Pengertian, fungsi dan cara kerja photodioda – Photodioda merupakan salah satu dari sekian banyak jenis dioda yang berfungsi sebagai sensor cahaya. Dioda sendiri merupakan komponen semikonduktor yang terdiri dari satu persimpanagn PN dan dua semikonduktor : tipe N dan tipe P.
Meskipun termasuk ke dalam kelompok dioda, namun photodida mempunyai karakteristik dan sifat yang khusus, tidak sam dengan jenis dioda lainnya. Karena itu penggunannya pun tidak sama seperti dioda lainnya.
Photodioda sering digunakan pada berbagai perangkat yang berhubungan dengan cahaya, misalnya pada bidang fotografi atau teknologi sistem otomatis lainnya yang dikendalikan oleh cahaya.
Pengertian
Photodioda adalah komponen semikonduktor yang dapat mengubah energi cahaya menjadi bentuk energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan oleh photodioda berupa tegangan dan arus dengan daya tertentu. Umumnya daya listrik yang dihasilkan oleh phtodioda bergantung pada besar intensitas cahaya yang diterima dan struktur komposisi semikonduktor di dalam komponen tersebut.
Sama seperti dioda pada umumnya, photodioda memiliki PN junction atau sambungan PN yang tercipta diantara dua semikonduktor penyusunnya. Di area sambungan PN tersebut terdapat lapisan intrinsik yang mudah dipengaruhi oleh cahaya.
Karakteristik
Photodioda sering disebut sebagai sensor cahaya atau detektor cahaya, karena dapat mengubah cahaya menjadi sinyal sinyal listrik. Pemasangan photodioda pada rangkaian dilakukan dengan bias balik. Dimana bagian semionduktor P pada komponen ini terhubung dengan terminal negatif sumber tegangan, dan sisi semikonduktor N dengan terminal positif sumber tegangan.
Jenis bahan semikonduktor yang sering dipakai untuk membuat komponen photodioda adalah silikon, germanium, indium gallium arsenide phospite dan indium gallium arsenide.
Photodioda di desain memiliki perangkat filter optik, lensa dan permukaan transparan untuk menangkap cahaya yang mengenainya. Luas permukaan photodioda mempengaruhi waktu respon komponen ini ketika terpapar cahaya. Semakin luas permukaannya, makin cepat respon photodioda terhadap cahaya yang diterimanya.
Beberapa tipe photodioda mermpunyai bentuk desain yang mirip dengan led. Dimana terdiri dari dua buah kawat terminal dengan panjang yang berbeda. Kawat terminal yang panjang pada photodioda menunjukkan anoda. Sementara terminal keci adalah katoda.
Gambar dan simbol
Gambar dan simbol photodioda ditunjukkan pada gambar di bawah ini :
Cara kerja photodioda
Ketika persimpangan PN di dalam struktur photodioda terpapar cahaya, maka ikatan kovalen di dalam persimpangan PN akan terionisasi. Keadaan ini akan menghasilkan pasangan hole dan elektron. Pasangan ini terbentuk saat foton dengan energi lebih dari 1,1 eV mengenai persimpangan PN.
Saat foton memasuki area persimpangan PN, partikel ini akan mengenal atom dengan energi yang tinggi. Hal ini akan membuat ikatan elektron terlepas dari struktur atom. Pelepasan elektron ini menghasilkan elektron bebas dan hole di dalam struktur atom.
Seperti kita ketahui, elektron bebas merupakan partikel bermuatan negatif. Sedangkan hole merupakan partikel bermuatan positif.
Medan listrik yang terdapat di area persimpangan PN dioda akan membuat elektron dan hole bergerak ke luar. Partikel elektron akan bergerak ke katoda dan hole bergerak ke anoda. Sehingga menghasilkan arus listrik.
Mode pengoperasian photodioda
Photodioda dioperasikan dalam 3 mode yang berbeda :
- Mode fotovaoltaik
- Mode fotokonduktof
- Mode dioda avalanche
1. Mode fotovoltaik
Mode ini biasa disebut juga sebagai mode bias nol dan mode ini lebih sering dipakai. Pada mode ini, photodioda banyak dipakai pada frekuensi rendah dan cahaya yang tinggi. Tegangan yang dihasilkan mempunyai rentang dinamis sangnat kecil dan bersifat non-linear.
2. Mode fotokonduktif
Dalam mode ini, fotodioda akan bekerja dalam kondisi bias terbalik. Katoda akan positif dan anoda akan negatif. Ketika tegangan balik meningkat, lebar lapisan deplesi juga akan meningkat. Sementara itu, respons dan kapasitansi sambungan akan berkurang. Relatif mode operasi ini cepat dan menghasilkan kebisingan elektronik.
Amplifier transimpedansi digunakan sebagai preamplifier untuk fotodioda. Mode penguat semacam itu menjaga tegangan tetap konstan untuk membuat fphotodioda beroperasi dalam mode fotokonduktif.
3. Mode dioda avalanche
Dalam mode ini, photodioda beroperasi pada kondisi bias balik yang tinggi. Kondisi ini memungkinkan penggandaan Avalanche Breakdown ke setiap pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto. Oleh karena itu, ini menghasilkan penguatan internal di dalam fotodioda. Penguatan internal meningkatkan respons photodioda.
Fungsi
Beberapa contoh fungsi photodioda pada berbagai perangkat disebutkan berikut ini :
- Sistem otomatis sensor cahaya atau lampu
- Pembuatan komponen optocoupler.
- Sistem detektor api dan asap
- Digunakan pada perangkat fotografi
- Pada bidang instrument medis
Rangkaian sederhana
Di bawah ini merupakan rangkaian photodioda sederhana yang berfungsi sebagai saklar yang dikendalikan oleh cahaya. Rangkaian ini adalah sebuah driver yang bisa dihubungkan dengan relay atau perangkat modul arduino.
Cara kerja photodioda pada rangkaian diatas dapat dijelaskan berikut ini :
Ketika menerima paparan cahaya, komponen photodioda akan bertindak seperti saklar dalam posisi menutup. Sehingga transistor akan mendapatkan bias basis dari Vcc. Karena mendapatkan bias basis, maka transistor akan mulai aktif hingga mencapai kondisi saturasi.
Pada kondisi saturasi, terminal kolektor – emitor transistor akan memiliki hambatan yang sangat kecil hingga mendekati nol. Akibatnya, arus listrik dari Vcc dapat mengalir ke output transistor yang ada pada terminal emitor.
Output transistor yang berupa arus listrik dari Vcc ini dapat kita hubungkan ke relay atau modul mikrokontroller yang membutuhkan kondisi HIGH untuk menyalakan suatu perangkat.
