PHOTOMETRY DAN RADIOMETRY

Sensor fotokonduktif

1.Pengantar

Photokonduksi telah menjadi alat penting yang digunakan untuk mengevaluasi sifat material, untuk mempelajari karakteristik perangkat semikonduktor, dan untuk mengubah optik menjadi sinyal listrik.

Perangkat fotokonduktor digunakan untuk menghasilkan pulsa listrik yang sangat cepat dengan menggunakan pulsa laser dengan waktu naik dan turun subpicosecond . Untuk komunikasi optoelektronik, perangkat fotokonduktor memungkinkan operasi di kisaran gigabit per detik. Perangkat fotokonduktif biasanya memiliki dua terminal. Penerangan alat fotokonduktif akan mengubah resistannya. Teknik konvensional digunakan untuk mengukur daya tahan fotokonduktor
 
2.Parameter Kinerja Detektor
    a. Responsivitas

    Variasi kejadian kepadatan foton fluks pada fotokonduktor berinteraksi dengan material untuk mengubah konduktivitas. Perubahan ini menghasilkan tegangan sinyal yang sebanding dengan densitas foton fluks masukan. Area detektor A mengumpulkan fluks yang memberi kontribusi pada sinyal. Js adalah densitas daya terintegrasi selama interval spektral. Responsivitas (Rv) adalah rasio tegangan sinyal rms (atau arus) terhadap daya sinyal rms dan dinyatakan dalam satuan voltase per watt. Hal ini dinyatakan sebagai amps per watt untuk responsivitas saat ini :
                        

    b.  Kebisingan

         Kinerja instrumen yang terlihat atau IR pada akhirnya terbatas bila rasio signal-to-noise sama dengan satu (SNR = 1). Suara dari pemrosesan sinyal instrumen kurang dari kebisingan detektor dalam kasus ideal. Ini berarti mengurangi kebisingan ini dalam batasan keterbatasan disain pemrosesan sinyal. Ini mungkin termasuk biaya, ukuran, dan daya masukan. Suara detektor harus diminimalkan.
          Johnson mendefinisikan  dalam persamaan, di mana k adalah konstanta Boltzmann (1,38 • 10-23J / K), T adalah suhu detektor (K), R adalah resistansi (W), dan △f adalah pita penguat (Hz). 
 

    c. Sensitivitas pendeteksi

        Daya sinyal pendeteksi minimum, yaitu Noise Equivalent Power (NEP) adalah alat yang mudah digunakan untuk mengekspresikan sensitivitas detektor. NEP dinyatakan dalam satuan wat.

 3.Persiapan dan Kinerja Detektor Fotokonduktif
    a.Cadmium Sulfide , CdS biasanya disiapkan oleh deposisi uap atau sintering lapisan bubuk CdS dengan kemurnian tinggi pada substrat keramik. Ini memiliki perubahan terbesar dalam perlawanan dengan iluminasi fotokonduktor ap. Respon puncak detektor intrinsik ini adalah 0,5 mm. Respons spektralnya mirip dengan mata manusia dan beroperasi tanpa pendinginan.


 

    b.Lead Sulfide, bahan detektor intrinsik ini dibuat dengan pengendapan film tipis polikristalin dengan sublimasi vakum atau deposisi kimia dari larutan. Respon spektral meluas menjadi sekitar 3 mm. PbS beroperasi pada rentang suhu dari 77 K sampai suhu kamar. Respons frekuensi melambat jauh pada suhu terendah. Respons spektral meluas ke panjang gelombang yang agak panjang dengan pendinginan.

    c.Antimonide Indium, InSb dibuat dengan mencairkan jumlah stoikiometri indium dan antimon. Ini beroperasi pada kisaran 77 K sampai suhu kamar. Kinerja dan kemudahan operasi yang lebih tinggi dengan pemrosesan sinyal elektronika memimpin detektor InSb fotovoltaik agar lebih banyak digunakan daripada fotokonduktif.
 
     d.Mercury Cadmium Telluride, HgCdTe adalah bahan intrinsik serbaguna untuk detektor IR. CdTe dan HgTe digabungkan untuk membentuk semikonduktor paduan Hg1-xCdxTe. Dengan memilih komposisi paduan dengan tepat, detektor HgCdTe fotokonduktif dimungkinkan di atas rentang 2 sampai 20 mm. Wafer CdZnTe mengizinkan permukaan yang sesuai dengan kisi untuk pertumbuhan sel kurma HgCdTe. Suhu operasi dapat berkisar dari 77K sampai suhu kamar, dengan suhu yang lebih rendah yang diperlukan untuk perangkat panjang gelombang yang lebih panjang.

      e.Ermanium dan silikon ekstrinsik, fotoresponse detektor ekstrinsik terjadi saat foton berinteraksi dengan pengotor yang ditambahkan ke bahan semikonduktor induk. Dengan bahan intrinsik, photoresponse berasal dari interaksi dengan bahan dasarnya.
 

      f.Teknologi Gallium Arsenide / Aluminium Gallium Arsenide QWIP, menggunakan struktur kuantum-sumur untuk menyediakan transisi intraband (intersubband) untuk mencapai respons panjang gelombang panjang yang efektif dalam material bandgap yang lebar. Sumur kuantum digunakan untuk menyediakan keadaan di dalam pita konduksi atau valensi.

Photojunction Sensors  

1.Pengantar
Sensor Photojunction (fotodioda dan fototransistor) adalah perangkat semikonduktor yang mengubah elektron yang dihasilkan oleh efek fotolistrik menjadi sinyal elektronik yang terdeteksi. Efek fotolistrik adalah fenomena di mana foton kehilangan energi ke elektron dalam material. Dalam kasus semikonduktor, ketika energi foton yang berinteraksi (hn) melebihi energi celah pita semikonduktor (Eg), energi yang diserap dapat mendorong elektron dari pita valensi ke pita konduksi material. Hal ini menyebabkan terbentuknya sepasang lubang elektron. Dengan adanya medan listrik, muatan ini melayang ke elektroda di permukaan dan menghasilkan sinyal.
2.Teori  
    a.Equivalent Circuit

Teori Equivalent Circuit Versi simpul dari sirkuit ekuivalen untuk fotodioda ditunjukkan pada gambar, di mana Cj = kapasitansi junction, Id = arus gelap (arus hadir tanpa foton kejadian), Ij = arus saturasi balik, arus keluaran Io =, Ip = arus lancar, Rj = persimpangan hambatan shunt (atau resistansi paralel), Rs = resistansi seri, Vj = tegangan persimpangan, Vo = tegangan keluaran.Arus gelap dari struktur ini idealnya diberikan oleh:

dimana k = konstanta Boltzmann, q = muatan elektronik, T = suhu absolut. Total arus yang diterangi diberikan oleh:

b.Kebisingan 

   Ada dua sumber utama kebisingan saat menggunakan fotodioda: suara tembakan dioda dan kebisingan termal. Suara tembakan terkait dengan arus gelap dengan rumus:

dimana B = bandwidth , dengan mengasumsikan tahanan dioda shunt dan resistansi masukan rangkaian pengukuran yang akan digunakan untuk mengukur keluaran fotodioda relatif tinggi terhadap resistansi beban, noise termal diberikan oleh:

3.Karakteristik Photodioda Tanpa penerangan
   a.Output Current Under Reverse Bias      Dalam bias balik sambungan p-n di bawah bias, lebar penipisan (W) meningkat sebagai fungsi dari bias yang diterapkan (Vb) sampai perangkat benar-benar habis. Arus kebocoran gelap (Id) dalam kondisi bias terbalik dapat timbul dari efek rekombinasi generasi (IG) dan dari difusi (ID) serta efek permukaan. Dalam kebanyakan kasus, arus difusi secara signifikan lebih kecil daripada komponen rekombinasi generasi. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mengasumsikan bahwa Id »IG. Ungkapan analitis untuk IG adalah sebagai berikut:

 

b.Position Sensitive Photodiode Arrays

    fotodiofikasi yang dibuat dalam kuadran geometri. Empat fotodioda dibuat dalam persegi, 2 • 2 geometri. Bila digabungkan ke lensa atau lubang jarum, mereka bisa dioperasikan sebagai detektor sensitif posisi. Dalam operasi, output dari empat dioda dipantau dan posisi sumber cahaya dapat ditentukan oleh proyeksi titik terang pada permukaan detektor

c.Fototransistor
   Fototransistor adalah perangkat fotojunction yang mirip dengan transistor kecuali sinyal yang diimport adalah pasangan muatan yang dihasilkan oleh input optik.

 

4.Detektor Photojunction Novel Silicon
   a.Struktur Silicon p-i-n Detectors
      Silikon p-i-n dioda adalah perpanjangan dari dioda p-n dioda standar, namun lebih menarik untuk aplikasi dengan noise rendah karena kapasitansi yang berkurang pada perangkat ini.
  
    b.Silicon Drift Detectors
       Silicon drift photodiodes merupakan perpanjangan dari geometri p-i-n dan telah dipelajari secara ekstensif dalam beberapa tahun terakhir untuk memberikan kapasitansi yang sangat rendah (<1 pF untuk detektor 1 cm² dengan ketebalan 300 mm).

     c. Silicon Avalanche Photodiodes
        silicon avalanche photodiodes (APDs) memiliki gain internal yang memungkinkannya beroperasi dengan rasio signal-to-noise yang tinggi dan juga menempatkan persyaratan yang kurang ketat. untuk mendukung elektronik. Dalam bentuknya yang paling sederhana, APD adalah sambungan p-n yang dioperasikan mendekati voltase rusaknya dalam bias
     
      d.Detektor Silicon Amorf
         Sementara hasil yang mengesankan telah diperoleh dengan berbagai struktur perangkat pada silikon kristal seperti detektor drift, APD, dan CCD, mereka terbatas pada area aktif hanya beberapa sentimeter persegi.

Perangkat Charge-Coupled

Penggunaan CCD untuk Precision Light Measurement
Charge-Coupled Devices (CCDs) telah menjadi detektor pilihan untuk pengukuran cahaya yang sensitif dan sangat presisi terhadap spektrum elektromagnetik dari IR dekat (<1,1 μm) ke pita sinar-x (sampai 10 keV). Keuntungan utama CCD terhadap pendahulunya (emulsi fotografi dan tabung hampa udara, perangkat pembacaan berkas elektron seperti tabung Vidicons dan SIT) adalah efisiensi kuantum tinggi, linieritas tinggi, rentang dinamis yang besar, respons kosmetik yang relatif seragam, kebisingan rendah, dan pengambilan gambar digital secara intrinsik.

Operasi CCD dan Pengurangan Data
Untuk mencapai kinerja CCD tertinggi untuk tujuan tertentu, kamera CCD dapat dioperasikan dengan cara khusus, dan pengurangan data kamera pos dapat dioptimalkan. Penggunaan optik khas CCD melibatkan eksposur berjangka waktu, di mana piksel CCD terpapar cahaya dan muatan total terintegrasi dalam piksel untuk waktu yang telah ditentukan sebelumnya. Pada akhir integrasi, shutter ditutup dan CCD dibacakan. Karena pengurangan kebisingan membatasi pembacaan sampai kira-kira 100 kpixels / s, pembacaan CCD besar (2048 · 2048 piksel) dapat memakan waktu beberapa detik untuk diselesaikan.

Rasio Sinyal-terhadap-Kebisingan CCD (CCD Signal-to-Noise Ratios / SNR)
Untuk melihat bagaimana karakteristik CCD berhubungan dengan pengukuran, sangat penting untuk mempelajari prediksi SNR untuk waktu paparan tertentu. Dalam satu piksel yang diterangi oleh sumber yang memberi kontribusi So counts (elektron) ke pixel, seseorang juga melihat kontribusi dari dark current (Sd) dan background illumination semuanya dalam satuan menghitung per pixel per detik Kontribusi sumber (So) dapat diperluas ke dalam intensitas cahaya dari sumbernya, saya; efisiensi kuantum dari CCD, Q; dan waktu integrasi, t; untuk menyediakan 

Struktur CCD dan profil potensialnya di bawah bias
CCD adalah perangkat semikonduktor yang beroperasi dengan prinsip bahwa muatan dapat disimpan sementara dan diangkut sepanjang rangkaian atau rangkaian kapasitor MOS. Unit penyimpanan dasar disebut pixel dan terdiri dari beberapa kapasitor MOS. Di hampir semua CCD, muatan disimpan secara langsung pada antarmuka semikonduktor oksida (perangkat saluran permukaan), atau lebih dalam dari lapisan epitaxial (perangkat buriedchannel). Secara teoritis, CCD permukaan-permukaan memiliki kapasitas muatan yang lebih besar, namun juga rentan terhadap kebisingan yang timbul dari keadaan antarmuka di perbatasan.

Mengisi transportasi dalam CCD mengacu pada pengalihan muatan di sepanjang kapasitor MOS. Ada beberapa skema pencatatan jam kerja yang digunakan, umumnya dibagi menurut berapa banyak daerah tegangan eksternal yang diterapkan per piksel, mulai dari satu (fase uni) hingga empat fasa. Perhitungan pengangkutan muatan dalam CCD memerlukan pemecahan persamaan Poisson dua dimensi dengan kondisi batas yang sesuai untuk mendapatkan distribusi potensial dalam piksel untuk setiap fase terpisah dalam siklus clocking. Teknik numerik yang menggunakan metode elemen-beda nir-fi nite atau metode akhir telah digunakan. Untuk transfer muatan pada epilayer tipe-n, fluks elektron, F (x), diberikan oleh:

Kebisingan dalam CCD
Suara CCD akan menurunkan SNR. Berikut ini adalah sumber kebisingan penting dalam CCD:
         1. Kebisingan termal, atau arus gelap, disebabkan oleh elektron yang terpancar secara termal yang terakumulasi dalam piksel selama integrasi. Dalam aplikasi dimana waktu pencatatan waktu singkat dibandingkan dengan waktu integrasi, pemilihan suara setara, nth, diberikan oleh: 

Dimana Jd adalah kerapatan arus bocor, A🇪 adalah daerah elektroda transportasi, tint dan warna adalah waktu integrasi. Penurunan suhu operasi biasanya akan mengurangi kerapatan arus bocor dan karenanya elektron kebisingan setara.

         2.Perangkap massal adalah sumber kebisingan yang dominan untuk CCD saluran terkubur dan elektron kebisingan setara dari sumber ini adalah:

         3. Baik input dan output CCD melibatkan penyimpanan muatan di kapasitor yang akan terpengaruh oleh fluktuasi di sirkuit. Elektron noise yang setara untuk proses ini adalah: 

         4. SNR maksimum CCD dibatasi oleh jumlah maksimum muatan yang dapat disimpan dalam piksel, dibagi dengan elektron ekuivalen ekuivalen. Dinyatakan dalam desibel, itu adalah: 

Disipasi Daya CCD
Disipasi daya CCD terutama terkait dengan pengisian dan pemakaian kapasitansi gerbang. Kekuatan ini terutama dikonsumsi oleh pengemudi jam dan diberikan oleh:

Optical Imaging dan SpektroskopiSifat-sifat CCD yang banyak telah membuat mereka menjadi detektor pilihan untuk merekam dan membacakan gambar pada tingkat cahaya tinggi maupun rendah. Aplikasi meliputi (1) pengintaian, baik sipil dan defensif, (2) adegan dan pemantauan personil, (3) robotika, dan (4) astronomi. Dalam astronomi, kamera CCD telah menemukan jalan mereka ke hampir semua observatorium di dunia, baik untuk pembacaan langsung gambar dan sebagai kamera pembacaan untuk spektrograf.

Mungkin aplikasi CCD yang paling tepat adalah astronomi, sebuah disiplin di mana karakteristik CCD perlu didorong ke batas mereka untuk mendapatkan kinerja optimal. Serta upaya untuk mengoptimalkan kinerja ini agar bisa mendapatkan sains sebanyak mungkin dari gambar, juga penting untuk mengkalibrasi perangkat semaksimal mungkin dan untuk sepenuhnya memahami tingkah lakunya. Dalam pengertian ini, astronomi telah menjadi "supir" untuk pengembangan CCD secara ilmiah. Aplikasi komersial berskala besar, seperti perekam video, kamera pengawas, dan lain-lain, telah mendorong kebutuhan akan hasil manufaktur yang lebih baik, operasi tanpa noda, keseragaman kinerja, dan kehandalan.

CCD X-ray Imaging Spectroscopy
 Aplikasi ilmiah seperti astronomi telah bertanggung jawab untuk mendorong perbaikan dalam teknologi CCD. Dalam domain x-ray, misalnya, CCD mulai digunakan untuk radiografi medis, di mana kemampuan pencitraan digital dan sensitivitas tinggi memungkinkan dosis pasien yang lebih rendah dan pemrosesan gambar online. Sebagai detektor pembacaan resolusi tinggi dari spektrometer sinar-x dispersi, CCD menjadi banyak digunakan pada generasi baru dari balok sinkronron kecemerlangan yang tinggi. Sebagai spektrometer, mereka juga dipertimbangkan dalam beberapa aplikasi sebagai pengganti dioda Si (Li), di mana suhu operasi yang lebih tinggi dan resolusi dan efisiensi yang ditingkatkan hingga energi sinar-x di bawah 1 keV mengarah pada aplikasi yang menarik bagi ilmu pengetahuan dan teknologi biologi.

 

 

 CONTOH RANGKAIAN APLIKASI SENSOR LASER PHOTODIODA

Keterangan komponen :

B1 = Batre 12V DC, 
R1 = 10k ohm, 
R2 = 470 ohm, 
R3 = 470 ohm, 
R4 = 10k ohm, 
R5 = 1k ohm, 
R6 = 470 ohm, 
D1 = Infrared, 
D2 = Dioda 1n4002, 
D3 = photodioda, 
RV1 = Trimpot atau Potensio 10k ohm, 
U1 = IC LM741, 
Q1 = Transistor FCS9013, 
L1 = Lampu, RL1 = Relay 12v DC.