फोटोडेटेक्टर: सर्किट, कार्य, प्रकार और इसके अनुप्रयोग

फोटोडेटेक्टर एक ऑप्टिकल रिसीवर में एक आवश्यक घटक है जो आने वाले ऑप्टिकल सिग्नल को विद्युत सिग्नल में परिवर्तित करता है। सेमीकंडक्टर फोटोडेटेक्टर्स को आमतौर पर फोटोडायोड कहा जाता है क्योंकि ये ऑप्टिकल में उपयोग किए जाने वाले मुख्य प्रकार के फोटोडेटेक्टर हैं संचार प्रणाली उनकी त्वरित पहचान गति, उच्च पहचान दक्षता और छोटे आकार के कारण। वर्तमान में, फोटोडेटेक्टर का व्यापक रूप से औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स, इलेक्ट्रॉनिक संचार, चिकित्सा और स्वास्थ्य देखभाल, विश्लेषणात्मक उपकरण, मोटर वाहन और परिवहन, और बहुत कुछ में उपयोग किया जाता है। इन्हें फोटोसेंसर और प्रकाश के सेंसर के रूप में भी जाना जाता है। तो, यह लेख एक के अवलोकन पर चर्चा करता है फोटोडिटेक्टर - अनुप्रयोगों के साथ काम करना।

फोटोडेटेक्टर क्या है?

एक फोटोडेटेक्टर परिभाषा है; एक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक डिवाइस जिसका उपयोग घटना प्रकाश या ऑप्टिकल पावर को विद्युत सिग्नल में बदलने के लिए किया जाता है, फोटोडेटेक्टर के रूप में जाना जाता है। आमतौर पर, यह ओ/पी संकेत घटना ऑप्टिकल शक्ति के समानुपाती होता है। प्रक्रिया नियंत्रण, फाइबर ऑप्टिक संचार प्रणाली, सुरक्षा, पर्यावरण संवेदन और रक्षा अनुप्रयोगों जैसे विभिन्न वैज्ञानिक कार्यान्वयनों के लिए इन सेंसरों की नितांत आवश्यकता है। फोटोडिटेक्टर के उदाहरण फोटोट्रांजिस्टर और हैं फोटोडिओड .

फोटोडेटेक्टर कैसे काम करता है?

फोटोडेटेक्टर बस प्रकाश या अन्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण या उपकरणों का पता लगाकर काम करता है जो प्रेषित ऑप्टिकल सिग्नल प्राप्त कर सकता है। फोटोडेटेक्टर जो उपयोग करते हैं अर्धचालकों प्रकाश विकिरण सिद्धांत पर इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म निर्माण पर काम करते हैं।

एक बार एक सेमीकंडक्टर सामग्री को उन फोटॉन के माध्यम से प्रकाशित किया जाता है जिनके बैंडगैप में उच्च या समकक्ष ऊर्जा होती है, तो अवशोषित फोटॉन वैलेंस बैंड इलेक्ट्रॉनों को कंडक्शन बैंड में जाने के लिए प्रोत्साहित करते हैं, जिससे वैलेंस बैंड के भीतर छेद पीछे रह जाते हैं। चालन बैंड में इलेक्ट्रॉन मुक्त इलेक्ट्रॉनों (छिद्रों) के रूप में कार्य करते हैं जो आंतरिक या बाह्य रूप से लागू विद्युत क्षेत्र की शक्ति के तहत फैल सकते हैं।

ऑप्टिकल अवशोषण के कारण फोटो-जनित इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े प्रकाश को फिर से जोड़ सकते हैं और फिर से उत्सर्जित कर सकते हैं जब तक कि एक विद्युत क्षेत्र-मध्यस्थता जुदाई के अधीन न हो, जो एक फोटोकरंट में वृद्धि देता है, जो फोटो-जनित फ्री चार्ज वाहक का एक अंश है। फोटोडेटेक्टर व्यवस्था के इलेक्ट्रोड। एक निर्दिष्ट तरंग दैर्ध्य पर प्रकाशिक परिमाण आपतित प्रकाश की तीव्रता के सीधे आनुपातिक होता है।

गुण

फोटोडेटेक्टर के गुणों पर नीचे चर्चा की गई है।

वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया - यह फोटॉन फ्रीक्वेंसी फंक्शन के रूप में फोटोडेटेक्टर की प्रतिक्रिया है।

क्वांटम दक्षता - प्रत्येक फोटॉन के लिए उत्पन्न आवेश वाहकों की संख्या

जवाबदेही – यह डिटेक्टर पर गिरने वाली प्रकाश की कुल शक्ति से अलग किया गया आउटपुट करंट है।

शोर-समतुल्य शक्ति – यह एक संकेत उत्पन्न करने के लिए प्रकाश शक्ति की आवश्यक मात्रा है जो डिवाइस के शोर के आकार के बराबर है।

जासूसी - शोर समकक्ष शक्ति द्वारा अलग किए गए डिटेक्टर के क्षेत्र का वर्गमूल।

बढ़त - यह फोटो डिटेक्टर का आउटपुट करंट है जो डिटेक्टरों पर घटना फोटॉनों द्वारा सीधे उत्पादित करंट से विभाजित होता है।

डार्क करेंट- प्रकाश की कमी में भी एक संसूचक में धारा का प्रवाह।

प्रतिक्रिया समय - डिटेक्टर के अंतिम आउटपुट के 10 - 90% से जाने के लिए यह आवश्यक समय है।

शोर स्पेक्ट्रम – आंतरिक शोर वर्तमान या वोल्टेज आवृत्ति का एक कार्य है जिसे शोर वर्णक्रमीय घनत्व के रूप में दर्शाया जा सकता है।

अरैखिकता – फोटो डिटेक्टर की गैर-रैखिकता आरएफ आउटपुट को सीमित करती है।

फोटोडेटेक्टर प्रकार

फोटोडेटेक्टर्स को प्रकाश की पहचान तंत्र के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है जैसे कि फोटोइलेक्ट्रिक या फोटोमिशन प्रभाव, ध्रुवीकरण प्रभाव, थर्मल प्रभाव, कमजोर बातचीत, या फोटोकैमिकल प्रभाव। विभिन्न प्रकार के फोटोडेटेक्टरों में मुख्य रूप से एक फोटोडायोड, एमएसएम फोटोडेटेक्टर, फोटोट्रांसिस्टर, फोटोकंडक्टिव डिटेक्टर, फोटोट्यूब और फोटोमल्टीप्लायर शामिल हैं।

फोटोडिओड

ये एक पिन या पीएन जंक्शन संरचना वाले सेमीकंडक्टर उपकरण हैं जहां प्रकाश एक कमी क्षेत्र के भीतर अवशोषित होता है और एक फोटोकरंट उत्पन्न करता है। ये उपकरण तेज, अत्यधिक रैखिक, बहुत कॉम्पैक्ट हैं और एक उच्च क्वांटम दक्षता उत्पन्न करते हैं, जिसका अर्थ है कि यह प्रत्येक घटना फोटॉन और एक उच्च गतिशील रेंज के लिए लगभग एक इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है। अधिक जानने के लिए कृपया इस लिंक को देखें फोटोडिओड .

एमएसएम फोटोडेटेक्टर्स

एमएसएम (मेटल-सेमीकंडक्टर-मेटल) फोटोडेटेक्टर में दो शामिल हैं schottky ए के बजाय संपर्क पीएन जंक्शन . सैकड़ों गीगाहर्ट्ज़ बैंडविड्थ वाले फोटोडायोड की तुलना में ये डिटेक्टर संभावित रूप से तेज़ हैं। MSM डिटेक्टर बहुत बड़े क्षेत्र डिटेक्टरों को बिना बैंडविड्थ गिरावट के ऑप्टिकल फाइबर के साथ आसान युग्मन बनाने की अनुमति देते हैं।

phototransistor

फोटोट्रांसिस्टर एक प्रकार का फोटोडायोड है जो फोटोकरंट के आंतरिक प्रवर्धन का उपयोग करता है। लेकिन फोटोडायोड की तुलना में इनका अक्सर उपयोग नहीं किया जाता है। ये मुख्य रूप से प्रकाश संकेतों का पता लगाने और उन्हें डिजिटल विद्युत संकेतों में बदलने के लिए उपयोग किया जाता है। ये घटक केवल विद्युत प्रवाह के बजाय प्रकाश के माध्यम से संचालित होते हैं। Phototransistors कम लागत वाले हैं और बड़ी मात्रा में लाभ प्रदान करते हैं, इसलिए उनका उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है। अधिक जानने के लिए कृपया इस लिंक को देखें phototransistors .

फोटोकंडक्टिव डिटेक्टर

फोटोकंडक्टिव डिटेक्टरों को फोटोरेसिस्टर्स, फोटोकल्स और के रूप में भी जाना जाता है प्रकाश-निर्भर प्रतिरोधक . ये डिटेक्टर कुछ अर्धचालकों जैसे सीडीएस (कैडमियम सल्फाइड) से बने होते हैं। तो इस डिटेक्टर में प्रतिरोध का पता लगाने के लिए दो जुड़े धातु इलेक्ट्रोड के साथ अर्धचालक सामग्री शामिल है। फोटोडायोड की तुलना में, ये महंगे नहीं हैं, लेकिन ये काफी धीमे हैं, अत्यंत संवेदनशील नहीं हैं और एक अरैखिक प्रतिक्रिया प्रदर्शित करते हैं। वैकल्पिक रूप से, वे लंबी-तरंग दैर्ध्य आईआर प्रकाश पर प्रतिक्रिया कर सकते हैं। फोटोकंडक्टिव डिटेक्टरों को दृश्य तरंग दैर्ध्य रेंज, निकट-अवरक्त तरंग दैर्ध्य रेंज और आईआर तरंग दैर्ध्य रेंज जैसे वर्णक्रमीय उत्तरदायित्वों के कार्य के आधार पर विभिन्न प्रकारों में विभाजित किया जाता है।

फोटोट्यूब

फोटोडेटेक्टर के रूप में उपयोग किए जाने वाले गैस से भरे ट्यूब या वैक्यूम ट्यूब को फोटोट्यूब के रूप में जाना जाता है। एक फोटोट्यूब है फोटोमिसिव डिटेक्टर जो बाहरी फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव या फोटोमिसिव प्रभाव का उपयोग करता है। इन ट्यूबों को अक्सर खाली कर दिया जाता है या कभी-कभी कम दबाव पर गैस से भर दिया जाता है।

फोटोमल्टीप्लायर

एक फोटोमल्टीप्लायर एक प्रकार का फोटोट्यूब है जो घटना फोटॉन को विद्युत संकेत में बदलता है। ये डिटेक्टर बहुत बढ़ी हुई प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए एक इलेक्ट्रॉन गुणन प्रक्रिया का उपयोग करते हैं। उनके पास एक बड़ा सक्रिय क्षेत्र और उच्च गति है। विभिन्न प्रकार के फोटोमल्टीप्लायर उपलब्ध हैं जैसे फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब, मैग्नेटिक फोटोमल्टीप्लायर, इलेक्ट्रोस्टैटिक फोटोमल्टीप्लायर और सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर।

फोटोडेटेक्टर सर्किट आरेख

फोटोडेटेक्टर का उपयोग कर प्रकाश संवेदक सर्किट नीचे दिखाया गया है। इस सर्किट में, प्रकाश के अस्तित्व या अस्तित्व का पता लगाने के लिए फोटोडायोड का उपयोग फोटोडेटेक्टर के रूप में किया जाता है। इस सेंसर की संवेदनशीलता को केवल प्रीसेट का उपयोग करके समायोजित किया जा सकता है।

इस प्रकाश संवेदक सर्किट के आवश्यक घटकों में मुख्य रूप से एक फोटोडायोड, एलईडी, LM339 आईसी , रेसिस्टर, प्रीसेट आदि। सर्किट को नीचे दिखाए गए सर्किट डायग्राम के अनुसार कनेक्ट करें।

कार्यरत

एक बार प्रकाश पड़ने पर सर्किट के भीतर करंट उत्पन्न करने के लिए एक फोटोडायोड का उपयोग फोटोडेटेक्टर के रूप में किया जाता है। इस परिपथ में, R1 प्रतिरोधक के माध्यम से रिवर्स बायस मोड में फोटोडायोड का उपयोग किया जाता है। तो यह R1 रोकनेवाला फोटोडायोड पर भारी मात्रा में प्रकाश की बूंदों की स्थिति में पूरे फोटोडायोड में आपूर्ति करने के लिए बहुत अधिक करंट की अनुमति नहीं देता है।

जब फोटोडायोड पर कोई प्रकाश नहीं पड़ता है, तो इसका परिणाम LM339 तुलनित्र (इनवर्टिंग इनपुट) के पिन6 पर उच्च क्षमता में होता है। एक बार जब प्रकाश इस डायोड पर पड़ता है, तो यह पूरे डायोड में करंट की आपूर्ति करने की अनुमति देता है और इस प्रकार वोल्टेज गिर जाएगा। तुलनित्र का पिन 7 (नॉन-इनवर्टिंग इनपुट) तुलनित्र के संदर्भ वोल्टेज को सेट करने के लिए वीआर 2 (परिवर्तनीय प्रतिरोधी) से जुड़ा हुआ है।

यहां, एक तुलनित्र काम करता है जब तुलनित्र का गैर-इनवर्टिंग इनपुट इनवर्टिंग इनपुट की तुलना में अधिक होता है तो इसका आउटपुट उच्च रहता है। तो पिन-1 की तरह IC का आउटपुट पिन एक प्रकाश उत्सर्जक डायोड से जुड़ा होता है। यहां, दहलीज रोशनी के अनुरूप करने के लिए संदर्भ वोल्टेज पूरे वीआर 1 प्रीसेट में सेट किया गया है। एक बार फोटोडायोड पर प्रकाश पड़ने पर आउटपुट पर एलईडी चालू हो जाएगी। इसलिए, गैर-इनवर्टिंग इनपुट पर संदर्भ सेट की तुलना में इनवर्टिंग इनपुट कम मान तक गिर जाता है। तो, आउटपुट प्रकाश उत्सर्जक डायोड को आवश्यक अग्रेषित पूर्वाग्रह की आपूर्ति करता है।

फोटोडेटेक्टर बनाम फोटोडायोड

फोटोडेटेक्टर और फोटोडायोड के बीच अंतर में निम्नलिखित शामिल हैं।

फोटोडेटेक्टर की क्वांटम दक्षता

फोटोडेटेक्टर की क्वांटम दक्षता को घटना फोटॉनों के अंश के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो फोटोकंडक्टर के माध्यम से उत्पादित इलेक्ट्रॉनों को डिटेक्टर टर्मिनल पर एकत्र किए जाते हैं।

क्वांटम दक्षता को 'η' से निरूपित किया जा सकता है

क्वांटम दक्षता (η) = उत्पन्न इलेक्ट्रॉन/घटना फोटॉनों की कुल संख्या

इस प्रकार,

η = (वर्तमान / एक इलेक्ट्रॉन का आवेश) / (कुल घटना फोटॉन की ऑप्टिकल शक्ति / फोटॉन ऊर्जा)

तो गणितीय रूप से, यह जैसा हो जाएगा

η = (Iph/ e)/(PD/ hc/λ)

फायदे और नुकसान

फोटोडेटेक्टर के फायदों में निम्नलिखित शामिल हैं।

• फोटोडेटेक्टर आकार में छोटे होते हैं।
• इसकी डिटेक्शन स्पीड तेज है।
• इसकी पहचान दक्षता अधिक है।
• ये कम शोर उत्पन्न करते हैं।
• ये महंगे, कॉम्पैक्ट और हल्के नहीं हैं।
• उनका जीवनकाल लंबा होता है।
• उनके पास उच्च क्वांटम दक्षता है।
• इसके लिए हाई वोल्टेज की जरूरत नहीं होती है।

फोटोडेटेक्टर के नुकसान निम्नलिखित को शामिल कीजिए।

• उनमें संवेदनशीलता बहुत कम होती है।
• उनका कोई आंतरिक लाभ नहीं है।
• प्रतिक्रिया समय बहुत धीमा है।
• इस डिटेक्टर का सक्रिय क्षेत्र छोटा है।
• करंट के भीतर परिवर्तन बहुत कम होता है, इसलिए सर्किट को चलाने के लिए पर्याप्त नहीं हो सकता है।
• इसके लिए ऑफसेट वोल्टेज की आवश्यकता होती है।

फोटोडेटेक्टर्स के अनुप्रयोग

फोटोडेटेक्टर के अनुप्रयोगों में निम्नलिखित शामिल हैं।

• फोटोडेटेक्टर का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है जो सुपरमार्केट में स्वचालित दरवाजे से लेकर आपके घर के भीतर टीवी रिमोट कंट्रोलर तक होते हैं।
• ये ऑप्टिकल संचार, सुरक्षा, नाइट-विजन, वीडियो इमेजिंग, बायोमेडिकल इमेजिंग, मोशन डिटेक्शन और गैस सेंसिंग में उपयोग किए जाने वाले आवश्यक महत्वपूर्ण घटक हैं जो प्रकाश को विद्युत संकेतों में सटीक रूप से बदलने की क्षमता रखते हैं।
• इनका उपयोग ऑप्टिकल शक्ति और चमकदार प्रवाह को मापने के लिए किया जाता है
• ये मुख्य रूप से विभिन्न प्रकार के माइक्रोस्कोप और ऑप्टिकल-सेंसर डिज़ाइन में उपयोग किए जाते हैं।
• ये लेजर रेंजफाइंडर के लिए महत्वपूर्ण हैं।
• ये आम तौर पर फ्रीक्वेंसी मेट्रोलॉजी, ऑप्टिकल-फाइबर संचार आदि में उपयोग किए जाते हैं।
• फोटोमेट्री और रेडियोमेट्री में फोटोडेटेक्टर्स का उपयोग ऑप्टिकल शक्ति, ऑप्टिकल तीव्रता, विकिरण और चमकदार प्रवाह जैसे विभिन्न गुणों को मापने के लिए किया जाता है।
• इनका उपयोग स्पेक्ट्रोमीटर, ऑप्टिकल डेटा स्टोरेज डिवाइस, लाइट बैरियर, बीम प्रोफाइलर, फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोप, ऑटोकॉरिलेटर, इंटरफेरोमीटर और विभिन्न प्रकार के ऑप्टिकल सेंसर के भीतर ऑप्टिकल शक्ति को मापने के लिए किया जाता है।
• इनका उपयोग लिडार, लेजर रेंजफाइंडर, नाइट विजन डिवाइस और क्वांटम ऑप्टिक्स प्रयोगों के लिए किया जाता है।
• ये ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी मेट्रोलॉजी, ऑप्टिकल फाइबर संचार और लेजर शोर या स्पंदित लेजर के वर्गीकरण के लिए भी लागू होते हैं।
• कई समान फोटो डिटेक्टरों के साथ द्वि-आयामी सरणियाँ मुख्य रूप से फोकल प्लेन सरणियों के रूप में और अक्सर इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयोग की जाती हैं।

फोटोडेटेक्टर किसके लिए प्रयोग किया जाता है?

फोटोडेटेक्टर्स का उपयोग प्रकाश की फोटॉन ऊर्जा को विद्युत संकेत में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है।

एक फोटोडेटेक्टर की विशेषताएं क्या हैं?

फोटोडेटेक्टर्स की विशेषताएं प्रकाश संवेदनशीलता, वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया, क्वांटम दक्षता, अग्र-पक्षपाती शोर, डार्क करंट, शोर समतुल्य शक्ति, समय प्रतिक्रिया, टर्मिनल कैपेसिटेंस, कटऑफ आवृत्ति और आवृत्ति बैंडविड्थ हैं।

एक फोटोडेटेक्टर की क्या आवश्यकताएं हैं?

फोटोडेटेक्टर्स की आवश्यकताएं हैं; कम प्रतिक्रिया समय, कम शोर योगदान, विश्वसनीयता, उच्च संवेदनशीलता, प्रकाश तीव्रता की एक विस्तृत श्रृंखला पर रैखिक प्रतिक्रिया, कम पूर्वाग्रह वोल्टेज, कम लागत और प्रदर्शन विशेषताओं की स्थिरता।

ऑप्टिकल डिटेक्टरों के विनिर्देश में क्या प्रयोग किया जाता है?

शोर समतुल्य शक्ति का उपयोग ऑप्टिकल डिटेक्टरों के विनिर्देशन में किया जाता है क्योंकि यह ऑप्टिकल इनपुट शक्ति है जो एक अतिरिक्त आउटपुट शक्ति उत्पन्न करती है जो एक निर्दिष्ट बैंडविड्थ के लिए उस शोर शक्ति के बराबर होती है।

क्या क्वांटम उपज और क्वांटम दक्षता समान है?

क्वांटम उपज और क्वांटम दक्षता समान नहीं हैं क्योंकि एक फोटॉन के एक बार अवशोषित होने के बाद एक फोटॉन के उत्सर्जन की संभावना क्वांटम उपज है जबकि क्वांटम दक्षता संभावना है कि एक फोटॉन उत्सर्जित होने के बाद एक फोटॉन उत्सर्जित हो जाता है जो इसकी उत्सर्जक स्थिति में सक्रिय हो जाता है।

इस प्रकार, यह है एक फोटोडेटेक्टर का अवलोकन - अनुप्रयोगों के साथ काम करना। ये डिवाइस आंतरिक और बाहरी फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर आधारित हैं, इसलिए मुख्य रूप से प्रकाश का पता लगाने के लिए उपयोग किया जाता है। यहाँ आपके लिए एक प्रश्न है, क्या हैं ऑप्टिकल डिटेक्टर ?