Photodioda adalah sebuah dioda yang dioptimasi untuk menghasilkan aliran elektron

Please download to get full document.

View again

of 7
166 views
PDF
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Document Description
Photodioda adalah sebuah dioda yang dioptimasi untuk menghasilkan aliran elektron
Document Share
Document Tags
Document Transcript
  Photodioda adalah sebuah dioda yang dioptimasi untuk menghasilkan aliran elektron (atau arus listrik) sebagai respon apabila terpapar oleh sinar ultraviolet, cahaya tampak, atau cahaya infra merah. Kebanyakan photodioda dibuat dari silikon, tetapi ada juga yang dibuat dari germanium dan galium arsenida. Daerah sambungan semikonduktor tipe P dan N tempat cahaya masuk harus tipis sehingga cahaya bisa masuk ke daerah aktifnya (active region) atau daerah pemisahnya (depletion region) tempat dimana cahaya diubah menjadi pasangan elektron dan hole. Pada gambar 1, lapisan tipe-P yang dangkal terdifusi ke lapisan jenis-N menghasilkan sambungan PN didekat permukaan lapisan “wafer” tersebut. Lapisan tipe -P harus tipis sehingga bisa melewatkan cahaya sebanyak mungkin. Difusi tipe- N yang banyak ada di belakang lapisan “wafer” tersebut menempel dengan kontak logam. Gambar 1   Photodioda : Simbol rangkaian dan penampang melintangnya Cahaya yang masuk ke bagian atas photodioda masuk ke dalam lapisan semikonduktor. Lapisan tipe-P yang tipis di atas membuat banyak foton melewatinya menuju daerah pemisah (depletion region) tempat dimana pasang elektron dan hole terbentuk. Medan listrik yang tercipta di daerah pemisah menyebabkan elektron tertarik ke lapisan N, sedangkan hole ke lapisan P. Sebenarnya, pasangan elektron dan hole bisa dibentuk pada semua daerah dari bahan semikonduktor. Namun, pasangan elektron dan hole yang tercipta di daerah pemisah akan terpisah ke daerah masing-masing yaitu daerah P dan N. Banyak pasangan elektron dan hole yang terbentuk di daerah P dan N mengalami rekombinasi. Hanya ada beberapa yang berekombinasi di daerah pemisah. Oleh karena itu, hanya ada sedikit pasangan hole dan elektron yang ada di daerah N dan P, dan pasangan hole-elektron di daerah pemisah adalah yang menyebabkan terjadinya arus listrik pada saat photodioda terkena cahaya (photocurrent). Tegangan dari photodioda bisa kita cek dengan melakukan percobaan. Penggunaan photodioda pada mode photovoltaic (PV) tidak linier dalam range yang sangat dinamis, selain itu juga sensitif dan memiliki noise yang rendah pada frekuensi di bawah 100 kHz. Mode operasi yang paling banyak digunakan adalah mode photocurrent (PC) karena arus yang dihasilkan lebih proporsional/linier terhadap jumlah fluks cahaya dengan intensitas tertentu, selain itu juga respon  frekuensinya juga lebih tinggi. Kurva yang menunjukkan hubungan antara intensitas cahaya dengan arus yang dihasilkan oleh photodioda ditunjukkan pada gambar 2. Mode photocurrent bisa dicapai dengan menempatkan photodioda dalam kondisi bias terbalik (reverse bias). Penguat arus (penguat transimpedansi) harus digunakan dengan photodioda yang memiliki mode photocurrent. Linieritas pada mode photocurrent bisa dicapai selama photodioda tidak sampai dalam kondisi bias maju (forward bias). Gambar 2   Hubungan antara intensitas cahaya dengan arus yang dihasilkan pada photodioda Photodioda juga sering digunakan untuk kecepatan tinggi. Masalah kecepatan respon maka erat kaitannya dengan efek kapasitansi parasit pada photodioda, dimana kapasitansi parasit ini bisa diminimalisir dengan mengurangi luas permukaan cell nya. Oleh karena itu, sensor pada sambungan fiber optik berkecepatan tinggi memiliki luasan permukaan hanya sekitar 1 mm 2 . Kapasitansi parasit juga bisa dihilangkan dengan meningkatkan ketebalan daerah pemisahnya yang dilakukan pada saat proses manufakturnya. Selain itu juga bisa diperkecil dengan meningkatkan tegangan balik (reverse voltage) pada photodioda. Dioda PIN adalah sebuah photodioda dengan lapisan tambahan diantara daerah P dan N nya seperti ditunjukkan pada gambar 3. Struktur intrinsik P dalam N meningkatkan jarak antara lapisan P dan N, sehingga kapasitansinya menurun, dan kecepatannya naik. Volume dari daerah yang sensitif terhadap cahaya (photo sensitive) juga meningkat, meningkatkan efisiensi konversi cahaya menjadi listrik. Bandwidth dari photodioda dapat ditingkatkan hingga 10 GHz. Photodioda PIN memiliki sensitifitas yang tinggi dan kecepatan yang tinggi dengan harga yang tidak terlalu mahal.  Gambar 3   Photodioda PIN : penambahan daerah instrinsik dapat meningkatkan ketebalan daerah pemisah sehingga menurunkan efek kapasitansi parasit Photodioda Avalence (APD) didisain untuk beroperasi pada tegangan bias terbalik (reverse bias) yang sangat tinggi menghasilkan efek melipatgandakan elektron sama seperti photomultiplier tube. Tegangan balik (reverse voltage) pada photodioda sekitar 10 V hingga 2000 V. Tegangan bias terbalik yang sangat tinggi ini mempercepat proses perubahan elektron menjadi pasangan elektron-hole pada daerah instrinsik sehingga memiliki kecepatan yang cukup pada pembawa tambahan (additional carriers) dari proses tumbukan dengan kisi-kisi kristal. Sehingga lebih banyak elektron yang dihasilkan dari sebuah foton. Tujuan dari APD adalah melakukan penguatan di dalam photodioda sehingga mengatasi noise pada amplifier eksternalnya. Tetapi APD menghasilkan noise nya sendiri. Pada kecepatan tinggi, APD lebih unggul dari kombinasi penguat dioda PIN, tetapi tidak untuk aplikasi kecepatan rendah. APD sangat mahal, kira-kira hampir sama dengan tabung photomultiplier. Sehingga APD unggul terhadap photodioda PIN hanya untuk aplikasi-aplikasi khusus. Salah satunya adalah pada aplikasi penghitung foton tunggal pada fisika nuklir. Cahaya memiliki energi berupa paket-paket energi yang disebut dengan foton. Energi foton ini bergantung pada frekuensi dari gelombang cahaya tersebut sesuai dengan persamaan W = hf dimana h adalah konstanta Planck yang memiliki nilai sebesar 6.624 x 10 -34  J/s. h adalah suatu konstanta, energi bergantung pada frekuensi gelombang cahaya yang merambat. Sebaliknya, frekuensi ditentukan dari panjang gelombang dari cahaya yang merambat sesuai dengan persamaan λ = v/f   dimana  λ adalah panjang gelombang dalam meter   v adalah kecepatan cahaya 3 x 10 8  m/s f adalah frekuensi gelombang cahaya yang merambat dalam Hz Umumnya panjang gelombang dinyatakan dalam satuan Angstrom (Å) atau mikrometer (μm). Konversi satuan ini kedalam meter adalah 1 Å = 10 -10  m dan 1 μm = 10 -6  m Panjang gelombang adalah penting karena ia akan menentukan material apa yang akan digunakan pada divais optoelektronik tersebut. Respon spektral relatif untuk Germaniun (Ge), Silikon (Si), dan selenium ditunjukkan pada gambar 4. Spektrum dari cahaya tampak juga dimasukkan dengan beberapa contoh warna. Gambar 4   Respon spektral relatif untuk bahan bahan silikon, germanium, dan selenium Jumlah elektron bebas yang dihasilkan dari masing-masing material linier dengan intensitas cahaya yang menerpa photodioda tersebut. Intensitas cahaya memiliki parameter fluks lumen per satuan  luas. Fluks lumen diukur dalam satuan lumen (lm) atau watt. Kedua satuan tersebut memiliki hubungan 1 lm = 1.496 x 10 -10  W Intensitas cahaya biasanya diukur dengan satuan lm/ft 2 , footcandles, atau W/m 2 , dimana 1 lm/ft 2  = 1 fc = 1.609 x 10 -9  W/m 2  Photodioda adalah semikonduktor jenis sambungan PN dimana daerah operasinya adalah pada mode bias terbalik (reverse bias). Rangkaian dasar dari photodioda, konstruksinya, serta simbolnya ditunjukkan pada gambar 5. Gambar 5   (a) Cara melakukan bias pada photodioda. (b) Simbol  photodioda Ingat prinsip kerja pada dioda bahwa arus saturasi dalam mode bias terbalik terbatas hanya beberapa mikro ampere. Arus tersebut disebabkan aliran dari pembawa minoritas yang terdapat pada meterial tipe P dan tipe N. Apabila ada cahaya yang mengenai sambungan PN nya, maka akan dihasilkan transfer energi dari rambatan gelombang cahaya (dalam bentuk foton) menjadi struktur atomik, menghasilkan peningkatan jumlah pembawa minoritas (minority carriers) dan meningkatkan level dari arus balik. Perhatikan grafik pada gambar 6 menujukkan hubungan antara arus dan tegangan photo dioda dalam mode bias terbalik untuk berbagai level intensitas cahaya. Arus gelap  ( dark current ) adalah arus yang mengalir pada saat tidak ada cahaya yang mengenai photodioda. Perhatikan bahwa arus yang mengalir pada photodioda akan benar-benar menjadi nol hanya ketika photodioda tersebut diberi tegangan positif sebesar V T . Perhatikan juga
Similar documents
View more...
Search Related
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks