Pengertian Photodiode dan Prinsip Kerja Photodiode - Dioda foto (Photodiode) merupakan komponen elektronika yang dapat mengubah cahaya menjadi arus listrik. Dioda Foto merupakan komponen aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor. Seperti dioda pada umumnya, Photodiode memiliki dua kaki terminal yaitu kaki terminal katoda dan kaki terminal anoda, namun dioda foto memiliki lensa dan filter optik yang terpasang dipermukaannya sebagai pendeteksi cahaya.
Cahaya yang dapat dideteksi oleh Photodiode diantaranya seperti cahaya matahari, cahaya tampak, sinar inframerah, sinar ultra-violet hingga sinar X. Oleh karena itu, dioda foto yang dapat mendeteksi berbagai cahaya ini telah banyak diaplikasi ke berbagai perangkat elektronika dan listrik seperti penghitung kendaraan, sensor cahaya kamera, alat-alat medis, scanner barcode dan peralatan keamanan.
Pengertian Photodiode
Photodioda adalah salah satu jenis detektor cahaya, yang digunakan untuk mengubah cahaya menjadi arus atau tegangan berdasarkan mode operasi perangkat. Ini terdiri dari filter optik, lensa built-in dan juga area permukaan. Photodioda ini memiliki waktu respons yang lambat ketika luas permukaan Photodioda meningkat.
Photodioda mirip dengan dioda semikonduktor biasa, tetapi dapat juga terlihat agar cahaya mencapai bagian halus perangkat. Beberapa dioda yang dimaksudkan untuk digunakan persis seperti Photodioda juga akan menggunakan junction PIN daripada persimpangan/junction PN biasa.
Beberapa Photodioda akan terlihat seperti dioda pemancar cahaya (LED). Mereka memiliki dua terminal yang datang dari ujung. Ujung dioda yang lebih pendek adalah terminal katoda, sedangkan ujung dioda yang lebih panjang adalah terminal anoda.
Lihat diagram skematik berikut untuk sisi anoda dan katoda. Di bawah kondisi bias maju, arus konvensional akan mengalir dari anoda ke katoda, mengikuti panah pada simbol dioda. Photo-arus mengalir ke arah sebaliknya.
Bentuk dan Simbol Photodiode
Fungsi Photodiode
Photodioda berfungsi sebagai sensor cahaya karena memiliki kemampuan sensitivitas terhadap cahaya yang cukup tinggi. Oleh karena itu photodioda juga memiliki banyak fungsi lainnya yang dapat diaplikasikan ke berbagai bidang diantaranya sebagai penghitung kendaraan di lalu lintas, peralatan keamanan, scanner barcode, sensor pada robot line follower, pendeteksi garis pada robot pemadam api, alat-alat medis, sensor cahaya kamera dan masih banyak lagi yang lainnya.
Cara Kerja Photodioda
Photodiode yang dibuat dari semikonduktor dengan bahan-bahan yang populer digunakan seperti silicon, germanium dan lainnya. Menggunakan bahan tersebut, photodioda dibuat sedemikian rupa sehingga photodioda terdiri dari satu lapisan tipis semikonduktor tipe-N yang memiliki kelebihan elektron dan satu lapisan tebal semikonduktor tipe-P yang memiliki kelebihan hole.
Ketika photodiode terkena cahaya, partikel terkecil sebuah cahaya yakni photon akan menembus lapisan semikonduktor tipe-N dan memasuki lapisan semikonduktor tipe-P. Photon-photon yang menembus lapisan semikonduktor tersebut mengakibatkan terjadinya tabrakan dengan elektron-elektron yang terikat sehingga elektron tersebut terpisah dari intinya dan menghasilkan hole.
Elektron yang terpisah akibat tabrakan dan berada dekat persimpangan semikonduktor P-N akan menyeberangi persimpangan tersebut dan berpindah ke daerah semikonduktor tipe-N. Akibatnya jumlah elektron pada semikonduktor tipe-N bertambah sedangkan pada semikonduktor tipe-P memiliki kelebihan hole.
Dengan demikian, secara terus-menerus akan terjadi perbedaan potensial pada persimpangan antara semikonduktor tipe-N sebagai katoda dan semikonduktor tipe-P sebagai anoda. Ketika dihubungkan beban atau kabel pada kaki terminal katoda dan anoda, maka elektron akan mengalir dari katoda menuju anoda melalui beban atau kabel tersebut. Kondisi ini sering disebut juga dengan aliran arus listrik.
Perlu diingat bahwa ketika photodioda terkena cahaya maka akan bersifat sebagai sumber tegangan dan resistansinya menjadi sangat kecil. Namun ketika photodioda tidak terkena cahaya, maka resistansinya akan sangat besar dan tidak ada arus yang mengalir. Besarnya aliran arus listrik pada photodiode bergantung pada intensitas cahaya yang diterima photodioda tersebut.
Jenis-jenis Photodiode
Meskipun ada banyak jenis Photodioda yang tersedia di pasaran dan semuanya bekerja dengan prinsip dasar yang sama, meskipun beberapa di antaranya ditingkatkan oleh efek lain. Pengerjaan berbagai jenis dioda bekerja dengan cara yang sedikit berbeda, tetapi operasi dasar dioda ini tetap sama. Jenis Photodioda dapat diklasifikasikan berdasarkan konstruksinya dan fungsinya sebagai berikut.
- Photodioda PN
- Photodioda Schottky
- Photodioda PIN
- Photodioda Avalanche
Photodioda ini banyak digunakan dalam aplikasi di mana deteksi keberadaan cahaya, warna, posisi, intensitas diperlukan. Fitur utama photodioda meliputi yang berikut ini.
- Linearitas dioda baik untuk lampu insiden
- Kebisingan rendah
- Responsnya spektral luas
- Kasar secara mekanis
- Ringan dan kompak
- Umur panjang
Bahan yang diperlukan untuk membuat Photodioda dan rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik meliputi:
- Untuk bahan silikon, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (190-1100) nm
- Untuk material Germanium, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (400-1700) nm
- Untuk bahan Indium gallium arsenide, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (800-2600) nm
- Untuk bahan timbal (II) sulfida, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik akan <1000-3500) nm
- Untuk Merkurius, bahan cadmium Telluride, rentang panjang gelombang spektrum elektromagnetik adalah (400-14000) nm
Karena celah pita mereka yang lebih baik, Photodioda berbasis Si menghasilkan noise yang lebih rendah daripada Photodioda berbasis Ge.
Prinsip Kerja Photodiode
Prinsip kerja dari Photodioda adalah ketika foton energi yang banyak menyerang dioda, itu membuat beberapa lubang (holes) dan elektron. Mekanisme ini juga disebut sebagai efek fotolistrik dalam. Jika penyerapan muncul di persimpangan daerah penipisan, maka pembawa dihapus dari persimpangan oleh medan listrik inbuilt dari daerah penipisan.
Oleh karena itu, holes di wilayah itu bergerak ke arah anoda, dan elektron bergerak ke arah katoda, dan arus foto akan dihasilkan. Seluruh arus melalui dioda adalah jumlah dari tidak adanya cahaya dan arus listrik. Jadi arus yang tidak ada harus dikurangi untuk memaksimalkan sensitivitas perangkat.
Mode Pengoperasian Photodiode
Mode operasi Photodioda meliputi tiga mode, yaitu mode Fotovoltaik, mode Photokonduktif dan mode dioda avalanche
Mode Fotovoltaik: Mode ini juga dikenal sebagai mode bias nol, di mana tegangan dihasilkan oleh Photodioda yang diringankan. Ini memberikan rentang dinamis yang sangat kecil & kebutuhan non-linear dari tegangan yang terbentuk.
Mode Photokonduktif: Photodioda yang digunakan dalam mode fotokonduktif ini biasanya bias terbalik. Aplikasi tegangan balik akan meningkatkan lebar lapisan penipisan, yang pada gilirannya mengurangi waktu respons & kapasitansi persimpangan. Mode ini terlalu cepat dan menampilkan gangguan elektronik
Mode Dioda Avalanche: Dioda avalanche beroperasi dalam kondisi bias balik yang tinggi, yang memungkinkan penggandaan dari avalanche breakdown untuk setiap pasangan lubang(holes) elektron yang dihasilkan foto. Hasil ini dalam gain internal di Photodioda, yang secara perlahan meningkatkan respons perangkat.
Aplikasi Photodioda
- Aplikasi Photodioda melibatkan dalam aplikasi yang sama dari photodetektor seperti perangkat charge-coupled, photokonduktor, dan tabung photomultiplier.
- Dioda ini digunakan dalam perangkat elektronik konsumen seperti detektor asap, pemutar CD, dan televisi dan kontrol jarak jauh di VCR.
- Dalam perangkat konsumen lain seperti radio jam, meter lampu kamera, dan lampu jalan, photokonduktor lebih sering digunakan daripada Photodioda.
- Photodioda sering digunakan untuk pengukuran tepat intensitas cahaya dalam sains & industri. Secara umum, mereka memiliki respons yang ditingkatkan dan lebih linier daripada photokonduktor.
- Photodioda juga banyak digunakan dalam berbagai aplikasi medis seperti instrumen untuk menganalisis sampel, detektor untuk computed tomography dan juga digunakan dalam monitor gas darah.
- Dioda ini jauh lebih cepat & lebih kompleks daripada dioda junction PN dan karenanya sering digunakan untuk pengaturan pencahayaan dan komunikasi optik.
Karakteristik V-I Photodioda
Sebuah Photodioda terus beroperasi dalam mode bias terbalik. Karakteristik Photodioda ditunjukkan dengan jelas pada gambar berikut, bahwa arus fotonya hampir tidak bergantung pada tegangan bias balik yang diterapkan.
Untuk pencahayaan nol, arus foto hampir nol tidak termasuk untuk arus gelap kecil. Ini adalah urutan dari ampere nano. Saat daya optik naik, arus foto juga naik secara linear. Maksimum arus kas foto tidak lengkap oleh disipasi daya photodioda.
Jadi, itulah penjelasan tentang prinsip kerja Photodioda, karakteristik, dan aplikasi atau penerapannya. Kami harap Anda mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang konsep ini.