Apa itu Fotodioda? Pengertian Prinsip Kerja dan Rangkaian

Pengertian Fotodioda

Fotodioda adalah sejenis dioda semikonduktor sambungan PN yang bekerja dengan intensitas cahaya yang jatuh padanya pada kondisi bias mundur (reverse biased). Bagaimana prinsip kerja dan aplikasi rangkaian foto dioda? Simak penjelasannya pada artikel kali ini.

Prinsip Kerja Fotodioda

Ketika diode dalam kondisi bias terbalik, akan ada arus saturasi balik yang mengalir melaluinya dari terminal positif ke terminal negatif dioda. Pembawa muatan minoritas yang tidak dapat dihindari menyebabkan arus saturasi terbalik ini dalam kristal semikonduktor.

Nilai arus saturasi balik ini tidak bergantung pada tegangan balik yang melalui dioda melainkan tergantung pada konsentrasi pembawa muatan minoritas dalam kristal semikonduktor. Oleh karena itu untuk rentang tegangan balik tertentu di dioda, arus ini tetap hampir konstan.

Kita dapat mengontrol arus saturasi balik pada dioda dengan mengontrol konsentrasi pembawa muatan minoritas dalam kristal semikonduktor. Kita dapat mengubah konsentrasi pembawa muatan minoritas dalam semikonduktor dengan memberi suplai energi eksternal ke kristal.

Pada fotodioda, kita juga melakukan hal yang sama untuk mengontrol konduktivitas komponen tersebut. Seperti namanya di fotodioda, sambungan PN terekspos dalam cahaya. Bergantung pada intensitas cahaya, ikatan kovalen dalam kristal yang terlepas dan menghasilkan pasangan elektron-lubang bebas di seberang dan di dekat sambungan PN. Akibatnya, arus balik di dioda meningkat atau dengan kata lain konduktivitas komponen meningkat.

Catatan:

Perlu dicatat bahwa dalam fotodioda, hanya bagian sambungan pn dioda yang harus terkena cahaya, hal ini karena jika cahaya jatuh dari persimpangan, pasangan elektron-lubang yang dibuat menjauh dari persimpangan mendapatkan waktu yang cukup untuk bergabung kembali maka mereka tidak dapat memberikan kontribusi arus balik.

Tetapi pasangan elektron-lubang yang dibuat di persimpangan atau sangat dekat dengan persimpangan, dapat merambat dengan mudah menuju polaritas yang berlawanan karena pengaruh medan listrik melintasi persimpangan dan karenanya arus melalui fotodioda akan meningkat.

Konstruksi Fotodioda

Fotodioda terbuat dalam kemasan logam. Dioda adalah sambungan APN, dipasang di substrat plastic yang berinsulasi. Kemudian substrat plastik disegel dalam wadah logam. Di bagian atas kotak logam, ada jendela transparan, yang memungkinkan cahaya untuk masuk mengenai PN Junction. Ada dua kaki, anoda dan katoda dioda keluar dari bagian bawah. Ada tonjolan memanjang dari sisi bagian bawah komponen yang menandakan kaki katoda.

Simbol Fotodioda

Simbol dioda adalah seperti dioda biasa kecuali untuk dua panah ke bawah yang melambangkan cahaya.

Karakteristik Fotodioda

1. Tahanan Gelap Fotodioda (Dark Reverse). Memang benar bahwa selalu ada beberapa pembawa muatan minoritas dalam kristal semikonduktor bahkan dalam kondisi sangat gelap — pembawa muatan minoritas dalam kristal semikonduktor ini hadir karena pengotor yang tidak dapat dihindari dan eksitasi termal alami dari kristal. Jadi bahkan dalam kondisi gelap, akan ada arus saturasi balik yang kecil dan konstan pada dioda. Arus ini ditetapkan untuk fotodioda, dan arus ini dikenal sebagai arus gelap (dark current). Rasio tegangan balik maksimum yang dapat ditahan terhadap arus gelap fotodioda disebut resistansi gelap dioda itu.
2. Ketika kita memberikan cahaya ke dioda, arus balik meningkat. Hubungan bersifat linier. Nilai arus balik berbanding lurus dengan intensitas energi cahaya yang masuk. Semakin tinggi intensitas cahaya, arus akan semakin besar.
3. Kita dapat meningkatkan intensitas cahaya, hingga mencapai nilai arus balik tertentu, namun arus tidak akan meningkat lebih tinggi lagi. Nilai maksimum arus balik ini disebut sebagai arus saturasi fotodioda.

 

Aplikasi Rangkaian Fotodioda

Ada banyak aplikasi fotodioda. Namun aplikasinya tidak bisa dibahas semuanya dalam artikel singkat ini. Di sini kita akan membahas hanya dua aplikasi populer dari fotodioda.

1. Rangkaian Alarm Menggunakan Fotodioda

Jika kita memberi cahaya sedemikian rupa, cahaya selalu jatuh pada fotodioda. Selama cahaya tersebut mengenai fotodioda, maka akan ada arus balik yang mengalir pada dioda, karena dioda sudah terhubung dalam kondisi bias mundur di rangkaian alarm.

Jika terjadi halangan pada sumber cahaya, arus balik di fotodioda turun ke tingkat arus gelap. Rangkaian ini dirancang sedemikian rupa ketika arus balik turun, bel alarm akan mulai berbunyi.

Biasanya pemasangan alarm ini ditempatkan pada sebuah pintu untuk mendeteksi jika ada orang yang masuk. Dalam pengaturan ini, berkas cahaya melintasi pintu dari satu sisi ke sisi lain. Fotodioda juga dipasang di sisi berlawanan dari sumber cahaya. Ketika ada orang yang masuk melalui pintu, sinar lampu akan terhalang dan alarm akan berbunyi.

2. Rangkaian Penghitung Menggunakan Fotodioda

Ketika sejumlah barang melewati ban berjalan, maka kita dapat dengan mudah dihitungnya dengan menggunakan fotodioda. Pada rangkaian ini, sumber cahaya dipasang di satu sisi sabuk konveyor dan fotodioda di sisi berlawanan dari sabuk. Sumber cahaya dan fotodioda dipasang sedemikian rupa sehingga cahaya datang langsung ke fotodioda.

Saat cahaya jatuh pada fotodioda akan ada arus pemulihan terbalik pada rangkaian. Kemudian fotodioda dihubungkan dengan rangkaian penghitung (counter). Jika sinar cahaya terhalang benda, maka penghitung akan mendeteksi satu hitungan. Ketika satu benda melewati berkas cahaya, maka berkas cahaya akan terhalang dan penghitung akan mendeteksinya.

Demikianlah pembahasan singkat mengenai Apa itu Fotodioda? Pengertian Prinsip Kerja dan Rangkaian. Semoga bermanfaat.