OPTICAL TRANSDUCERS • PHOTOEMISSIVE CELL • PHOTOCONDUCTIVE CELL • PHOTOVOLTAIC CELL
Download
Report
Transcript OPTICAL TRANSDUCERS • PHOTOEMISSIVE CELL • PHOTOCONDUCTIVE CELL • PHOTOVOLTAIC CELL
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 :
Ehf
Konstanta Plank :
h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15 eV.s
c ch
Ehf h
Kecepatan foton v = c
ch = 1240 eV/nm
m0
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
n
Lambang dioda :
Karakteristik dioda :
R
VS
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
F3dB
2R 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
0,22 100(0,5x103 )
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
I sc
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
1,2 2,68 m b
m 316,7 b 0,294
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 200A
Vo (1k)( 200A) 0,2V
Dark current 75A
Vo (1k)( 75A) 0,075V
I R 400 W / m2
I 800A
Vo (1k)(800A) 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