PHOTO-ELECTRIC SENSOR

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)
c
 
f
c  3x10
8
m/s
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 :
Ehf
Konstanta Plank :
h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15 eV.s
c ch
Ehf h 


Kecepatan foton v = c
ch = 1240 eV/nm
m0
Energi diam = 0
PHOTON ENERGY
EM Waves
Wavelength
Frequency
Energy
Gamma ray
X ray
Ultraviolet
Visible
Infrared
Microwave
Radio wave
50 fm
50 pm
100 nm
550 nm
10 m
1 cm
1 km
6 x 1021
6 x 1018
3 x 1015
5 x 1014
3 x 1013
3 x 1010
3 x 105
25 MeV
25 keV
12 eV
2 eV
120 meV
120 eV
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 diubahubah 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
1
2
K  mv
2
hf 
Cs
K
Na
Li
Ca
Cu
Ag
Pt

(eV)
1,9
2,2
2,3
2,5
3,2
4,7
4,7
6,4
PHOTON ENERGY
EM Waves
Wavelength
Frequency
Energy
Gamma ray
X ray
Ultraviolet
Visible
Infrared
Microwave
Radio wave
50 fm
50 pm
100 nm
550 nm
10 m
1 cm
1 km
6 x 1021
6 x 1018
3 x 1015
5 x 1014
3 x 1013
3 x 1010
3 x 105
25 MeV
25 keV
12 eV
2 eV
120 meV
120 eV
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
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
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
• pn junction
• 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
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
- Tidak linier
- Jutaan  ratusan ohm
- Sensitif/peka
- Dark/light ratio besar
Kurva respon dari
beberapa tipe
photoconductive cell
Photoconductive cell (PC) circuits
PC1
- Efek beban besar
Vo 
V
R 1  PC1
- Output tidak bisa nol
- Efek beban kecil
PC1
Vo 
(Vref )
R1
- Outputnya tidak bisa nol
 R3
R4 
V
Vo  

 R1  R 3 R 2  R 4 
- Efek beban besar
- Outputnya bisa nol
DIODA
p
Lambang dioda :
Karakteristik dioda :
R
VS
n
I
BREAKDOWN
VD
LEAKAGE
CURRENT
ANODA
KATODA
FORWARD
REGION
10-7 A
V
KNEE
REVERSE
REGION
PHOTODIODE
PHOTOTRANSISTOR
Vo  I L R1
Zero control
V1  R 3I L
 R2

Vo  R 3 
 1 I L
 R1

Modulated light
Phototransistor
1
F3dB 
2R 4C1
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
 

R ( t )  R i  ( R f  R i )1  e  


10
 

t  10ms  R  30  (100  30)1  e 72   39,077 k


Vref
R1
R2
R2 = Photoconductor
V
 R2 
Vref
V  
 R1 
R 2  39,077 k  V  3V
R 2 39,077
Vref  1V  R 1 

 13 k
V
3
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)
I R  5 mW / cm2
I R  12mW / cm
 Vc  0,22V
2
 Vc  0,42V
Dengan beban 100  :
Vc
IL 
R c  100
IL
100 
Vc  100I L
Rc 
IL
I R  5 mW / cm 2
 Vc  0,22V I L  0,5 mA
3
0,22  100(0,5x10 )
Rc 
 340 
3
0,5x10
Dengan beban 100  :
Vc
IL 
R c  100
IL
100 
Vc  100I L
Rc 
IL
I R  12 mW / cm
2
 Vc  0,42V I L  1,7 mA
3
0,42  100(1,7x10 )
Rc 
 147 
3
1,7x10
Hubung singkat (short circuit) :
Isac
I R  5 mW / cm
2
I R  12 mW / cm
2
Vc
Isc 
Rc
0,22
 Isc 
 0,65 mA
340
0,42
 Isc 
 2,86 mA
147
b). Hubungan linier antara tegangan output dan intensitas :
I R  5 mW / cm2
 Vo  0,5 V
I R  12 mW / cm
2
I R  5 mW / cm2
 Vo  1,2 V
 Isc  0,65 mA
I R  12 mW / cm
2
 Isc  2,86 mA
Isc  0,65 mA
 Vo  0,5 V
Isc  2,86 mA
 Vo  1,2 V
Vo  m Isc  b
0,5  0,65 m  b
m  316,7 b  0,294
1,2  2,68 m  b
Vo  316,7 Isc  0,294
Current-to-voltage converter :
V1  100 Isc
Differntial amplifier :
Vo  3,167 ( V1  V2 )
V2
3,167 k 
3,167 k 
V1
V1  100 Isc
Vo  3,167 (100 Isc  V2 )
Vo  316,7 Isc  0,294
Vo  316,7 Isc  3,167 V2
V2  0,0928 V
V2
3,167 k 
3,167 k 
V1
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
I  0  VR  20V
 20V
VR  0  I 
 1,33 mA
15k
Karakteristik photodiode
I R  100 W / m2
 I  200A
Vo  (1k)( 200A)  0,2V
Dark current  75A
Vo  (1k)( 75A)  0,075V
I R  400 W / m2
 I  800A
Vo  (1k)(800A)  0,8V
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 :
Ic  0  Vce  14V
14V
Vce  0  Ic 
 28 mA
500
+ 14 V
500 
I R  10 W / m 2
 Vce  12V
I R  40 W / m
 Vce  6,8V
2