant pour piloter le circuit.
• Il nécessite une tension de décalage.

Applications des photodétecteurs

Les applications du photodétecteur comprennent les suivantes.

• Les photodétecteurs sont utilisés dans différentes applications allant des portes automatiques dans les supermarchés aux télécommandes de télévision dans votre maison.
• Ce sont des composants essentiels et importants utilisés dans les communications optiques, la sécurité, la vision nocturne, l'imagerie vidéo, l'imagerie biomédicale, la détection de mouvement et la détection de gaz qui ont la capacité de transformer exactement la lumière en signaux électriques.
• Ceux-ci sont utilisés pour mesurer la puissance optique et le flux lumineux
• Ceux-ci sont principalement utilisés dans différents types de conceptions de microscopes et de capteurs optiques.
• Celles-ci sont importantes pour les télémètres laser.
• Ceux-ci sont normalement utilisés dans la métrologie des fréquences, la communication par fibre optique, etc.
• Les photodétecteurs en photométrie et radiométrie sont utilisés pour mesurer différentes propriétés telles que la puissance optique, l'intensité optique, l'irradiance et le flux lumineux.
• Ceux-ci sont utilisés pour mesurer la puissance optique dans les spectromètres, les dispositifs de stockage de données optiques, les barrières lumineuses, les profileurs de faisceau, les microscopes à fluorescence, les autocorrélateurs, les interféromètres et différents types de capteurs optiques.
• Ceux-ci sont utilisés pour le LIDAR, les télémètres laser, les appareils de vision nocturne et les expériences d'optique quantique.
• Ceux-ci sont applicables dans la métrologie des fréquences optiques, les communications par fibre optique et également pour la classification du bruit laser ou des lasers pulsés.
• Les matrices bidimensionnelles avec plusieurs photodétecteurs identiques sont principalement utilisées comme matrices à plan focal et fréquemment pour des applications d'imagerie.

A quoi sert un photodétecteur ?

Les photodétecteurs sont utilisés pour convertir l'énergie photonique de la lumière en un signal électrique.

Quelles sont les caractéristiques d'un photodétecteur ?

Les caractéristiques des photodétecteurs sont la photosensibilité, la réponse spectrale, l'efficacité quantique, le bruit polarisé en direct, le courant d'obscurité, la puissance équivalente au bruit, la réponse temporelle, la capacité terminale, la fréquence de coupure et la bande passante de fréquence.

Quelles sont les exigences d'un photodétecteur?

Les exigences des photodétecteurs sont ; temps de réponse courts, moindre contribution au bruit, fiabilité, haute sensibilité, réponse linéaire sur une large gamme d'intensités lumineuses, faible tension de polarisation, faible coût et stabilité des caractéristiques de performance.

Qu'est-ce qui est utilisé dans la spécification des détecteurs optiques ?

La puissance équivalente de bruit est utilisée dans la spécification des détecteurs optiques car c'est la puissance d'entrée optique qui génère une puissance de sortie supplémentaire égale à cette puissance de bruit pour une bande passante spécifiée.

Le rendement quantique et l'efficacité quantique sont-ils les mêmes ?

Le rendement quantique et l'efficacité quantique ne sont pas les mêmes car la probabilité qu'un photon émette une fois qu'un photon a été absorbé est le rendement quantique tandis que l'efficacité quantique est la probabilité qu'un photon soit émis une fois que le système a été mis sous tension dans sa condition d'émission.

Ainsi, ceci est un aperçu d'un photodétecteur – travailler avec des applications. Ces dispositifs sont basés sur l'effet photoélectrique interne et externe, donc principalement utilisés pour la détection de la lumière. Voici une question pour vous, quels sont détecteurs optiques ?