ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي من السيليكون المسطح PD70-01B/TR10 - أبعاد 2.0x1.25x0.7 مم - جهد عكسي 32 فولت - ذروة الحساسية عند 940 نانومتر - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد PD70-01B/TR10 صمامًا ثنائيًا ضوئيًا مسطحًا من السيليكون، مُصممًا لاكتشاف الضوء بحساسية عالية عبر نطاق طيفي واسع. تنبع ميزاته الأساسية من هيكل PIN، الذي يتضمن منطقة جوهرية (I) بين طبقات أشباه الموصلات من النوع P والنوع N. تعمل هذه المنطقة الجوهرية على توسيع طبقة الاستنفاد، مما يؤدي إلى عدة فوائد أداء رئيسية حاسمة للتطبيقات الكهروضوئية.

المزايا الأساسية والسوق المستهدف:يقدم الجهاز حساسية عالية وأوقات تبديل سريعة بسبب انخفاض سعة الوصلة وجمع حاملات الشحنة بكفاءة في هيكل PIN. يضمن التيار المظلم المنخفض نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة. جنبًا إلى جنب مع حجمه الصغير ومرشح ضوء النهار المدمج (العدسة السوداء)، فهو مناسب تمامًا لتطبيقات متنوعة تشمل أجهزة التحكم عن بعد للإلكترونيات الاستهلاكية (التلفزيون، الأجهزة المنزلية)، أنظمة نقل الصوت بالأشعة تحت الحمراء، آلات النسخ، مستشعرات المصاعد، ومختلف أنظمة القياس والتحكم الصناعية التي تتطلب استشعارًا ضوئيًا موثوقًا.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم. لا يُنصح بتشغيل الجهاز باستمرار عند هذه الحدود.

• الجهد العكسي (V_R):32 فولت. هذا هو أقصى جهد يمكن تطبيقه في انحياز عكسي عبر أطراف الصمام الثنائي الضوئي.
• تبديد الطاقة (P_d):150 ملي واط عند 25°م. هذا يحد من إجمالي الطاقة الكهربائية التي يمكن للجهاز تحملها، ويُحدد بشكل أساسي بواسطة تيار التسرب العكسي وأي تيار ضوئي تحت إضاءة عالية.
• نطاقات درجة الحرارة:التشغيل: من -25°م إلى +85°م؛ التخزين: من -40°م إلى +85°م. تم تصميم الجهاز لنطاق درجة حرارة صناعي واسع.
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°م كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ. هذا أمر بالغ الأهمية لعمليات إعادة التدفق للّحام الخالي من الرصاص.

2.2 الخصائص الكهروضوئية (درجة حرارة المحيط = 25°م)

تحدد هذه المعلمات أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل النموذجية.

• عرض النطاق الطيفي (λ_0.5):من 730 نانومتر إلى 1100 نانومتر. هذا يُعرّف نطاق الأطوال الموجية حيث تكون استجابة الصمام الثنائي الضوئي على الأقل نصف قيمتها القصوى. وهو حساس من الأحمر المرئي إلى طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR).
• طول موجة ذروة الحساسية (λ_P):940 نانومتر (نموذجي). تم تحسين الجهاز لأقصى استجابة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة الشائعة، بما يتماشى مع انبعاث العديد من الثنائيات الباعثة للضوء بالأشعة تحت الحمراء.
• تيار الدائرة القصيرة (I_SC):35 ميكرو أمبير (نموذجي) تحت إشعاع 1 ملي واط/سم² عند 875 نانومتر. يتم قياس هذه المعلمة بجهد انحياز صفري (وضع الخلايا الكهروضوئية).
• التيار الضوئي العكسي (I_L):25 ميكرو أمبير (نموذجي) عند V_R=5 فولت تحت نفس ظروف 1 ملي واط/سم²، 875 نانومتر. يعمل التشغيل في انحياز عكسي (وضع التوصيل الضوئي) عمومًا على إنتاج استجابة أعلى وأسرع مقارنة بوضع الخلايا الكهروضوئية.
• التيار المظلم العكسي (I_D):5 نانو أمبير (نموذجي)، 30 نانو أمبير (أقصى) عند V_R=10 فولت. هذا هو تيار التسرب في الظلام التام. التيار المظلم المنخفض ضروري لاكتشاف إشارات الضوء الضعيفة.
• جهد الانهيار العكسي (V_BR):170 فولت (نموذجي)، بحد أدنى 32 فولت. هذا هو الجهد الذي يزداد عنده التيار العكسي بشكل حاد. يجب أن يكون جهد التشغيل العكسي العادي أقل بكثير من هذه القيمة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات منحنيات الخصائص النموذجية التي تعتبر حاسمة للتصميم.

• منحنى الحساسية الطيفية:يُظهر هذا الرسم البياني الاستجابة النسبية مقابل الطول الموجي. يؤكد الذروة عند حوالي 940 نانومتر وعرض النطاق المحدد من 730 نانومتر إلى 1100 نانومتر. تعمل العدسة السوداء المدمجة كمرشح للضوء المرئي، مما يخفف الحساسية في النطاق المرئي لتقليل الضوضاء من الضوء المحيط (ضوء النهار).
• التيار الضوئي العكسي مقابل الإشعاع (Ee):يوضح هذا المنحنى العلاقة الخطية بين التيار الضوئي المُولد (I_L) وكثافة طاقة الضوء الساقط. الخطية هي ميزة رئيسية للثنائيات الضوئية من نوع PIN، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات قياس الضوء.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد العبوة

يأتي PD70-01B/TR10 في عبوة سطحية صغيرة جدًا. تشمل الأبعاد الرئيسية (بالمليمتر) حجم الجسم حوالي 2.0 × 1.25، بارتفاع 0.7 ملم. عادةً ما يتم تحديد الكاثود بزاوية مميزة أو شق على العبوة. يتم توفير رسومات أبعاد مفصلة بتحملات ±0.1 ملم لتصميم بصمة اللوحة المطبوعة.

4.2 تحديد القطبية

تعد علامة القطبية الواضحة ضرورية للتثبيت الصحيح. يوضح مخطط عبوة ورقة البيانات أطراف الأنود والكاثود. سيؤدي الاتصال الخاطئ للقطبية عند تطبيق انحياز عكسي إلى انحياز أمامي للثنائي، مما قد يتسبب في تدفق تيار عالٍ وتلف.

5. إرشادات اللحام والتجميع

التعامل السليم أمر بالغ الأهمية للموثوقية.

5.1 التخزين والحساسية للرطوبة

الجهاز حساس للرطوبة. تشمل الاحتياطات: التخزين في الكيس الأصلي المغلق عند ≤30°م / 90% رطوبة نسبية؛ الاستخدام خلال سنة واحدة من الشحن؛ بعد الفتح، التخزين عند ≤30°م / 70% رطوبة نسبية والاستخدام خلال 168 ساعة (7 أيام). إذا تم تجاوز ذلك، يلزم معالجة بالخبز عند 60±5°م لمدة 24 ساعة قبل اللحام.

5.2 ظروف اللحام

• لحام إعادة التدفق:يوصى بملف درجة حرارة لحام خالٍ من الرصاص، بدرجة حرارة ذروية 260°م لمدة تصل إلى 5 ثوانٍ. لا ينبغي إجراء إعادة التدفق أكثر من مرتين.
• اللحام اليدوي:إذا لزم الأمر، استخدم مكواة لحام بدرجة حرارة <350°م وقوة <25 واط. يجب أن يكون وقت التلامس لكل طرف <3 ثوانٍ، مع فترات >2 ثانية بين الأطراف لتجنب الإجهاد الحراري.
• الإصلاح:غير موصى به بعد اللحام. إذا كان لا مفر منه، يجب استخدام مكواة لحام برأس مزدوج لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد أثناء الإزالة لمنع الإجهاد الميكانيكي على رقاقة أشباه الموصلات.

6. معلومات التغليف والطلب

التغليف القياسي هو بكرة تحتوي على 1000 قطعة (1000 قطعة/بكرة). يتم تحديد أبعاد البكرة للتعامل مع معدات الاختيار والوضع الآلية. يتضمن الملصق على البكرة معلومات حرجة مثل رقم الجزء (P/N)، رقم الدفعة (LOT No)، الكمية (QTY)، ورموز التتبع الأخرى.

7. ملاحظات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 دوائر التطبيق النموذجية

يمكن استخدام الصمام الثنائي الضوئي في وضعين أساسيين:

1. وضع الخلايا الكهروضوئية (انحياز صفري):يولد الصمام الثنائي الضوئي جهدًا/تيارًا عند إضاءته، دون تطبيق انحياز خارجي. يوفر هذا الوضع تيارًا مظلمًا وضوضاء منخفضين جدًا ولكنه يتمتع بسرعة استجابة أبطأ وخطية أقل.
2. وضع التوصيل الضوئي (انحياز عكسي):يتم تطبيق جهد عكسي خارجي (مثل 5 فولت كما في حالة اختبار I_L). يوسع هذا الوضع منطقة الاستنفاد أكثر، مما يقلل سعة الوصلة وينتج عنهأوقات تبديل أسرع بكثيروخطية أعلى عبر نطاق أوسع من شدة الضوء. هذا هو الوضع المفضل للكشف عالي السرعة مثل مستقبلات التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء.

7.2 احتياطات التصميم الحرجة

• الحد من التيار/الحماية:عند التشغيل في دائرة، يجب استخدام مقاومة على التوالي للحد من التيار. كما هو مذكور في الاحتياطات، "سيؤدي التحول الطفيف في الجهد إلى تغيير كبير في التيار (سيحدث احتراق)." هذا لأن الصمام الثنائي الضوئي تحت انحياز عكسي، إذا تعرض لشدة ضوء عالية جدًا أو إذا تم انحيازه أماميًا عن طريق الخطأ، يمكنه توصيل تيار مفرط.
• تخطيط لوحة الدائرة:قلل السعة والحث الطفيلي في المسارات التي تربط الصمام الثنائي الضوئي بالمضخم أو المقارن. هذا أمر حيوي للحفاظ على الأداء عالي السرعة.
• رفض الضوء المحيط:تساعد العدسة السوداء المدمجة، ولكن للحصول على أفضل أداء في الضوء المحيط، قد يكون الترشيح البصري (مرشح إضافي يمرر الأشعة تحت الحمراء) والترشيح الكهربائي (الكشف المتزامن) ضروريين.

8. المقارنة التقنية والتمييز

يتميز PD70-01B/TR10 من خلال مجموعة ميزاته في عبوة SMD مضغوطة:

• مقارنة بالثنائيات الضوئية القياسية:يوفر هيكل PIN سعة أقل واستجابة أسرع من الثنائيات الضوئية القياسية من نوع PN.
• مقارنة بالثنائيات PIN الأكبر حجمًا:تسمم بصمته الصغيرة البالغة 2.0x1.25 ملم بتصاميم لوحات مطبوعة عالية الكثافة حيث تكون المساحة محدودة.
• المرشح المدمج:يُبسط تضمين مرشح ضوء النهار (الإيبوكسي الأسود) التصميم عن طريق تقليل الحاجة إلى مرشح خارجي لحجب ضوضاء الضوء المرئي.
• تقييمات قوية:يوفر نطاق درجة حرارة تشغيل واسع (-25°م إلى +85°م) وجهد انهيار نموذجي عالٍ (170 فولت) هامش تصميم وموثوقية.

9. الأسئلة الشائعة

س: ما هو الغرض من "مرشح ضوء النهار"؟

ج: تخفف مادة العدسة السوداء الضوء في الطيف المرئي (حوالي 400-700 نانومتر) بينما تسمح بمرور ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة (700-1100 نانومتر). هذا يقلل التداخل من الإضاءة المحيطة الداخلية (الفلورية، LED، المتوهجة) التي تحتوي على ضوء مرئي، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء للأنظمة القائمة على الأشعة تحت الحمراء.

س: هل يجب أن أستخدمه في وضع الخلايا الكهروضوئية أم وضع التوصيل الضوئي لمستقبل تحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء؟

ج: لتطبيقات التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء التي تتطلب كشف نبضات سريع (حامل نموذجي 38-56 كيلوهرتز)، فإنوضع التوصيل الضوئي (انحياز عكسي)إلزامي. تتيح السعة المخفضة في هذا الوضع للجهاز الاستجابة للتعديل عالي التردد.

س: كيف أحسب قيمة المقاومة التسلسلية المطلوبة؟

ج: تحد المقاومة أقصى تيار. إذا قمت بتطبيق انحياز عكسي V_R، وكان أقصى تيار ضوئي متوقع هو I_max، يمكن وضع مقاومة تسلسلية بسيطة R. يجب ألا يقلل انخفاض الجهد عبره بشكل كبير من الانحياز على الثنائي. على سبيل المثال، مع V_R= 5 فولت و I_max~ 50 ميكرو أمبير، فإن مقاومة 10 كيلو أوم ستخفض فقط 0.5 فولت، تاركة 4.5 فولت عبر الثنائي. تساعد المقاومة أيضًا في الحماية ضد الانحياز الأمامي العرضي.

10. مبدأ التشغيل

يعمل الصمام الثنائي الضوئي PIN على مبدأ التأثير الكهروضوئي الداخلي. يتم امتصاص الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات في المنطقة الجوهرية، مما يخلق أزواج إلكترون-فجوة. يفصل المجال الكهربائي القوي الموجود في منطقة الاستنفاد ذات الانحياز العكسي (التي يتم توسيعها بواسطة الطبقة الجوهرية) هذه الحاملات بسرعة، مما يتسبب في انجرافها إلى الأطراف المقابلة. تشكل حركة الشحنة هذه تيارًا ضوئيًا يتناسب مع شدة الضوء الساقط. المنطقة الجوهرية الواسعة هي المفتاح: فهي تزيد من حجم امتصاص الفوتون (تحسين الحساسية) وتقلل من سعة الوصلة (تمكين سرعة أسرع).

11. اتجاهات الصناعة

يستمر الطلب على كواشف الضوء المضغوطة وعالية السرعة والحساسة في النمو. تشمل الاتجاهات المؤثرة على أجهزة مثل PD70-01B/TR10:

• التصغير:يدفع السعي نحو إلكترونيات استهلاكية وأجهزة إنترنت الأشياء أصغر حجمًا الحاجة إلى مستشعرات ضوئية أصغر حجمًا مع الحفاظ على الأداء أو تحسينه.
• زيادة التكامل:بينما تظل الثنائيات الضوئية المنفصلة ضرورية، هناك اتجاه نحو دمج الصمام الثنائي الضوئي مع مضخم مقاومة النقل (TIA) ودوائر تكييف الإشارة الأخرى في عبوة واحدة، مما يبسط التصميم.
• توسيع تطبيقات الأشعة تحت الحمراء القريبة:بعد أجهزة التحكم عن بعد التقليدية، يتوسع استشعار الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى مجالات مثل استشعار القرب، والتعرف على الإيماءات، والتحليل الطيفي، والمراقبة الطبية الحيوية، وكلها تتطلب كواشف ضوئية موثوقة.
• تعزيز معايير الموثوقية:أصبح الامتثال للوائح البيئية (RoHS، REACH، خالي من الهالوجين) ودرجات الموثوقية الصارمة للسيارات/الصناعة معيارًا للمكونات المستخدمة عبر الأسواق المختلفة.