ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي من نوع PIN سليكوني شبه عدسي PD438C/S46 بقطر 4.8 مم - جهد عكسي 32 فولت - حساسية ذروة 940 نانومتر - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد PD438C/S46 صمامًا ثنائيًا ضوئيًا سليكونيًا عالي الأداء من نوع PIN، مُصممًا للتطبيقات التي تتطلب استجابة سريعة وحساسية عالية للضوء تحت الأحمر. وهو مُغلف في غلاف بلاستيكي أسطواني جانبي مدمج بقطر 4.8 مم. الميزة الرئيسية لهذا الجهاز هي أن مادة الإيبوكسي للغلاف نفسها تعمل كمرشح مدمج للأشعة تحت الحمراء، وهو متطابق طيفيًا مع باعثات الأشعة تحت الحمراء الشائعة، مما يعزز أداءه في أنظمة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء من خلال تصفية الضوء المرئي غير المرغوب فيه.

يتميز هذا الصمام الثنائي الضوئي بأوقات استجابة سريعة، وحساسية ضوئية عالية، وسعة تقاطع صغيرة، مما يجعله مناسبًا للكشف الضوئي عالي السرعة. وهو مصنوع باستخدام مواد خالية من الرصاص ويتوافق مع اللوائح البيئية ذات الصلة.

2. الغوص العميق في المعلمات التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تم تصميم الجهاز للعمل بشكل موثوق ضمن الحدود المحددة. قد يؤدي تجاوز هذه القيم إلى تلف دائم.

• الجهد العكسي (V_R):32 فولت - أقصى جهد يمكن تطبيقه في انحياز عكسي عبر أطراف الصمام الثنائي الضوئي.
• تبديد الطاقة (P_d):150 ملي واط - أقصى قدرة يمكن للجهاز تبديدها، بشكل أساسي كحرارة، في ظل الظروف المحددة.
• درجة حرارة التشغيل (T_opr):من -40°C إلى +85°C - نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي يُضمن فيه أن الجهاز يلبي المواصفات المنشورة.
• درجة حرارة التخزين (T_stg):من -40°C إلى +100°C - نطاق درجة الحرارة للتخزين الآمن عندما لا يكون الجهاز قيد التشغيل.
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°C لمدة لا تزيد عن 5 ثوانٍ، وهو ما يتوافق مع عمليات إعادة التدفق النموذجية الخالية من الرصاص (مثل IPC/JEDEC J-STD-020).

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات عند درجة حرارة محيطة (T_a) قدرها 25°C وتحدد الأداء الأساسي للصمام الثنائي الضوئي.

• عرض النطاق الطيفي (λ_0.5):من 840 نانومتر إلى 1100 نانومتر. هذا يحدد نطاق الأطوال الموجية حيث تكون استجابة الصمام الثنائي الضوئي على الأقل نصف قيمتها القصوى. وهو حساس بشكل أساسي في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة.
• طول موجة الحساسية القصوى (λ_p):940 نانومتر (نموذجي). الطول الموجي للضوء الذي يكون فيه الصمام الثنائي الضوئي أكثر حساسية. هذا يتطابق مع الطول الموجي الباعث الشائع للعديد من الثنائيات الباعثة للضوء تحت الأحمر.
• الجهد في حالة الدائرة المفتوحة (V_OC):0.35 فولت (نموذجي) عند إضاءته بإشعاع (E_e) قدره 5 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر. هذا هو الجهد الناتج عن الصمام الثنائي الضوئي بدون حمل خارجي.
• التيار في حالة الدائرة القصيرة (I_SC):18 ميكرو أمبير (نموذجي) عند E_e= 1 ملي واط/سم²، λ_p=940 نانومتر. هذا هو التيار الضوئي عندما يكون المخرج في حالة قصر.
• التيار الضوئي العكسي (I_L):18 ميكرو أمبير (نموذجي، الحد الأدنى 10.2 ميكرو أمبير) عند E_e= 1 ملي واط/سم²، λ_p=940 نانومتر، وجهد انحياز عكسي (V_R) قدره 5 فولت. هذه هي المعلمة التشغيلية الأساسية في وضع التوصيل الضوئي.
• التيار المظلم (I_d):5 نانو أمبير (نموذجي، الحد الأقصى 30 نانو أمبير) عند V_R= 10 فولت في ظلام تام. هذا هو تيار التسرب الصغير الذي يتدفق حتى في حالة عدم وجود ضوء، وهو معلمة رئيسية لنسبة الإشارة إلى الضوضاء.
• جهد الانهيار العكسي (BV_R):الحد الأدنى 32 فولت، نموذجي 170 فولت، مقاسًا عند تيار عكسي قدره 100 ميكرو أمبير. هذا يشير إلى الجهد الذي ينهار عنده التقاطع.
• السعة الكلية (C_t):18 بيكو فاراد (نموذجي) عند V_R= 3 فولت وتردد اختبار 1 ميجاهرتز. السعة الأقل تتيح أوقات استجابة أسرع.
• زمن الصعود/الهبوط (t_r/t_f):50 نانو ثانية / 50 نانو ثانية (نموذجي) مع V_R= 10 فولت ومقاومة حمل (R_L) قدرها 1 كيلو أوم. هذا يحدد سرعة استجابة الصمام الثنائي الضوئي لنبضة ضوئية.

يتم تحديد التفاوتات للمعلمات الرئيسية على النحو التالي: ±10% للشدة الضوئية، ±1 نانومتر للطول الموجي السائد، ±0.1 فولت لجهد الأمام.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح الأداء في ظل ظروف مختلفة. هذه المنحنيات ضرورية لمهندسي التصميم.

3.1 الحساسية الطيفية

منحنى يرسم الحساسية النسبية مقابل الطول الموجي. يؤكد الحساسية القصوى عند حوالي 940 نانومتر ويظهر استجابة طيفية تتناقص نحو حدود نطاق 840-1100 نانومتر. تعمل العدسة الإيبوكسية المدمجة كمرشح، مما يضعف الاستجابة خارج نطاق الأشعة تحت الحمراء المستهدف.

3.2 التيار المظلم مقابل درجة الحرارة المحيطة

يظهر هذا المنحنى عادةً أن التيار المظلم (I_d) يزداد بشكل أسي مع ارتفاع درجة الحرارة. فهم هذه العلاقة أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تعمل على نطاق واسع من درجات الحرارة، لأنه يحدد الحد الأدنى للضوء القابل للكشف (أرضية الضوضاء).

3.3 التيار الضوئي العكسي مقابل الإشعاع (E_e)

يوضح هذا الرسم البياني العلاقة الخطية بين التيار الضوئي الناتج (I_L) وكثافة قدرة الضوء الساقط. يعمل الصمام الثنائي الضوئي في منطقة خطية للغاية في ظل الظروف المحددة، وهو أمر حيوي لتطبيقات قياس الضوء التناظرية.

3.4 السعة الطرفية مقابل الجهد العكسي

تنخفض سعة التقاطع (C_t) مع زيادة جهد الانحياز العكسي. هذه خاصية أساسية لتقاطعات PN. يمكن للمصممين استخدام جهد انحياز أعلى لتقليل السعة وبالتالي تحسين عرض النطاق الترددي وسرعة الاستجابة، مقابل زيادة طفيفة في التيار المظلم.

3.5 زمن الاستجابة مقابل مقاومة الحمل

يظهر هذا المنحنى كيف يتأثر زمن الصعود/الهبوط بقيمة مقاومة الحمل الخارجية (R_L). مقاومة R_Lأصغر تؤدي عمومًا إلى استجابة أسرع ولكنها تنتج تأرجحًا أصغر لجهد الخرج. يساعد هذا الرسم البياني في تحسين المقايضة بين السرعة والسعة في تصميم الدائرة.

3.6 تبديد الطاقة مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح تخفيض أقصى قدرة تبديد مسموح بها مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند درجات حرارة أعلى من 25°C، لا يمكن للجهاز تبديد 150 ملي واط بالكامل، ويجب تقليل القدرة القصوى خطيًا إلى الصفر عند درجة حرارة التقاطع القصوى.

4. المعلومات الميكانيكية والمتعلقة بالغلاف

4.1 أبعاد الغلاف

يتم تغليف PD438C/S46 في غلاف بلاستيكي أسطواني جانبي بقطر اسمي 4.8 مم. يحدد الرسم البياني الأبعاد قطر الجسم، والطول، وتباعد الأطراف، وقطر الأطراف. ملاحظة حرجة تحدد أن جميع التفاوتات الأبعاد هي ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك في الرسم. تكوين الغلاف الجانبي مثالي للتطبيقات حيث يكون مسار الضوء موازيًا لسطح لوحة الدوائر المطبوعة.

4.2 تحديد القطبية

يتم عادةً الإشارة إلى القطبية على الغلاف أو في الرسم. بالنسبة للصمام الثنائي الضوئي، عادةً ما يتم توصيل الكاثود بجهد الإمداد الموجب عند التشغيل في انحياز عكسي (وضع التوصيل الضوئي)، ويتم توصيل الأنود بأرضية الدائرة أو مدخل مضخم التحويل الحالي إلى الجهد. القطبية الصحيحة ضرورية للتشغيل السليم.

5. إرشادات اللحام والتجميع

الجهاز مناسب لعمليات تجميع التركيب السطحي القياسية.

• لحام إعادة التدفق:أقصى درجة حرارة لحام موصى بها هي 260°C. يجب ألا يتجاوز الوقت الذي تتعرض فيه أطراف الجهاز لدرجات حرارة عند أو فوق هذه القمة 5 ثوانٍ. هذا يتوافق مع ملفات إعادة التدفق النموذجية الخالية من الرصاص (مثل IPC/JEDEC J-STD-020).
• اللحام اليدوي:إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب استخدام مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة. يجب تقليل وقت التلامس لكل طرف لمنع نقل الحرارة المفرط إلى رقاقة أشباه الموصلات الحساسة.
• التنظيف:يمكن استخدام عمليات تنظيف لوحات الدوائر المطبوعة القياسية، ولكن يجب التحقق من توافق مواد التنظيف مع مادة الغلاف البلاستيكي.
• ظروف التخزين:يجب تخزين الأجهزة في أكياسها الأصلية الحاجبة للرطوبة عند درجات حرارة بين -40°C و +100°C ورطوبة منخفضة لمنع أكسدة الأطراف وامتصاص الرطوبة بواسطة الغلاف.

6. معلومات التعبئة والطلب

6.1 مواصفات التعبئة

تدفق التعبئة القياسي هو كما يلي: يتم تعبئة 500 قطعة في كيس واحد. ثم توضع خمسة أكياس في صندوق داخلي واحد. أخيرًا، يتم تعبئة عشر صناديق داخلية في صندوق رئيسي (خارجي) واحد. ينتج عن هذا إجمالي 25000 قطعة لكل صندوق رئيسي.

6.2 مواصفات الملصق

تحتوي الملصقات على العبوة على معلومات رئيسية للتتبع والتعريف:

• CPN:رقم منتج العميل (إذا تم تعيينه).
• P/N:رقم منتج الشركة المصنعة (مثل PD438C/S46).
• QTY:كمية الأجهزة في العبوة.
• CAT, HUE, REF:رموز لرتبة الشدة الضوئية، ورتبة الطول الموجي السائد، ورتبة جهد الأمام، على التوالي، مما يشير إلى فرز الأداء.
• LOT No:رقم دفعة التصنيع للتتبع.
• REF:رقم مرجعي لتحديد الملصق.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• كاشف ضوئي عالي السرعة:مثالي لروابط البيانات الضوئية، والمشفرات، وكشف النبضات حيث يكون زمن الاستجابة 50 نانو ثانية ميزة رئيسية.
• تطبيقات الكاميرا:يمكن استخدامه في أنظمة التركيز التلقائي، أو قياس الضوء، أو كمستشعر وجود للأشعة تحت الحمراء.
• مفتاح كهروضوئي:يستخدم في كشف الأجسام، ومستشعرات الفتحات، والمفاتيح الحدية. يساعد مرشح الأشعة تحت الحمراء المدمج في رفض تداخل الضوء المحيط.
• أجهزة تسجيل الفيديو والكاميرات:استخدمت تاريخيًا في مستشعرات عداد الشريط، أو مستقبلات التحكم عن بُعد، أو وظائف الاستشعار الضوئي الداخلية الأخرى.

7.2 اعتبارات التصميم

• جهد الانحياز:يوصى بالعمل في وضع التوصيل الضوئي (مع انحياز عكسي) للتشغيل عالي السرعة والخطي. انحياز من 5 فولت إلى 10 فولت هو نموذجي، موازنة بين السرعة (سعة أقل) والضوضاء (تيار مظلم أقل).
• طوبولوجيا الدائرة:للحصول على أفضل سرعة وخطية، استخدم مضخم التحويل الحالي إلى الجهد (TIA) لتحويل التيار الضوئي إلى جهد. يجب اختيار المقاوم والمكثف في التغذية الراجعة لـ TIA بناءً على عرض النطاق الترددي المطلوب وسعة الصمام الثنائي الضوئي.
• المحاذاة البصرية:يتطلب الغلاف الجانبي تصميمًا ميكانيكيًا دقيقًا لضمان المحاذاة الصحيحة مع مصدر الضوء، والذي غالبًا ما يكون أيضًا ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر جانبي.
• رفض الضوء المحيط:بينما تعمل مادة الإيبوكسي كمرشح للأشعة تحت الحمراء، فقد يكون من الضروري في البيئات ذات مصادر الأشعة تحت الحمراء القوية (مثل ضوء الشمس) استخدام تقنيات ترشيح بصرية إضافية أو تقنيات تشكيل/فك تشكيل.

8. المقارنة والتمييز التقني

يقدم PD438C/S46 عدة مزايا مميزة في فئته:

• مرشح الأشعة تحت الحمراء المدمج:على عكس العديد من الثنائيات الضوئية الأساسية التي تتطلب مرشحًا منفصلاً، تم تصميم مادة الإيبوكسي للغلاف لتصفية الضوء، مما يبسط التجميع ويقلل عدد المكونات.
• الغلاف الجانبي:الغلاف الأسطواني الجانبي بقطر 4.8 مم هو شكل محدد مُحسّن للتطبيقات حيث يكون مسار الضوء موازيًا للوحة الدوائر المطبوعة، مما يوفر مجال رؤية مدمجًا وموجهًا.
• أداء متوازن:يوفر توازنًا جيدًا بين السرعة (50 نانو ثانية)، والحساسية (18 ميكرو أمبير عند 1 ملي واط/سم²)، والتيار المظلم (5 نانو أمبير)، مما يجعله خيارًا متعدد الاستخدامات للكشف العام عن الأشعة تحت الحمراء.
• تصنيفات قوية:مع تصنيف جهد عكسي 32 فولت ونطاق تشغيل واسع لدرجة الحرارة (من -40°C إلى +85°C)، فهو مناسب للبيئات الصناعية والسيارات (للتطبيقات غير الحرجة للسلامة وفقًا لتحذير المسؤولية).

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س: ما الفرق بين التشغيل في الوضع الكهروضوئي (انحياز صفري) والوضع التوصيلي الضوئي (انحياز عكسي)؟

ج: في الوضع الكهروضوئي (V_R=0 فولت)، يولد الصمام الثنائي الضوئي جهدًا خاصًا به (انظر V_OC). لديه تيار مظلم منخفض جدًا ولكن سعة أعلى واستجابة أبطأ. الوضع التوصيلي الضوئي (تطبيق V_R) يوسع منطقة الاستنزاف، مما يقلل السعة ويسرع الاستجابة (انظر t_r/t_f)، مقابل تيار مظلم صغير وثابت (I_d). للكشف عالي السرعة، يُفضل الوضع التوصيلي الضوئي.

س: كيف أفسر معلمة "التيار الضوئي العكسي (I_L)"؟

ج: هذه هي المعلمة الأكثر فائدة لتصميم الدائرة. تخبرك أنه في ظل حالة إضاءة محددة (1 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر) ومع انحياز عكسي 5 فولت، يمكنك توقع تيار ضوئي نموذجي قدره 18 ميكرو أمبير. يجب تصميم دائرة المضخم الخاص بك للتعامل مع نطاق التيار هذا. القيمة الدنيا البالغة 10.2 ميكرو أمبير مهمة لتصميم أسوأ الحالات.

س: لماذا يعتبر التيار المظلم مهمًا؟

ج: التيار المظلم هو المصدر الأساسي للضوضاء في الصمام الثنائي الضوئي عندما لا يكون هناك ضوء. وهو يحدد الحد الأدنى للضوء القابل للكشف. التيار المظلم الأقل (5 نانو أمبير نموذجي لهذا الجهاز) يعني أن المستشعر يمكنه اكتشاف إشارات ضوئية أضعف. لاحظ أن التيار المظلم يتضاعف تقريبًا كل زيادة 10°C في درجة الحرارة.

س: هل يمكنني استخدام هذا مع مصادر ضوء غير 940 نانومتر؟

ج: نعم، ولكن بحساسية مخفضة. راجع منحنى الحساسية الطيفية. سوف يستجيب الصمام الثنائي الضوئي للضوء من حوالي 840 نانومتر إلى 1100 نانومتر، ولكن تيار الخرج لنفس القدرة الضوئية سيكون أقل إذا كان الطول الموجي ليس بالقرب من ذروة 940 نانومتر.

10. حالة عملية للتصميم والاستخدام

الحالة: تصميم مستشعر قرب بالأشعة تحت الحمراء لحنفية أوتوماتيكية.

1. مخطط النظام:يتم وضع ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (يبعث عند 940 نانومتر) والصمام الثنائي الضوئي PD438C/S46 جنبًا إلى جنب خلف نافذة شبه شفافة. يتم تشغيل الثنائي الباعث للضوء بنبضات. عندما لا يكون هناك جسم، يتبدد معظم ضوء الأشعة تحت الحمراء. عندما توضع يد بالقرب من الحنفية، يدخل ضوء الأشعة تحت الحمراء المنعكس إلى الصمام الثنائي الضوئي.
2. مبررات اختيار المكونات:تم اختيار PD438C/S46 لأن حساسيته القصوى عند 940 نانومتر تتطابق مع الثنائي الباعث للضوء. يساعد مرشح الأشعة تحت الحمراء المدمج في غلافه في رفض الضوء المرئي المحيط من المصابيح العلوية، مما يقلل من التشغيل الخاطئ. يسمح الغلاف الجانبي بتركيب كل من الباعث والمستشعر بشكل مسطح على لوحة الدوائر المطبوعة، متجهين للخارج.
3. تصميم الدائرة:يتم تحيز الصمام الثنائي الضوئي عكسيًا بجهد 5 فولت. يتم توصيل مخرجه بمضخم تحويل تيار إلى جهد. يتم ضبط كسب المضخم (مقاوم التغذية الراجعة) بحيث تنتج الإشارة المنعكسة المتوقعة (جزء من 18 ميكرو أمبير/ملي واط/سم²) جهدًا قابلًا للاستخدام. يقوم مقارن بعد المضخم بالكشف عندما يتجاوز هذا الجهد عتبة محددة.
4. التحسين:يتم اختيار تردد ومدة نبضة الثنائي الباعث للضوء لتكون خارج تردد وميض الضوء المحيط (مثل 100 هرتز من إضاءة التيار المتردد). يبحث النظام فقط عن الإشارة المتزامنة مع نبضة الثنائي الباعث للضوء، مما يوفر مناعة ممتازة ضد الضوضاء.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الضوئي PIN هو جهاز أشباه موصلات به منطقة جوهرية (I) عريضة ومشوبة بشكل خفيف محصورة بين منطقة من النوع P ومنطقة من النوع N. عندما تصطدم فوتونات ذات طاقة أكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات (للسليكون، أطوال موجية أقصر من ~1100 نانومتر) بالجهاز، يمكنها إنشاء أزواج إلكترون-فجوة في المنطقة الجوهرية. تحت تأثير المجال الكهربائي المدمج (في الوضع الكهروضوئي) أو مجال انحياز عكسي مطبق (في الوضع التوصيلي الضوئي)، يتم فصل حاملات الشحن هذه، مما يولد تيارًا ضوئيًا يتناسب مع شدة الضوء الساقط. تقلل المنطقة الجوهرية العريضة في هيكل PIN من سعة التقاطع (مما يتيح استجابة أسرع) وتزيد من حجم امتصاص الفوتون (مما يحسن الحساسية)، مقارنةً بالصمام الثنائي الضوئي PN القياسي.

12. الاتجاهات والسياق التكنولوجي

تعد الثنائيات الضوئية السليكونية من نوع PIN مثل PD438C/S46 حلولًا ناضجة وموثوقة وفعالة من حيث التكلفة للكشف عن الأشعة تحت الحمراء القريبة. تشمل الاتجاهات الحالية في هذا المجال:

• التكامل:التحول نحو الحلول المتكاملة التي تجمع بين الصمام الثنائي الضوئي، والمضخم، وأحيانًا حتى مشغل الثنائي الباعث للضوء والمنطق الرقمي في غلاف واحد أو شريحة واحدة (مثل الدوائر المتكاملة الخاصة بالبصريات).
• التصغير:تطوير ثنائيات ضوئية في أغلفة تركيب سطحية أصغر (مثل أغلفة بحجم الشريحة) للتطبيقات المحدودة المساحة مثل الأجهزة المحمولة.
• مواد متخصصة:للأطوال الموجية التي تتجاوز حد القطع للسليكون (~1100 نانومتر)، تُستخدم مواد مثل InGaAs. ومع ذلك، يظل السليكون مهيمنًا على الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة بسبب انخفاض تكلفته وقابلية تصنيعه الممتازة.
• تحسين الأداء:يركز البحث المستمر على تقليل السعة والتيار المظلم بشكل أكبر لتحسين السرعة والحساسية، غالبًا من خلال ملفات التشويب المتقدمة وهياكل الأجهزة.

يمثل PD438C/S46 مكونًا محسّنًا جيدًا ومخصصًا للتطبيق ضمن هذا المشهد التكنولوجي الأوسع، حيث يوفر توازنًا عمليًا بين الأداء، والحجم، والتكلفة لمجموعة واسعة من مهام الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء الصناعية والاستهلاكية.