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

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 PotentialVo • 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

10. Pengamatan II : Frekuensi cutofffo • Pada frekuensi fo stopping potential Vo = 0 • Untuk f < fo, tidak terjadi efek fotoelektrik

11. Analisis I :Stopping PotentialVo 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 PotentialVo 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 cutofffo 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

14. Analisis II : Frekuensi cutofffo 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

15. PHOTOEMISSIVE TUBE

16. PHOTON ENERGY

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

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

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

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

42. PHOTODIODE PHOTOTRANSISTOR

43. Zero control

45. Phototransistor 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