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