OPTICAL TRANSDUCERS

1
OPTICAL TRANSDUCERS

• PHOTOEMISSIVE CELL
• PHOTOCONDUCTIVE CELL
• PHOTOVOLTAIC CELL
• PHOTODIODE
• PHOTOTRANSISTOR

2
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)

3
Spectra of various types of light sources
4
Spectral response of several types of E-O sensor
5
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

6
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
7
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
8
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

9
Pengamatan I Stopping Potential Vo

• Cahaya a dan b mempunyai intensitas berbeda (b gt
  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

10
Pengamatan II Frekuensi cutoff fo

• Pada frekuensi fo stopping potential Vo 0
• Untuk f lt fo, tidak terjadi efek fotoelektrik

11
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

12
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

13
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 lt fo, efek fotoelektrik tidak
  pernah terjadi berapapun intensitasnya
• Adanya frekuensi cutoff pada efek fotoelektrik
  tidak dapat diterangkan dengan menganggap cahaya
  adalah gelombang

14
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 gt ?, efek
  fotoelektrik akan terjadi
• Bila frekuensinya terlalu kecil sehingga energi
  foton hf lt ?, efek fotoelektrik tidak mungkin
  terjadi
• Adanya frekuensi cutoff dapat diterangkan dengan
  menganggap cahaya adalah partikel

15
PHOTOEMISSIVE TUBE
Metal ? (eV)
Cs 1,9
K 2,2
Na 2,3
Li 2,5
Ca 3,2
Cu 4,7
Ag 4,7
Pt 6,4
16
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
17
TWO GENERAL CONSTRUCTIONS
High-vacuum tube - Linear - Response time 1
ns
Gas-filled tube - Not Linear - Response
time 1 ms
18
Circuit for using photoemissive tube
19
PHOTOMULTIPLIER TUBE
20
Sensitivity curves for several forms of PM tubes
21
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
22
Housing and PM tube form the entire sensor
23
PHOTOVOLTAIC CELLS

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

24
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

25
P-N JUNCTION SILICON PHOTOCELL

• pn junction
• 1958
• Bell Telephone Laboratories
• (0,27 0,6) V dc under 2000 fc

26
Photocell using noninverting amplifier
27
(No Transcript)
28
(No Transcript)
29
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 )

30
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

31
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

32
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
33
Struktur dari photoconductive cell
34

• Tidak linier
• Jutaan ? ratusan ohm
• Sensitif/peka
• Dark/light ratio besar

Kurva respon dari beberapa tipe photoconductive
cell
35
Photoconductive cell (PC) circuits
36

• Efek beban besar
• Output tidak bisa nol

37

• Efek beban kecil
• Outputnya tidak bisa nol

38

• Efek beban besar
• Outputnya bisa nol

39
DIODA
Lambang dioda
Karakteristik dioda
10-7 A
40
(No Transcript)
41
(No Transcript)
42
PHOTODIODE
PHOTOTRANSISTOR
43
Zero control
44
(No Transcript)
45
Modulated light
46
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

47
(No Transcript)
48
(No Transcript)
49
(No Transcript)
50
(No Transcript)
51
(No Transcript)
52
(No Transcript)
53
(No Transcript)
54
(No Transcript)
55
(No Transcript)
56
(No Transcript)
57
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
58
R2 Photoconductor
59
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.
60
Jawab a). Tanpa beban (open circuit)
61
Dengan beban 100 ?
62
Dengan beban 100 ?
63
Hubung singkat (short circuit)
64
b). Hubungan linier antara tegangan output dan
intensitas
65
(No Transcript)
66
Current-to-voltage converter
Differntial amplifier
67
(No Transcript)
68
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.
69
Jawab Membuat garis beban
70
(No Transcript)
71
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
72
(No Transcript)