Kuliah_5_6

Bab 3
Detektor Cahaya
Tujuan Bab
Bab ini mendiskusikan prinsip dan karakteristik fungsional dari sejumlah detector cahaya
yang popular.
Juga dibahas bagaimana relasi struktur photodiode terhadap
karakteristiknya dan bagaimana pengaruh karakteristik fungsional terhadap kinerja
penerima. Berbagai rangkaian detector cahay juga didiskusikan, terasuk didalamnya
perancangan dan analisi secara rinci juga dijelaskan. Diskusi ini akan memberikan
pengalaman untuk menghitung level tegangan keluaran dari daya optic masukan yang
diberikan. Bagian akhir dari bab ini akan mejelaskan tentang derau (noise), kemampuan
mendeteksi (detect ability), dan juga menyajikan sejumlah contoh perhitungan. Hal ini
akan memberikan pengertian pada mahasiswa tentang relasi Sinyal terdeteksi minimum,
derau dalam (internal noise), dan lebar pita system (bandwidth system).
3.1. Pendahuluan
Detector cahaya, secara khusus photodiode, dapat dipandang sebagai inverse dari light
emitting diode (LED). Disini madukan ke peranti adalah daya optic dan keluaran dari
peranti berupa sinyal listrik. Prinsip operasi dari photodiode ini merupakan fenomena
fisika sebagaimana yang terjadi pada LED. Detektor cahaya menyerap photon cahaya dan
menghasilkan electron, yaitu electron yang dapat menghasilkan arus listrik.
Untuk mendapatkan hasil yang optimum penggunaan photodiode sebagai transducer,
secara khusus untukaplikasi system komunikasi optic, maka detector cahaya harus
memiliki fitur fitur sebagai berikut:
1. Peranti detector cahaya harus sangat sensitive. Arus listrik yang dihasilkan harus
sebesar mungkin dalam merespon daya optic masukan. Karena detector cahaya ini
selektif terhadap panjang gelombang (responnya terbatasi oleh rentang panjang
Detektor Cahaya
1
gelombang), maka sensitifitas ini harus bernilai besar pda daerah panjang gelombang
operasi.
2. Waktu respon terhadap Sinyal optic masukan harus cepat. Detektor cahaya harus
mampu menghasilkan arus listrik meski pulsa optic masukan berlangsung dalam
waktu yang cepat. Hal ini akan memungkinkan untuk menerima data dengan laju bit
tinggi.
3. Untuk system penerimaan data analog, detector cahaya harus memiliki hubungan
masukan-keluaran yang linier. Hal ini diperlukan untuk menghindari distorsi Sinyal
keluaran.
4. Derau dalam (internal noise) yang dibangkitkan oleh peranti harus sekecil mungkin
agar peranti dapat mendeteksi Sinyal optic masukan sekecil mungkin.
Beberapa karakteristik penting lainnya, misalnya keandalan, stabilitas, dan kekebalan
terhadap pengaruh lingkungan.
3.2. Prinsip Pendeteksi Cahaya
Agar pendeteksian cahaya ini berlangsung secara optimal, maka secara esensial sebagain
besar (bila tidak semua) photon cahaya yang masuk ke dalam peranti harus dikonversi
(diubah) menjadi besaran listrik. Masing-masing photon mungkin menyebabkan
terjadinya emisi electron sehingga menjadi electron bebas. Elektron bebas ini (hole
bebas) dibangkitkan dengan cara memindahkan electron dari pita velensi ke pita
konduksi, dan yang tertinggal dalam pita valensi adalah lubang yang lazim dinamakan
dengan hole bebas.Proses terjadinya pasangan eletktron-hole ini disebut dengan
photogeneration Proses ini ditunjukkan pada gambar 3.1. dimana photon diserap oleh
atom yang menyebabkan sebuah electron pindah dari level valensi menuju level
konduksi. Perubahan energi yang terjadi pad electron adalah Eg, yaitu agar peristiwa ini
terjadi, maka energi minimal yang dimiliki oleh photon adalah Eg. Karena energi photon
berkaitan dengan frekuensinya (atau panjang gelombang), maka nilai energi gap, Eg ini
menentukan respon daerah spektral detektor cahaya. Energi photon, Ep, harus lebih besar
atau sama dibandingkan dengan energi gap, Eg.
Detektor Cahaya
2
Ep ≥ Eg
h × f ≥ Eg
…3.1
Level energi
elektron
Level energi konduksi
photon
Eg
Level energi valensi
hole
Gmbar 3.1. Pembangkitan pasangan elektron-hole
Detektor cahaya ini tidak merespon bila cahaya yang detang memiliki frekuensi lebih
kecil dari frekuensi cut off, fC, dimana fC didefinisikan sebagai:
fC  Eg / h
3.2
atau panjang gelombang cahay tidak boleh lebih besar dibanding dengan panjang
gelombang cut off, C , dimana C didefinisikan sebagai:
C  h  c / E g
… 3.3
Contoh 4.1.
Germanium dengan energi gap sebesar 0,81 eV. Temukan panjang gelombang cut off
dari photodiode germanium ini.
Penyelesaian
C = (h × c)/Eg
= (6,623 × 10-34 × 3 × 108)(0,81 × 1,602 × 10-19) = 1,531 × 10-6 m = 1,531 mm
Detektor Cahaya
3
Contoh 3.1. menunjukkan bahwa detektor cahaya dengan bahan hanya bisa digunakan
untuk lebih pendek dari 1,53 µm, yaitu rentang panjang gelombang yang lazim digunkan
dalam sistem komunikasi optik (0,8 µm; 1,33 µm; dan 1,5 µm). Secara bertolak
belakangan dengan bahan germanium adalah bahan silikon yang memiliki energi gap, Eg
= 3,1 eV (direct band gap) dan bahan ini lazim digunakan untuk mendeteksi cahaya
ultraviolet (dengan panjang gelombang sekitar 0,3 µm) atau lebih pendek darinya.
Dengan mengkombinasikan beberepa nilai konstanta yang ada pada persamaan 3.2 dan
3.3, maka dapat diperoleh:
C 1,24 / E g
… 3.4
dimana C bersatuan µm dan Eg bersatuan eV. Efisiensi detektor cahaya sering
dinyatakan dalam terma efisiensi kuantum, sebagaimana definisi efisien pada LED, yaitu
Q 
N
jumlah elektron bebas yang dibangkitk an
 e
jumlah photon yang datang
Np
… 3.5
Yang diharapkan untuk nilai Q adalah 1, yang berarti bahwa setiap photon cahaya yang
diserap oleh detektor akan dihasilkan elektron bebas. Nilai tipikal dari Q antara 70 –
80%.
Terma yang lebih praktis untuk menyatakan operasi dari detektor cahaya adalah
respnsifitas, R (terkadang juga disebut sensitifitas radisi), yang didefinisikan sebagai
nisbah photocurrent (arus yang dihasilkan ketika suatu photon cahaya diserap) terhadap
daya photon cahaya.
R  I P / Pi
… 3.6
Detektor Cahaya
4
dimana R bersatuan ampere per watt (A/W), atau µA/µW. IP adalah photocurrent dan Pi
adalah daya optik cahay datang.
Menjadi penting untuk merelasikan antara R dan terhadap Q dengan terlebihj dulu
mendefinisikan:
I P  ( N e  e) / s
… 3.7
dimana e adalah muatan elektron(1,602 × 10-18 C) dan Ne adalah jumlah elektron bebas
yang dibangkitkan.
Pi  ( N P  E P ) / s
… 3.8
dimana EP adalah energi photon cahaya, NP adalah jumlah photon datang. Dengan
mensubstitusi persamaan 3.7 dan 3.8 untuk peubah pada persamaan 3.6, maka diperoleh:
R  ( N e  e) /( N p  E p )  ( Q  e) / E p
… 3.9
Pernyataan ( Q  e) / E p , Ep bersatuan joule. Ini bisa dinyatakan dengan R =  Q / E p
dimana Ep bersatuan eV.
R  ( Q  e) /( h  f )   Q (e   ) /( h  c)
… 3.10
dalam hal ini Q adalah nilai fraksi (nisbah, bukan persen),  dalam meter, R dalam
amper/watt, c dalam meter/detik., dan e dalam coulomb. Nilai efisiensi kuantum dan
responsifitas,
biasanya
diberikan
untuk
panjang
gelombang
tertentu.
Dengan
memasukkan semua konstanta, maka persamaan 3.10 dapat dinyatakan sebagai:
R  ( Q   ) / 1,24
… 3.10.a
Detektor Cahaya
5
Contoh 4.2.
Efisiensi kuantum suatu suatu detektor cahaya adalah 70% (0,7) dan beroperasi pada
panjang gelombang  = 0,82 µm. Temukan nilai responsifitasnya.
Penyelesaian:
R  ( Q   ) / 1,24 = 0,7 × 0,82 / 1,24 = 0,463 A/W
Persamaan 3.10 dan 3.10.a menunjukkan bahwa nilai responsifitas suatu detektor cahaya
semakin besar bilai nilai panjang gelombang cahaya dtang semakin besar. Ini hanyalah
secara teori, yang mengabaikan sejumlah pertimbangan praktis. Berkas cahaya datang
yang masuk ke dalam daerah tipe P (sambungan PN), akan terlebih dulu mengalami efek
pemfilteran oleh bahan. Gambar 3.2. menunjukkan hubungan antara responsifitas
detektor cahaya dengan panjang gelombang sinar.
Gambar 3.2. Nilai tipikal responsifitas spektral dari
Detektor cahaya model AP4010
Detektor Cahaya
6
3.3. Detektor Cahaya
3.3.1. PN Photodiode
Salah satu detektor cahaya yang amat populer adalah photodiode, yaitu diode yang
dioperasikan pada mode reverse dimana daerah deplesinya diinteraksikan dengan energi
cahaya. Perlu diingat bahwa diode tanpa tegangan bias memiliki daerah deplesi secara
relatif sempit, yaitu daerah dimana muatan bebasnya (elektron atau hole) sangat jarang.
Dengan memperbesar tegangan bias reverse daerah deplesi ini akan membesar. Photon
yang datang pada daerah deplesi ini akan menghasilkan pasangan elektron-hole (muatan
bebas) yang selanjutnya berpindah karena tegangan yang diberikan antara sambungan.
Gambar 3.3 melukiskan situasi ini.
(a)
(b)
Gambar 3.3. Photodiode, (a) prinsip operasi dan (b) simbol
Di dalam daerah diplesi, pasangan elektron dan hole bergerak karena tegangan listrik
yang diberikan. Perlu diketahui bahwa karena daerah deplesi memiliki resistansi yang
amat tinggi, maka pada daerah ini akan terdapat medan listrik, E yang amat besar yang
Detektor Cahaya
7
digunkan untuk mempercepat pasangan elektron dan hole. Beberapa photon mungkin
diserap pada daerah P atau daerah N diluar daerah deplesi. Beberapa electron mungkin
melakukan rekombinasi sehingga menghasilkan arus (photocurrent) . Sebagai akibatnya
daerah deplesi ini perlu diperlebar untuk memungkinkan terjadi absorpsi photon cahaya
sebanyak mungkin untuk menghasilkan arus (photocurrent) sebesar mungkin. Untuk
merealisasikan hal ini, maka dikembangkanlah photodiode dengan struktur PIN
Photodiode.
Penting dicatat bahwa photocurrent (arus yang dihasilkan oleh photon
cahaya) memiliki polaritas yang sama sebagaiman arus reverse (arus leakage) dari
photodiode. Karenanya penting untuk menjaga arus leakage (dark current) inisekecil
mungkin.
Detektor Cahaya
8
Soal-Soal
1. Photodiode yang terbuat dari bahan semikonduktor indium-phospor memiliki pita
energi gap sebesar 1,35 eV. Berapa panjang gelombang terpanjang yang dapat
dideteksi oleh photodiode
2. Hitung batas frekuensi terendah suatu cahaya yang dapat dideteksi oleh photodiode
dengan energi gap Eg = 1,3 eV
3. Responsivitas dari suatu photodiode adalah R = 0,7 A/W. Hitung arus photo yang
terjadi yang disebabkan oleh cahaya datang dengan daya sebesar 0,5 W
4. Hitung energi photon dari suatu detektor cahaya dengan R = 0,6 A/W (responsivitas)
dan Q = 70% (efisiensi kuantum)
5. Suatu detektor cahaya dengan efisiensi kuantum sebesar 75% bekerja pada panjang
gelombang,  = 0,85 m. Hitung respnsivitasnya
6. Hitung efisiensi kuantum dari detektor cahaya dengan responsivitas R = 0,6 A/W
yang bekerja pada panjang gelombang  =1,5 m.
Detektor Cahaya
9