OPTICAL TRANSDUCERS PHOTOEMISSIVE CELL PHOTOCONDUCTIVE CELL PHOTOVOLTAIC CELL PHOTODIODE PHOTOTRANSISTOR

LIGHT ELECTROMAGNETIC RADIATION Visible light 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)

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

Energi foton : Konstanta Plank : h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15 eV.s ch = 1240 eV/nm Kecepatan foton v = c Energi diam = 0

PHOTON ENERGY 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

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 Cahaya = Gelombang 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

Analisis I : Stopping Potential Vo Cahaya = partikel (foton) 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

Analisis II : Frekuensi cutoff fo Cahaya = Gelombang 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

Analisis II : Frekuensi cutoff fo Cahaya = partikel (foton) 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

PHOTOEMISSIVE TUBE Metal  (eV) Cs 1,9 K 2,2 Na 2,3 Li 2,5 Ca 3,2 Cu 4,7 Ag Pt 6,4

PHOTON ENERGY 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

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

Wavelength for peak response (nm) 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 S10 450 350, 590 S11 440 350, 560 S12 500 Narrow Band S13 260, 560 S14 1500 760, 1730 S20 325, 595 S21

Housing and PM tube form the entire sensor

PHOTOVOLTAIC CELLS Copper Oxide Prior to World War I Bruno Lange Westinghouse Photox cell

SELENIUM PHOTOCELL Selenium 1930 Weston Instruments Photronic cell (0,2 – 0,6) V dc under 2000 fc (20 – 90) mW (300 – 700 ) nm, peak 560 nm

P-N JUNCTION SILICON PHOTOCELL 1958 Bell Telephone Laboratories (0,27 – 0,6) V dc under 2000 fc

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 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 Kurva respon dari beberapa tipe photoconductive cell

Photoconductive cell (PC) circuits

Efek beban besar Output tidak bisa nol

Efek beban kecil Outputnya tidak bisa nol

Efek beban besar Outputnya bisa nol

DIODA Lambang dioda : Karakteristik dioda : 10-7 A

PHOTODIODE PHOTOTRANSISTOR

Zero control

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 :

V R1 R2 Vref 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)

Dengan beban 100  : 100  IL

Dengan beban 100  : 100  IL

Hubung singkat (short circuit) : Isac

b). Hubungan linier antara tegangan output dan intensitas :

Current-to-voltage converter : Differntial amplifier : V1 V2 3,167 k 

V1 V2 3,167 k 

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

Karakteristik photodiode

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 