OPTICAL TRANSDUCERS
• PHOTOEMISSIVE CELL
• PHOTOCONDUCTIVE CELL
• PHOTOVOLTAIC CELL
• PHOTODIODE
• PHOTOTRANSISTOR
LIGHT
• ELECTROMAGNETIC RADIATION– Radio waves, infrared rays (heat waves)– Ultraviolet rays, X-rays
• Visible light– Wavelength 400 – 700 nm– Frequency (3.75 - 7.5) x 1014 Hz– Broadcast band : AM (106 Hz), FM (108 Hz)
s/m10x3cf
c 8
Spectra of various types of light sources
Spectral response of several types of E-O sensor
PHOTOEMISSIVE CELLS
Hipotesis Einstein (1905) Cahaya bertindak seolah-olah energinya
terkonsentrasi pada suatu berkas diskrit yang disebut light quanta
Cahaya tidak hanya sebagai gelombang tetapi juga sebagai partikel
Light quanta disebut foton
fhE
0m
Energi foton :
Kecepatan foton v = c
Energi diam = 0
h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15 eV.s
Konstanta Plank :
chchfhE ch = 1240 eV/nm
EM Waves Wavelength Frequency Energy
Gamma ray 50 fm 6 x 1021 25 MeV
X ray 50 pm 6 x 1018 25 keV
Ultraviolet 100 nm 3 x 1015 12 eV
Visible 550 nm 5 x 1014 2 eV
Infrared 10 m 3 x 1013 120 meV
Microwave 1 cm 3 x 1010 120 eV
Radio wave 1 km 3 x 105 1,2 neV
PHOTON ENERGY
EFEK FOTOELEKTRIK Cahaya dengan frekuensi f
dijatuhkan pada pelat logam P Terjadi tumbukan antara foton dan
elektron-elektron pada pelat logam P Elektron-elektron terlepas dari
atomnya menjadi elektron bebas Terdapat perbedaan potensial Vext
antara pelat P dan cawan kolektor C Elektron akan mengalir (bergerak)
menghasilkan arus i yang melewati pengukur arus A
Beda potensial Vext dapat diubah-ubah dari positip ke negatip
Pengamatan I : Stopping Potential Vo
Cahaya a dan b mempunyai intensitas berbeda (b > a)
Vo adalah beda potensial yang diperlukan agar tidak terjadi arus
Energi potensial eVo sama dengan energi kinetik maksimum Km yang diperoleh elektron akibat tumbukan dengan foton
Ternyata Vo sama untuk cahaya a dan cahaya b
Energi kinetik maksimum dari elektron tidak tergantung pada intensitas cahaya
Pengamatan II : Frekuensi cutoff fo
Pada frekuensi fo stopping potential Vo = 0
Untuk f < fo, tidak terjadi efek fotoelektrik
Analisis I : Stopping Potential Vo
Dalam teori gelombang, intensitas lebih tinggi akan memperbesar amplituda medan listrik E
Gaya eE yang diterimanya akan memperbesar percepatan Energi kinetik lebih besar
Ternyata energi kinetik maksimumnya sama Telah dicoba dengan intensitas sampai 107 kali Stopping potential yang selalu sama pada efek
fotoelektrik tidak dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah gelombang
Cahaya = Gelombang
Analisis I : Stopping Potential Vo
Cahaya dengan intensitas lebih tinggi akan mempunyai jumlah foton yang lebih banyak
Tidak memperbesar energi kinetik setiap foton Energi kinetik yang diperoleh elektron dari
tumbukan dengan foton tidak berubah E = h f Stopping potential yang selalu sama pada efek
fotoelektrik dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah partikel
Cahaya = partikel (foton)
Analisis II : Frekuensi cutoff fo
Menurut teori gelombang, efek fotoelektrik seharusnya tetap akan terjadi untuk setiap frekuensi asalkan intensitasnya cukup tinggi
Ternyata untuk f < fo, efek fotoelektrik tidak pernah terjadi berapapun intensitasnya
Adanya frekuensi cutoff pada efek fotoelektrik tidak dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah gelombang
Cahaya = Gelombang
Analisis II : Frekuensi cutoff fo
Elektron-elektron terikat pada atom-atomnya Diperlukan energi minimum agar elektron terlepas
dari atomnya yang disebut sebagai Work Function Bila energi foton yang menumbuknya hf > , efek
fotoelektrik akan terjadi Bila frekuensinya terlalu kecil sehingga energi foton
hf < , efek fotoelektrik tidak mungkin terjadi Adanya frekuensi cutoff dapat diterangkan dengan
menganggap cahaya adalah partikel
Cahaya = partikel (foton)
PHOTOEMISSIVE TUBE
fh
mv2
1K 2
Metal (eV)
Cs 1,9
K 2,2
Na 2,3
Li 2,5
Ca 3,2
Cu 4,7
Ag 4,7
Pt 6,4
EM Waves Wavelength Frequency Energy
Gamma ray 50 fm 6 x 1021 25 MeV
X ray 50 pm 6 x 1018 25 keV
Ultraviolet 100 nm 3 x 1015 12 eV
Visible 550 nm 5 x 1014 2 eV
Infrared 10 m 3 x 1013 120 meV
Microwave 1 cm 3 x 1010 120 eV
Radio wave 1 km 3 x 105 1,2 neV
PHOTON ENERGY
TWO GENERAL CONSTRUCTIONS
High-vacuum tube
- Linear
- Response time 1 ns
Gas-filled tube
- Not Linear
- Response time 1 ms
Circuit for using photoemissive tube
PHOTOMULTIPLIER TUBE
Sensitivity curves for several forms of PM tubes
Spectral Designator
(S-Number)
Wavelength for peak response (nm)
Half-Points (nm)
S1 800 620, 950
S3 420 350, 640
S4 400 320, 540
S5 340 230, 510
S8 370 320, 540
S10 450 350, 590
S11 440 350, 560
S12 500 Narrow Band
S13 440 260, 560
S14 1500 760, 1730
S20 420 325, 595
S21 450 260, 560
Housing and PM tube form the entire sensor
• Copper Oxide
• Prior to World War I
• Bruno Lange
• Westinghouse
• Photox cell
PHOTOVOLTAIC CELLS
• Selenium
• 1930
• Weston Instruments
• Photronic cell
• (0,2 – 0,6) V dc under 2000 fc
• (20 – 90) mW
• (300 – 700 ) nm, peak 560 nm
SELENIUM PHOTOCELL
• pn junction
• 1958
• Bell Telephone Laboratories
• (0,27 – 0,6) V dc under 2000 fc
P-N JUNCTION SILICON PHOTOCELL
Photocell using noninverting amplifier
LIGHT DEPENDENT RESISTOR (LDR)
Bila dikenai cahaya, tahanannya berubah Photoresistor, photoconductor Cadmium-based materials (CdS, CdSe, CdTe)
• Cahaya tampak ( 400 nm – 700 nm)• Infra merah dekat, NIR (700 nm – 1400 nm)
Lead-based materials (PbS, PbSe, PbTe)• Infra merah medium (1,4 m – 3 m)
Indium-based materials (InSb, InAs)• Infra merah jauh, FIR (3 m – 14 m )
KONDUKTIVITAS LISTRIK
Bahan isolator :• Sebagian besar elektron berada pada pita valensi (valence
band) tahanan listrik besar Bahan konduktor :
• Sebagian besar elektron berada pada pita konduksi (conduction band) tahanan listrik kecil
Bahan semikonduktor :• Elektron-elektron berada pada pita valensi dan pita konduksi
Konduktivitas listrik suatu bahan tergantung pada jumlah elektron di dalam pita konduksi• Konduktivitas listrik bertambah (tahanan listrik berkurang)
bila terdapat elektron-elektron yang pindah dari pita valensi ke pita konduksi
INTERNAL PHOTOELECTRIC EFFECT
Work function :• Energi minimum yang diperlukan oleh elektron agar dapat
lepas dari ikatan atomnya (menjadi elektron bebas)• External photoelectric effect (PM tube)
Band gap :• Energi minimum yang diperlukan oleh elektron agar dapat
pindah dari pita valensi ke pita konduksi Tambahan energi pada elektron dapat diperoleh dari :
• Panas, tegangan listrik• Radiasi optik
Bila elektron mendapat energi yang lebih kecil dari work function tetapi lebih besar dari band gap :• Tahanan listriknya berkurang
BAND GAP DARI BERBAGAI BAHAN SEMIKONDUKTOR
Material Band Gap (eV) Maximal wavelength (m)
ZnS 3.60 0.35
CdS 2.40 0.52
CdSe 1.80 0.69
CdTe 1.50 0.83
Si 1.12 1.10
Ge 0.67 1.85
PbS 0.37 3.35
InAs 0.35 3.54
Te 0.33 3.75
PbTe 0.30 4.13
PbSe 0.27 4.58
InSb 0.18 6.90
Struktur dari photoconductive cell
Kurva respon dari beberapa tipe photoconductive cell
- Tidak linier
- Jutaan ratusan ohm
- Sensitif/peka
- Dark/light ratio besar
Photoconductive cell (PC) circuits
VPCR
PCV
11
1o
- Efek beban besar
- Output tidak bisa nol
)V(R
PCV ref
1
1o
- Efek beban kecil
- Outputnya tidak bisa nol
VRR
R
RR
RV
42
4
31
3o
- Efek beban besar
- Outputnya bisa nol
DIODALambang dioda :
p
n
ANODA
KATODA
Karakteristik dioda :
V S V D
R
REVERSEREGION
FORWARDREGION
BREAKDOWN
LEAKAGECURRENT
KNEE
I
V10-7
A
PHOTODIODE
PHOTOTRANSISTOR
1Lo RIV
Zero control
L1
23o I1
R
RRV
L31 IRV
14dB3 CR2
1F
Phototransistor
Modulated light
PHOTOCOLORIMETRY
• Penyerapan cahaya oleh medium pada panjang gelombang yang berbeda
• Cahaya yang diemisikan oleh medium bila dibakar mempunyai panjang gelombang yang berbeda
• Oksigen di dalam darah • Karbondioksida di udara• Uap air di dalam gas• Elektrolit (Na, K) di dalam darah
Contoh Soal 3.1
Sebuah photoconductor dengan time constant 72 ms mempunyai tahanan sebesar 100 k pada saat gelap dan 30 k pada saat terang. Rancang sebuah sistem yang dapat memicu suatu komparator dengan tegangan acuan 3 V setelah 10 ms sejak cahaya terputus. Jawab :
t
ifi e1)RR(R)t(R
k077,39e1)30100(30Rms10t 72
10
ref1
2 VR
RV
V
R1 R2Vref
V3Vk077,39R2
k133
077,39
V
RRV1V 2
1ref
R2 = Photoconductor
Contoh Soal 3.2
Sebuah photocovoltaic cell akan digunakan untuk mengukur intensitas radiasi dari 5 sampai 12 mW/cm2. Dari hasil pengukuran diperoleh informasi bahwa bila tanpa beban tegangannya adalah 0,22 – 0,42 V (open voltage) sedangkan bila dibebani 100 akan menghasilkan arus sebesar 0,5 – 1,7 mA.
a). Tentukan daerah arus hubung singkatnya (short-circuit current)
b). Rancang suatu pengkondisi sinyal yang dapat menghasilkan tegangan yang linier dari 0,5 ke 1,2 V bila intensitas radiasi berubah dari 5 ke 12 mW/cm2.
Jawab :
a). Tanpa beban (open circuit)
V42,0Vcm/mW12I
V22,0Vcm/mW5I
c2
R
c2
R
Dengan beban 100 :
100 IL
100R
VI
c
cL
L
Lcc I
I100VR
34010x5,0
)10x5,0(10022,0R
mA5,0IV22,0Vcm/mW5I
3
3
c
Lc2
R
Dengan beban 100 :
100 IL
100R
VI
c
cL
L
Lcc I
I100VR
14710x7,1
)10x7,1(10042,0R
mA7,1IV42,0Vcm/mW12I
3
3
c
Lc2
R
Hubung singkat (short circuit) :
Isac
c
csc R
VI
mA86,2147
42,0Icm/mW12I
mA65,0340
22,0Icm/mW5I
sc2
R
sc2
R
b). Hubungan linier antara tegangan output dan intensitas :
V2,1Vcm/mW12I
V5,0Vcm/mW5I
o2
R
o2
R
V2,1VmA86,2I
V5,0VmA65,0I
osc
osc
mA86,2Icm/mW12I
mA65,0Icm/mW5I
sc2
R
sc2
R
bImV sco
bm68,22,1
bm65,05,0
294,0b7,316m
294,0I7,316V sco
sc1 I100V
)VV(167,3V 21o
Current-to-voltage converter :
Differntial amplifier :
V1
V23,167 k
3,167 k
sc1 I100V )VI100(167,3V 2sco
V1
V23,167 k
3,167 k
2sco V167,3I7,316V 294,0I7,316V sco
V0928,0V2
Contoh Soal 3.3
Sebuah photodiode digunakan pada rangkaian di bawah ini. Berapa tegangan outputnya bila intensitas cahaya yang mengenainya berubah dari 100 ke 400 W/m2.
Jawab :
Membuat garis beban : Karakteristik photodiode
mA33,1k15
V20I0V
V20V0I
R
R
Karakteristik photodiode
V2,0)A200)(k1(V
A200Im/W100I
o
2R
V8,0)A800)(k1(V
A800Im/W400I
o
2R
V075,0)A75)(k1(V
A75currentDark
o
Contoh Soal 4.3
Sebuah phototransistor digunakan pada rangkaian di bawah ini. Berapa tegangan outputnya bila intensitas cahaya yang mengenainya berubah dari 10 ke 40 W/m2.
Jawab :
Membuat garis beban :+ 14 V
500
mA28500
V14I0V
V14V0I
cce
cec
V12Vm/W10I ce2
R
V8,6Vm/W40I ce2
R