ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي من السيليكون PD438B/S46 - شبه عدسة 4.8 مم - غلاف أسود - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد PD438B/S46 صمامًا ثنائيًا ضوئيًا عالي الأداء من السيليكون، مُصممًا للتطبيقات التي تتطلب استجابة سريعة وحساسية عالية. وهو مُغلف في علبة بلاستيكية أسطوانية جانبية مدمجة بشبه عدسة قطرها 4.8 مم. تتمثل إحدى الميزات الرئيسية لهذا الجهاز في غلافه من الإيبوكسي، الذي تمت صياغته ليعمل كمرشح مُدمج للأشعة تحت الحمراء (IR). يتطابق هذا المرشح طيفيًا مع باعثات الأشعة تحت الحمراء الشائعة، مما يعزز أداءه في تطبيقات استشعار الأشعة تحت الحمراء عن طريق تقليل الحساسية للضوء المرئي غير المرغوب فيه.

تشمل المزايا الأساسية لهذا الصمام الثنائي الضوئي أوقات استجابته السريعة، والتي تُعد حاسمة لتطبيقات نقل البيانات عالية السرعة والتبديل، وحساسيته الضوئية العالية، مما يسمح له بالكشف عن مستويات الإضاءة المنخفضة بفعالية. تساهم سعته الوصلة الصغيرة في الاستجابة السريعة وتجعله مناسبًا للدوائر عالية التردد. تم تصنيع الجهاز باستخدام مواد خالية من الرصاص ويتوافق مع اللوائح البيئية ذات الصلة مثل RoHS و EU REACH، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في المنتجات ذات متطلبات الامتثال البيئي الصارمة.

تُعد الأسواق والتطبيقات الرئيسية المستهدفة لـ PD438B/S46 في الإلكترونيات الاستهلاكية والأتمتة الصناعية وأنظمة الاتصالات. تجعل مواصفاته مكونًا مثاليًا للمصممين العاملين على وصلات البيانات الضوئية عالية السرعة، وأنظمة كشف الحضور، ومعدات قياس الضوء الدقيقة.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

يتم تصنيف الجهاز لتحمل جهد عكسي أقصى (VR) يبلغ 32 فولت. أقصى تبديد للطاقة (Pd) هو 150 ملي واط، وهو ما يحد الحدود الحرارية للتشغيل. يمكن لحام الأطراف عند درجة حرارة تصل إلى 260 درجة مئوية لمدة لا تزيد عن 5 ثوانٍ، وهو ما يتوافق مع عمليات اللحام بإعادة التدفق القياسية. نطاق درجة حرارة التشغيل محدد من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، ويمكن تخزينه في بيئات تتراوح من -40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. تضمن هذه التصنيفات أداءً موثوقًا في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم تعريف الاستجابة الطيفية للصمام الثنائي الضوئي من خلال نطاق عرض النطاق الطيفي (λ0.5)، الذي يمتد من 840 نانومتر إلى 1100 نانومتر. طول موجة الحساسية القصوى (λp) هو عند 940 نانومتر، مما يضعه مباشرة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، والتي تُستخدم عادةً في أجهزة التحكم عن بُعد والمستشعرات الضوئية والاتصالات في الفضاء الحر.

تحت إشعاع قدره 5 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر، يكون جهد الدائرة المفتوحة النموذجي (VOC) هو 0.35 فولت. التيار القصير الدائري (ISC)، المقاس عند 1 ملي واط/سم² و 940 نانومتر، هو عادةً 18 ميكرو أمبير. هذه المعلمة هي مقياس مباشر لقدرة الجهاز على توليد التيار تحت الإضاءة.

التيار الضوئي العكسي (IL) هو التيار الضوئي الناتج عندما يكون الصمام الثنائي متحيزًا عكسيًا. عند VR=5V و Ee=1 ملي واط/سم² (λp=940nm)، تكون القيمة النموذجية 18 ميكرو أمبير، مع قيمة دنيا مضمونة تبلغ 10.2 ميكرو أمبير. التيار المظلم (Id)، وهو تيار التسرب في حالة عدم وجود إضاءة عند VR=10V، هو عادةً 5 نانو أمبير بحد أقصى 30 نانو أمبير. يُعد التيار المظلم المنخفض ضروريًا لتحقيق نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة، خاصة في سيناريوهات الكشف عن الإضاءة المنخفضة.

يتم تحديد جهد الانهيار العكسي (BVR) بحد أدنى 32 فولت عندما يتدفق تيار قدره 100 ميكرو أمبير، مع قيمة نموذجية تصل إلى 170 فولت. السعة الطرفية الإجمالية (Ct) عند VR=5V و 1 ميجاهرتز هي عادةً 18 بيكو فاراد. هذه السعة المنخفضة هي عامل رئيسي يمكّن من أوقات الصعود والهبوط السريعة. أوقات الصعود والهبوط (tr/tf) هي عادةً 50 نانو ثانية عندما يعمل الجهاز عند VR=10V مع مقاومة حمل (RL) تبلغ 1 كيلو أوم.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة تقدم نظرة أعمق على سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

الشكل 1: تبديد الطاقة مقابل درجة الحرارة المحيطةيوضح تخفيض الحد الأقصى المسموح به لتبديد الطاقة مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. هذا الرسم البياني حاسم لتصميم إدارة الحرارة لمنع السخونة الزائدة وضمان الموثوقية على المدى الطويل.

الشكل 2: الحساسية الطيفيةيُظهر الاستجابة النسبية للصمام الثنائي الضوئي عبر الطيف الطيفي من حوالي 600 نانومتر إلى 1200 نانومتر. يبلغ المنحنى ذروته عند 940 نانومتر ويظهر تأثير الترشيح الفعال لغلاف الإيبوكسي، الذي يخفف الاستجابة خارج نطاق الأشعة تحت الحمراء المستهدف.

الشكل 3: التيار المظلم مقابل درجة الحرارة المحيطةيوضح كيف يزداد تيار التسرب (Id) بشكل أسي مع درجة الحرارة. هذه العلاقة حيوية للتطبيقات العاملة في درجات حرارة مرتفعة، لأنها تحدد الحد الأدنى للضوضاء للمستشعر.

الشكل 4: التيار الضوئي العكسي مقابل الإشعاع (Ee)يصور العلاقة الخطية بين التيار الضوئي الناتج وكثافة طاقة الضوء الساقط. هذه الخطية هي خاصية أساسية للصمامات الثنائية الضوئية من نوع PIN وهي ضرورية لتطبيقات قياس الضوء التناظرية.

الشكل 5: السعة الطرفية مقابل الجهد العكسييُظهر أن سعة الوصلة تنخفض مع زيادة جهد الانحياز العكسي. يمكن للمصممين استخدام هذه العلاقة لتحسين سرعة دائرة عن طريق اختيار نقطة انحياز مناسبة.

الشكل 6: وقت الاستجابة مقابل مقاومة الحمليشير إلى كيفية تأثر وقت الصعود/الهبوط لإشارة خرج الصمام الثنائي الضوئي بمقاومة الحمل المتصلة به. يتم تحقيق استجابة أسرع بمقاومات حمل أقل، على الرغم من أن هذا قد يكون على حساب تأرجح جهد الخرج.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد الغلاف

يأتي PD438B/S46 في غلاف أسطواني جانبي. تشمل الأبعاد الرئيسية قطر الجسم وارتفاع شبه العدسة كما هو محدد في رسم الغلاف. جميع التسامحات غير المحددة للأبعاد الخطية هي ±0.25 مم. لون الغلاف أسود، مما يساعد في تقليل تداخل الضوء الشارد. يسمح التكوين الجانبي باستشعار الضوء من اتجاه موازٍ لمستوى لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، وهو مفيد في تطبيقات مثل كشف الورق في الطابعات أو استشعار الحافة.

4.2 تحديد القطبية

The cathode is typically identified by a longer lead, a notch, or a flat spot on the package body. Correct polarity must be observed during assembly, as reverse biasing is the standard operating condition for photodiodes used in photoconductive mode.

5. إرشادات اللحام والتجميع

الجهاز مناسب لعمليات اللحام بالموجة وإعادة التدفق. الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة لحام الأطراف هو 260 درجة مئوية، مع ملاحظة أن وقت اللحام يجب ألا يتجاوز 5 ثوانٍ. يُوصى باتباع إرشادات IPC القياسية للحام المكونات الإلكترونية. يجب تخزين الجهاز في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد من -40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية لمنع امتصاص الرطوبة والتلف الكهروستاتيكي.

6. معلومات التغليف والطلب

مواصفات التعبئة القياسية هي كما يلي: يتم تعبئة 200 إلى 500 قطعة في كيس واحد حاجز للرطوبة. يتم وضع ستة من هذه الأكياس في صندوق داخلي واحد. ثم يتم تعبئة عشرة صناديق داخلية في صندوق شحن رئيسي واحد. يتضمن الملصق على العبوة حقولًا لرقم جزء العميل (CPN)، ورقم جزء الشركة المصنعة (P/N)، وكمية التعبئة (QTY)، ورقم الدفعة (LOT No.). الحقول الأخرى مثل CAT و HUE و REF، الشائعة لمصابيح LED للإشارة إلى الشدة وطول الموجة وفئات الجهد، لا تنطبق على هذا الصمام الثنائي الضوئي لأنه غير مصنف بنفس الطريقة؛ قد تُترك هذه الحقول فارغة أو تُستخدم لمعلومات تتبع أخرى.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• الكشف الضوئي عالي السرعة:مثالي للمشفرات الضوئية، واتصالات البيانات عبر الألياف الضوئية البلاستيكية (POF)، وكشف حزمة الليزر حيث تكون الاستجابة بالنانو ثانية مطلوبة.
• تطبيقات الكاميرا:يمكن استخدامه لاستشعار ضوء المحيط (ALS) أو كشف القرب بالأشعة تحت الحمراء في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والكاميرات الرقمية. يساعد مرشح الأشعة تحت الحمراء المدمج في قياس مستويات الأشعة تحت الحمراء بدقة.
• المفاتيح الكهروضوئية:مناسب لكشف الأشياء، والعد، واستشعار الموضع في آلات البيع، والأتمتة الصناعية، وأنظمة الأمان.
• الإلكترونيات الاستهلاكية:يُستخدم في أجهزة تسجيل الفيديو والكاميرات لكشف نهاية الشريط أو استقبال إشارات التحكم.

7.2 اعتبارات التصميم

عند تصميم دائرة باستخدام PD438B/S46، ضع في اعتبارك ما يلي:

• جهد الانحياز:يتم تطبيق جهد انحياز عكسي (عادةً 5V إلى 10V وفقًا لشروط ورقة البيانات) لتوسيع منطقة الاستنزاف، مما يقلل السعة ويحسن السرعة. تأكد من ألا يتجاوز الجهد الحد الأقصى المسموح به وهو 32 فولت.
• مقاوم الحمل (RL):تؤثر قيمة RL في تكوين مقاومة النقل المباشر على عرض النطاق الترددي وجهد الخرج بشكل مباشر. يعطي RL الأصغر استجابة أسرع ولكن إشارة خرج أقل. الشكل 6 في ورقة البيانات هو مرجع رئيسي.
• التضخيم:التيار الضوئي صغير (ميكرو أمبير). يُستخدم مضخم مقاومة النقل المباشر (TIA) دائمًا تقريبًا لتحويل هذا التيار إلى إشارة جهد قابلة للاستخدام. اختر مضخمًا عملياتيًا بتيار انحياز دخل منخفض وعرض نطاق ترددي كافٍ.
• تقليل الضوضاء:احمِ الصمام الثنائي الضوئي وآثار التوصيل الخاصة به من الضوضاء الكهربائية. استخدم مكثف تجاوز بالقرب من أطراف طاقة الجهاز إذا تم استخدام دائرة انحياز نشطة. يساعد التيار المظلم المنخفض في الحفاظ على نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة.
• الاعتبارات البصرية:تأكد من نظافة العدسة وخلوها من العوائق. قد يتطلب الغلاف الجانبي تصميمًا ميكانيكيًا دقيقًا لمحاذاة مسار الضوء بشكل صحيح.

8. المقارنة والتمييز التقني

مقارنة بالصمامات الثنائية الضوئية القياسية من نوع PN، يقدم هيكل PIN لـ PD438B/S46 مزايا مميزة. تُنشئ المنطقة الجوهرية (I) بين طبقتَي P و N منطقة استنزاف أكبر. يؤدي هذا إلى فائدتين رئيسيتين:1) سعة وصلة أقل:تعمل منطقة الاستنزاف الأكبر مثل عازل أوسع، مما يقلل السعة بشكل كبير (عادةً 18 بيكو فاراد)، وهو العامل الرئيسي الذي يمكّن التشغيل عالي السرعة.2) تحسين الخطية والحساسية:تسمح المنطقة الجوهرية الواسعة بجمع أكثر كفاءة لحاملات الشحنة الضوئية عبر حجم أوسع، مما يؤدي إلى خطية أفضل في التيار الضوئي مقابل الإشعاع وكفاءة كمومية أعلى محتملة عند طول موجته القصوى.

علاوة على ذلك، فإن دمج إيبوكسي لترشيح الأشعة تحت الحمراء مباشرة في الغلاف هو ميزة تمييزية. فهو يلغي الحاجة إلى مرشح خارجي منفصل للأشعة تحت الحمراء، مما يوفر المساحة ويقلل التكلفة ويبسط التجميع. وهذا يجعله مفيدًا بشكل خاص لتصميمات الإلكترونيات الاستهلاكية المدمجة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما الفرق بين التيار القصير الدائري (ISC) والتيار الضوئي العكسي (IL)؟

ج: يتم قياس ISC بصفر فولت عبر الصمام الثنائي (حالة الدائرة القصيرة). يتم قياس IL عندما يكون الصمام الثنائي متحيزًا عكسيًا (على سبيل المثال، عند VR=5V). عمليًا، بالنسبة للصمام الثنائي الضوئي من نوع PIN، تكون هذه القيم متشابهة جدًا لأن التيار الضوئي مستقل إلى حد كبير عن جهد الانحياز العكسي في نطاق التشغيل العادي.

س: لماذا يتم تحديد وقت الصعود/الهبوط بمقاومة حمل 1 كيلو أوم؟

ج: تمثل مقاومة الحمل 1 كيلو أوم حالة حمل شائعة للاختبار والدوائر البسيطة. سيعتمد وقت الاستجابة الفعلي في تطبيقك على مقاومة الحمل المحددة لدائرتك والسعات الطفيلية، كما هو موضح في الشكل 6.

س: هل يمكن استخدام هذا الصمام الثنائي الضوئي للكشف عن الضوء المرئي؟

ج: بينما تكون مادة السيليكون نفسها حساسة للضوء المرئي (كما يظهر في المنحنى الطيفي الممتد إلى حوالي 600 نانومتر)، يعمل غلاف الإيبوكسي الأسود كمرشح قوي. ستكون حساسيته في الطيف المرئي مخففة بشدة مقارنة بذروته عند 940 نانومتر. إنه مصمم في المقام الأول لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء القريبة.

س: كيف أفسر قيم "النموذجي" في جدول الخصائص؟

ج: "النموذجي" تعني القيمة النموذجية، وهي المتوسط المتوقع تحت الظروف المحددة. وهي غير مضمونة. لأغراض التصميم، خاصة للمعايير الحرجة، يجب عليك استخدام القيم "الدنيا" أو "القصوى" لضمان عمل دائرة بشكل صحيح عبر جميع الاختلافات والظروف الإنتاجية.

10. أمثلة عملية للتصميم والاستخدام

المثال 1: مفتاح كشف أشياء بسيط

يمكن بناء مفتاح ضوئي أساسي عن طريق إقران PD438B/S46 مع صمام باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (على سبيل المثال، يشع عند 940 نانومتر). يتم توصيل الصمام الثنائي الضوئي بانحياز عكسي مع مقاومة سحب إلى Vcc (على سبيل المثال، 5V). يتم تغذية العقدة الخارجة بين المقاومة وكاثود الصمام الثنائي الضوئي إلى مقارن أو دخل رقمي لوحدة تحكم دقيقة. عندما يعترض جسم حزمة الأشعة تحت الحمراء بين الصمام الباعث للضوء والصمام الثنائي الضوئي، ينخفض التيار الضوئي، مما يتسبب في ارتفاع الجهد عند العقدة الخارجة، مما يؤدي إلى تشغيل إشارة الكشف. يسمح وقت الاستجابة السريع باكتشاف الأجسام المتحركة بسرعة.

المثال 2: مستشعر ضوء المحيط مع وحدة تحكم دقيقة

لقياس مستوى الضوء التناظري، يمكن توصيل الصمام الثنائي الضوئي بمضخم مقاومة النقل المباشر. ثم يتم تغذية جهد خرج مضخم مقاومة النقل المباشر، الذي يتناسب مع شدة ضوء الأشعة تحت الحمراء الساقط، إلى دخل محول تناظري إلى رقمي (ADC) لوحدة تحكم دقيقة. يمكن لوحدة التحكم الدقيقة استخدام هذه القراءة لضبط سطوع الشاشة تلقائيًا أو لتحديد ما إذا كانت هناك إشارة تحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء موجودة. يساعد مرشح الأشعة تحت الحمراء المدمج في ضمان أن القراءة خاصة بمكون الأشعة تحت الحمراء من ضوء المحيط.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الضوئي من نوع PIN هو جهاز أشباه موصلات يحول الضوء إلى تيار كهربائي. وهو يتكون من طبقة من مادة أشباه الموصلات الجوهرية (غير المطعمة أو المطعمة بشكل خفيف) (منطقة "I") محصورة بين طبقة من النوع P وطبقة من النوع N. عندما تضرب الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات (للسيليكون، الضوء ذو الطول الموجي أقل من حوالي 1100 نانومتر) الجهاز، يمكنها إنشاء أزواج إلكترون-فجوة في المنطقة الجوهرية. عند تطبيق جهد انحياز عكسي، فإنه يُنشئ مجالًا كهربائيًا قويًا عبر المنطقة الجوهرية. يجتاح هذا المجال حاملات الشحنة الضوئية الناتجة بسرعة نحو الأطراف المقابلة - الإلكترونات إلى جانب N والفجوات إلى جانب P - مما يولد تيارًا ضوئيًا قابلًا للقياس في الدائرة الخارجية. عرض المنطقة الجوهرية هو المفتاح: فهو يسمح بتوليد وجمع حاملات الشحنة بكفاءة مع الحفاظ على سعة الجهاز منخفضة.

12. اتجاهات وسياق التكنولوجيا

تمثل الصمامات الثنائية الضوئية من السيليكون من نوع PIN مثل PD438B/S46 تقنية ناضجة وموثوقة للغاية. تركز الاتجاهات الحالية في هذا المجال على عدة مجالات:التصغير:تطوير بصمات غلاف أصغر (على سبيل المثال، أغلفة بحجم الرقاقة) للتطبيقات المقيدة بالمساحة مثل الأجهزة القابلة للارتداء والهواتف المحمولة.التكامل:دمج الصمام الثنائي الضوئي مع دوائر التضخيم والرقمنة ومعالجة الإشارات على رقاقة واحدة لإنشاء مستشعرات ضوئية ذكية.الأداء المحسن:البحث في هياكل مثل الصمامات الثنائية الضوئية الانهيارية (APDs) للتطبيقات التي تتطلب حساسية شديدة، على الرغم من أنها أكثر تعقيدًا وتكلفة.مواد جديدة:استكشاف مواد مثل الجرمانيوم أو مركبات III-V (على سبيل المثال، InGaAs) للكشف في أطوال موجية أطول للأشعة تحت الحمراء، والتي لا يمكن الوصول إليها بالسيليكون القياسي. بالنسبة لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء القريبة السائدة حتى 1100 نانومتر، يظل السيليكون المادة المهيمنة والفعالة من حيث التكلفة بسبب قابلية تصنيعه الممتازة وأدائه.