ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي PD333-3B/L4 - شبه عدسة 5 مم - سليكون PIN - غلاف أسود - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يعد PD333-3B/L4 صمامًا ثنائيًا ضوئيًا من السليكون PIN عالي السرعة والحساسية، مُحاطًا بغلاف بلاستيكي أسطواني ذي رؤية جانبية. تتميز ميزته الأساسية بالغلاف الإيبوكسي المتكامل الذي يعمل أيضًا كفلتر للأشعة تحت الحمراء (IR)، مما يجعله متطابقًا طيفيًا مع باعثات الأشعة تحت الحمراء الشائعة. يبسط هذا التكامل التصميم البصري عن طريق تقليل الحاجة إلى مكونات التصفية الخارجية. تم تصميم الجهاز للتطبيقات التي تتطلب أوقات استجابة سريعة وكشف موثوق للضوء تحت الأحمر، خاصة في نطاق الطول الموجي 940 نانومتر.

تشمل المزايا الرئيسية أوقات الاستجابة السريعة، والحساسية الضوئية العالية، والسعة الوصلة الصغيرة، وهي عوامل حاسمة لسلامة الإشارة في التطبيقات عالية السرعة. المكون متوافق مع لوائح RoHS وEU REACH، ويتم تصنيعه باستخدام عمليات خالية من الرصاص، مما يتوافق مع المعايير البيئية والسلامة الحديثة للمكونات الإلكترونية.

2. الغوص العميق في المعلمات التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تم تصنيف الجهاز للعمل ضمن حدود بيئية وكهربائية محددة لضمان الموثوقية ومنع التلف. أقصى جهد عكسي (VR) هو 32 فولت. تصنيف تبديد الطاقة (Pd) هو 150 ملي واط. يمكن للمكون تحمل درجات حرارة لحام الأطراف (Tsol) تصل إلى 260 درجة مئوية لمدة لا تتجاوز 5 ثوانٍ، وهو متوافق مع عمليات إعادة التدفق القياسية. يتراوح نطاق درجة حرارة التشغيل (Topr) من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، ويتراوح نطاق درجة حرارة التخزين (Tstg) من -40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية، مما يشير إلى أداء قوي عبر مجموعة واسعة من الظروف.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم توصيف أداء الصمام الثنائي الضوئي في ظل الظروف القياسية (Ta=25°C). يتراوح عرض النطاق الطيفي (λ0.5) من 840 نانومتر إلى 1100 نانومتر، مع ذروة الحساسية (λp) عند 940 نانومتر. هذا يجعله مثاليًا للاستخدام مع مصابيح LED تحت الحمراء 940 نانومتر. تشمل المعلمات الكهربائية الرئيسية جهد الدائرة المفتوحة (VOC) النموذجي البالغ 0.42 فولت عند الإضاءة بـ 5 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر، والتيار ذو الدائرة القصيرة (ISC) النموذجي البالغ 10 ميكرو أمبير تحت إضاءة 1 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر.

التيار الضوئي العكسي (IL)، وهو التيار الضوئي الناتج تحت التحيز العكسي، يبلغ 12 ميكرو أمبير نموذجيًا (VR=5V، Ee=1mW/cm²، λp=940nm). التيار المظلم (Id)، وهو معلمة حاسمة لحساسية الإضاءة المنخفضة، محدد بحد أقصى 10 نانو أمبير (VR=10V). جهد الانهيار العكسي (BVR) له حد أدنى 32 فولت وقيمة نموذجية 170 فولت. السعة الطرفية الإجمالية (Ct) هي 5 بيكو فاراد نموذجية عند VR=5V و1MHz، وهي قيمة منخفضة تساهم في قدرة الجهاز عالية السرعة.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة. هذه الرسوم البيانية ضرورية لمهندسي التصميم للتنبؤ بالأداء في التطبيقات الواقعية خارج ظروف الاختبار القياسية.

3.1 الخصائص الحرارية والبصرية

يوضح الشكل 1 العلاقة بين تبديد الطاقة المسموح به ودرجة الحرارة المحيطة. مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض أقصى تبديد طاقة مسموح به خطيًا، وهي خاصية تخفيض قياسية لأجهزة أشباه الموصلات. يصور الشكل 2 منحنى الحساسية الطيفية، مؤكدًا استجابة الذروة عند 940 نانومتر ونقاط القطع المحددة عند 840 نانومتر و1100 نانومتر حيث تنخفض الحساسية إلى نصف قيمتها القصوى.

3.2 التيار مقابل الإضاءة ودرجة الحرارة

يوضح الشكل 3 كيف يزيد التيار المظلم (Id) بشكل أسي مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. هذه خاصية أساسية لوصلات أشباه الموصلات وهي حاسمة للتطبيقات العاملة في درجات حرارة مرتفعة، حيث يرفع التيار المظلم المتزايد مستوى الضوضاء الأساسي. يظهر الشكل 4 العلاقة الخطية بين التيار الضوئي العكسي (IL) والإشعاع (Ee)، مما يوضح توليد التيار الضوئي المتوقع والخطي للصمام الثنائي الضوئي.

3.3 السعة ووقت الاستجابة

يرسم الشكل 5 السعة الطرفية مقابل الجهد العكسي. تنخفض السعة مع زيادة التحيز العكسي، وهو سلوك نموذجي للصمامات الثنائية الضوئية PIN. السعة المنخفضة تمكن من أوقات استجابة أسرع. يظهر الشكل 6 العلاقة بين وقت الاستجابة ومقاومة الحمل. يزداد وقت الاستجابة مع مقاومة الحمل الأعلى بسبب ثابت الوقت RC المتكون من سعة الوصلة ومقاومة الحمل الخارجية. بالنسبة للتطبيقات عالية السرعة، عادةً ما يتم استخدام مقاوم حمل منخفض القيمة (مثل 50 أوم)، على الرغم من أن هذا يُقايض سعة الإشارة مقابل السرعة.

4. معلومات الميكانيكية والغلاف

يأتي PD333-3B/L4 في غلاف أسطواني ذي رؤية جانبية. جسم الغلاف نفسه أسود، مما يساعد في تقليل الانعكاسات الداخلية وتداخل الضوء الشارد. يساعد تصميم "شبه العدسة" في تركيز الضوء الوارد على منطقة السليكون النشطة، مما يحسن الحساسية الفعالة. يتم توفير أبعاد الغلاف التفصيلية في ورقة البيانات، بجميع القياسات بالمليمترات. التسامحات الحرجة للتنسيب الميكانيكي هي عادةً ±0.25 مم. اتجاه الرؤية الجانبية مفيد بشكل خاص للتطبيقات حيث يكون مسار الضوء موازيًا لسطح لوحة الدوائر المطبوعة، كما هو الحال في مستشعرات الفتحة أو أنظمة كشف الحواف.

5. إرشادات اللحام والتجميع

المكون مناسب لعمليات تجميع لوحات الدوائر المطبوعة القياسية. الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة لحام الأطراف هو 260 درجة مئوية. من الأهمية بمكان ألا يتجاوز وقت اللحام عند هذه الدرجة 5 ثوانٍ لمنع تلف الغلاف البلاستيكي أو شريحة أشباه الموصلات الداخلية. ملفات إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء القياسية أو ملفات لحام الموجة المستخدمة للتجميعات الخالية من الرصاص قابلة للتطبيق بشكل عام. المعالجة السليمة لتجنب تلوث سطح العدسة ضرورية للحفاظ على الأداء البصري. يجب أن يكون التخزين ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية في بيئة جافة.

6. معلومات التعبئة والطلب

مواصفات التعبئة القياسية هي 500 قطعة لكل كيس، و5 أكياس لكل صندوق، و10 صناديق لكل كرتون. هذه التعبئة السائبة نموذجية لخطوط التجميع الآلي. يتضمن الملصق على العبوة معلومات حاسمة للتتبع والتحقق: رقم إنتاج العميل (CPN)، ورقم الإنتاج (P/N)، وكمية التعبئة (QTY)، ورتب الجودة (CAT)، وطول موجة الذروة (HUE)، ورمز مرجعي (REF)، ورقم الدفعة التصنيعية. كما يُشار إلى شهر الإنتاج. يجب على المستخدمين مقارنة معلومات الملصق بسجلاتهم الداخلية ومواصفات ورقة البيانات.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

يعد PD333-3B/L4 مناسبًا تمامًا للعديد من التطبيقات الرئيسية. باعتبارهكاشفًا ضوئيًا عالي السرعة، يمكن استخدامه في روابط اتصالات البيانات باستخدام الضوء تحت الأحمر، أو ماسحات الرموز الشريطية، أو أنظمة كشف النبضات. يمكن أن يكون تكامله فيالكاميراتلأنظمة المساعدة في التركيز التلقائي أو قياس الضوء. فيالمفاتيح الكهروضوئية، يشكل نصف المستقبل لمقاطع ضوئي أو مستشعر عاكس، يوجد عادةً في الطابعات والمشفرات والستائر الأمنية. استخدامه فيأجهزة الفيديو والكاميراتكان تاريخيًا يتعلق بمستشعرات نهاية الشريط أو مستقبلات التحكم عن بُعد، على الرغم من أن المبادئ المماثلة تنطبق على الإلكترونيات الاستهلاكية الحديثة.

7.2 اعتبارات التصميم

عند التصميم باستخدام هذا الصمام الثنائي الضوئي، يجب مراعاة عدة عوامل. بالنسبة لـالتحيز، يتم تشغيله عادةً في وضع التحيز العكسي (وضع التوصيل الضوئي) لتحسين السرعة والخطية، على الرغم من أنه يمكن استخدام الوضع الكهروضوئي (تحيز صفري) للتطبيقات منخفضة الضوضاء. اختيارمضخم العملياتفي دائرة مضخم المعاوقة العابرة (TIA) أمر بالغ الأهمية؛ يجب أن يكون لديه تيار تحيز إدخال منخفض وضوضاء منخفضة لتجنب تدهور الإشارة من الصمام الثنائي الضوئي ذي التيار المظلم المنخفض. خاصيةتصفية الأشعة تحت الحمراءللغلاف مفيدة، لكن يجب على المصممين التأكد من محاذاة طول موجة المصدر (مثل 940 نانومتر) مع ذروة الحساسية. للتشغيل عالي السرعة، تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة بعناية لتقليل السعة والحث الطفيلي عند عقدة الصمام الثنائي الضوئي أمر ضروري.

8. المقارنة والتمييز التقني

بالمقارنة مع الصمامات الثنائية الضوئية القياسية بدون عدسة أو فلتر متكامل، يقدم PD333-3B/L4 حلاً بصريًا أكثر إحكاما وبساطة. يلغي الفلتر المدمج للأشعة تحت الحمراء الحاجة إلى مكون فلتر منفصل، مما يوفر المساحة والتكلفة وتعقيد التجميع. يوفر غلاف الرؤية الجانبية ميزة ميكانيكية مميزة مقارنة بأغلفة الرؤية العلوية لهندسات مسار الضوء المحددة. يمثل الجمع بين جهد الانهيار المرتفع نسبيًا (الحد الأدنى 32 فولت، نموذجي 170 فولت) والتيار المظلم المنخفض توازنًا مواتيًا للعديد من تطبيقات الاستشعار الصناعية التي تتطلب نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة وتشغيلًا قويًا.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س: ما أهمية ذروة الحساسية عند 940 نانومتر؟

ج: 940 نانومتر هو طول موجي شائع جدًا لمصابيح LED تحت الحمراء لأنه غير مرئي للعين البشرية وله نفاذية جوية جيدة. مطابقة ذروة استجابة الصمام الثنائي الضوئي مع طول موجة الباعث تعظم قوة الإشارة وكفاءة النظام.

س: كيف تؤثر مواصفات التيار المظلم على تصميمي؟

ج: التيار المظلم هو المصدر الأساسي للضوضاء في الصمام الثنائي الضوئي عندما لا يكون هناك ضوء. التيار المظلم المنخفض (10 نانو أمبير كحد أقصى لهذا الجهاز) يعني أن المستشعر يمكنه اكتشاف إشارات ضوئية ضعيفة جدًا دون أن تطغى عليه ضوضاءه الداخلية، مما يحسن الحساسية والنطاق الديناميكي.

س: هل يمكنني استخدام هذا لكشف الضوء المرئي؟

ج: يعمل الغلاف الإيبوكسي المتكامل كفلتر للأشعة تحت الحمراء، مما يضعف الضوء المرئي بشكل كبير. لذلك، هذا المتغير المحدد غير مناسب للتطبيقات التي تتطلب حساسية في الطيف المرئي. لكشف الضوء المرئي، سيكون مطلوبًا غلاف شفاف أو بفلتر مختلف.

س: ما مقاومة الحمل التي يجب أن أستخدمها للحصول على سرعة مثالية؟

ج: بالرجوع إلى الشكل 6، للحصول على أسرع وقت استجابة (في نطاق النانو ثانية)، هناك حاجة إلى مقاومة حمل منخفضة (مثل 50 أوم إلى 100 أوم). ومع ذلك، ينتج عن هذا إشارة جهد أصغر. غالبًا ما تكون دائرة مضخم المعاوقة العابرة هي الحل الأفضل، حيث توفر كلًا من السرعة العالية وكسب الإشارة الجيد.

10. حالة تصميم عملية

الحالة: تصميم مستشعر قرب بالأشعة تحت الحمراء

في مستشعر القرب النموذجي، يرسل مصباح LED تحت الأحمر نبضات ضوئية، ويكتشف PD333-3B/L4 الضوء المنعكس من جسم ما. الفلتر المدمج للأشعة تحت الحمراء حاسم هنا، لأنه يحجب الضوء المرئي المحيط (مثل من إضاءة الغرفة) الذي يمكن أن يشبع المستشعر أو يخلق مشغلات خاطئة. يسمح وقت الاستجابة السريع بنبض سريع لـ LED، مما يتيح الكشف السريع ويسمح محتملًا لقياس المسافة عبر طرق وقت الطيران أو تحول الطور في الأنظمة الأكثر تقدمًا. يسمح الغلاف ذو الرؤية الجانبية بتركيب كل من LED والصمام الثنائي الضوئي على نفس مستوى لوحة الدوائر المطبوعة، متجهين في نفس الاتجاه، وهو مثالي للاستشعار العاكس. ستتضمن الدائرة البسيطة تحيز الصمام الثنائي الضوئي بتحيز عكسي 5 فولت عبر مقاوم كبير، واستخدام مقارن عالي السرعة أو مضخم لاكتشاف نبضة التيار الناتجة عند وجود ضوء منعكس.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الضوئي PIN هو جهاز أشباه موصلات به منطقة جوهرية (I) عريضة ومنخفضة التشويش محصورة بين منطقة من النوع p (P) ومنطقة من النوع n (N). عند التحيز العكسي، يخلق هذا الهيكل منطقة استنزاف كبيرة. الفوتونات الساقطة على الجهاز بطاقة أكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات تخلق أزواج إلكترون-فجوة داخل منطقة الاستنزاف هذه. يفصل المجال الكهربائي القوي الموجود بسبب التحيز العكسي هذه الحاملات بسرعة، مما يتسبب في انجرافها إلى جهات الاتصال الخاصة بها، مما يولد تيارًا ضوئيًا يتناسب مع شدة الضوء الساقط. تقلل المنطقة الجوهرية الواسعة من سعة الوصلة (مما يتيح سرعة عالية) وتزيد من حجم امتصاص الفوتون (مما يحسن الحساسية)، خاصة للأطوال الموجية الأطول مثل الأشعة تحت الحمراء حيث يكون عمق الاختراق أكبر.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر اتجاه تكنولوجيا الصمام الثنائي الضوئي نحو تكامل أعلى، وضوضاء أقل، ووظائف أكبر. وهذا يشمل تكامل دوائر التضخيم وتكييف الإشارة على نفس الشريحة أو في نفس الغلاف (مثل مجموعات الصمام الثنائي الضوئي-المضخم). هناك أيضًا دفع نحو أجهزة ذات تيارات مظلمة وسعات أقل للتطبيقات في الأجهزة العلمية والتصوير الطبي وLiDAR. يمتد استخدام مواد تتجاوز السليكون، مثل InGaAs، إلى حساسية أكبر في الأشعة تحت الحمراء للاتصالات واستشعار الغاز. علاوة على ذلك، تهدف ابتكارات التغليف إلى توفير خصائص بصرية أكثر دقة، مثل عدسات مجال الرؤية المحدد (FOV) وتصفية أكثر فعالية مباشرة في الغلاف، كما هو الحال في PD333-3B/L4.