OPTICAL TRANSDUCERSPHOTOEMISSIVE CELLPHOTOCONDUCTIVE CELLPHOTOVOLTAIC CELLPHOTODIODEPHOTOTRANSISTOR

LIGHTELECTROMAGNETIC RADIATIONRadio waves, infrared rays (heat waves)Ultraviolet rays, X-raysVisible lightWavelength 400 700 nmFrequency (3.75 - 7.5) x 1014 HzBroadcast 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 quantaCahaya tidak hanya sebagai gelombang tetapi juga sebagai partikel Light quanta disebut foton

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

PHOTON ENERGY

EM WavesWavelengthFrequencyEnergyGamma ray50 fm6 x 102125 MeVX ray50 pm6 x 101825 keVUltraviolet100 nm3 x 101512 eVVisible550 nm5 x 10142 eVInfrared10 m3 x 1013120 meVMicrowave1 cm3 x 1010120 eVRadio wave1 km3 x 1051,2 neV

EFEK FOTOELEKTRIK

Cahaya dengan frekuensi f dijatuhkan pada pelat logam PTerjadi tumbukan antara foton dan elektron-elektron pada pelat logam PElektron-elektron terlepas dari atomnya menjadi elektron bebasTerdapat perbedaan potensial Vext antara pelat P dan cawan kolektor CElektron akan mengalir (bergerak) menghasilkan arus i yang melewati pengukur arus ABeda 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 fotonTernyata Vo sama untuk cahaya a dan cahaya bEnergi kinetik maksimum dari elektron tidak tergantung pada intensitas cahaya

Pengamatan II : Frekuensi cutoff fo

Pada frekuensi fo stopping potential Vo = 0Untuk f < fo, tidak terjadi efek fotoelektrik

Analisis I : Stopping Potential Vo

Dalam teori gelombang, intensitas lebih tinggi akan memperbesar amplituda medan listrik EGaya eE yang diterimanya akan memperbesar percepatan Energi kinetik lebih besar Ternyata energi kinetik maksimumnya samaTelah dicoba dengan intensitas sampai 107 kaliStopping 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 banyakTidak memperbesar energi kinetik setiap foton Energi kinetik yang diperoleh elektron dari tumbukan dengan foton tidak berubah E = h fStopping 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 tinggiTernyata untuk f < fo, efek fotoelektrik tidak pernah terjadi berapapun intensitasnyaAdanya 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-atomnyaDiperlukan energi minimum agar elektron terlepas dari atomnya yang disebut sebagai Work FunctionBila energi foton yang menumbuknya hf > , efek fotoelektrik akan terjadiBila frekuensinya terlalu kecil sehingga energi foton hf < , efek fotoelektrik tidak mungkin terjadiAdanya frekuensi cutoff dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah partikel

Cahaya = partikel (foton)

PHOTOEMISSIVE TUBE

Metal (eV)Cs1,9K2,2Na2,3Li2,5Ca3,2Cu4,7Ag4,7Pt6,4

PHOTON ENERGY

EM WavesWavelengthFrequencyEnergyGamma ray50 fm6 x 102125 MeVX ray50 pm6 x 101825 keVUltraviolet100 nm3 x 101512 eVVisible550 nm5 x 10142 eVInfrared10 m3 x 1013120 meVMicrowave1 cm3 x 1010120 eVRadio wave1 km3 x 1051,2 neV

TWO GENERAL CONSTRUCTIONSHigh-vacuum tube - Linear - Response time 1 nsGas-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)S1800620, 950S3420350, 640S4400320, 540S5340230, 510S8370320, 540S10450350, 590S11440350, 560S12500Narrow BandS13440260, 560S141500760, 1730S20420325, 595S21450260, 560

Housing and PM tube form the entire sensor

PHOTOVOLTAIC CELLSCopper OxidePrior to World War IBruno LangeWestinghousePhotox cell

SELENIUM PHOTOCELLSelenium1930Weston InstrumentsPhotronic cell(0,2 0,6) V dc under 2000 fc (20 90) mW(300 700 ) nm, peak 560 nm

P-N JUNCTION SILICON PHOTOCELLpn junction1958Bell Telephone Laboratories(0,27 0,6) V dc under 2000 fc

Photocell using noninverting amplifier

LIGHT DEPENDENT RESISTOR (LDR)Bila dikenai cahaya, tahanannya berubahPhotoresistor, photoconductorCadmium-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 LISTRIKBahan isolator :Sebagian besar elektron berada pada pita valensi (valence band) tahanan listrik besarBahan konduktor :Sebagian besar elektron berada pada pita konduksi (conduction band) tahanan listrik kecilBahan semikonduktor :Elektron-elektron berada pada pita valensi dan pita konduksiKonduktivitas listrik suatu bahan tergantung pada jumlah elektron di dalam pita konduksiKonduktivitas listrik bertambah (tahanan listrik berkurang) bila terdapat elektron-elektron yang pindah dari pita valensi ke pita konduksi

INTERNAL PHOTOELECTRIC EFFECTWork 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 listrikRadiasi optikBila elektron mendapat energi yang lebih kecil dari work function tetapi lebih besar dari band gap :Tahanan listriknya berkurang

BAND GAP DARI BERBAGAI BAHAN SEMIKONDUKTOR

MaterialBand Gap (eV)Maximal wavelength (m)ZnS3.600.35CdS2.400.52CdSe1.800.69CdTe1.500.83Si1.121.10Ge0.671.85PbS0.373.35InAs0.353.54Te0.333.75PbTe0.304.13PbSe0.274.58InSb0.186.90

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

Efek beban besar Output tidak bisa nol

Efek beban kecil Outputnya tidak bisa nol

Efek beban besar Outputnya bisa nol

DIODALambang dioda :Karakteristik dioda :10-7 A

PHOTODIODEPHOTOTRANSISTOR

Zero control

Modulated light

PHOTOCOLORIMETRYPenyerapan cahaya oleh medium pada panjang gelombang yang berbedaCahaya yang diemisikan oleh medium bila dibakar mempunyai panjang gelombang yang berbedaOksigen di dalam darah Karbondioksida di udaraUap air di dalam gasElektrolit (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 :

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 :

Dengan beban 100 :

Hubung singkat (short circuit) :

b). Hubungan linier antara tegangan output dan intensitas :

Current-to-voltage converter :Differntial amplifier :

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 :

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 :