ورقة بيانات فنية لثنائي ضوئي من نوع PIN من السيليكون صغير الحجم بقطر 1.8 مم طراز PD42-21B/TR8 - بقطر 1.8 مم - عدسة سوداء - وثيقة فنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد PD42-21B/TR8 ثنائيًا ضوئيًا من السيليكون من نوع PIN عالي السرعة والحساسية، مُصممًا لتطبيقات الكشف عن الأشعة تحت الحمراء. يتميز هذا المكون بتغليف صغير الحجم بقطر 1.8 مم من نوع SMD ذو عدسة كروية وغطاء بلاستيكي أسود، وهو مُحسّن طيفيًا لمطابقة الثنائيات الباعثة للضوء تحت الأحمر الشائعة. وظيفته الأساسية هي تحويل الضوء الساقط، خاصة في الطيف تحت الأحمر، إلى تيار كهربائي.

تنبع المزايا الأساسية للجهاز من وقت استجابته السريع، وحساسيته الضوئية العالية، وسعة التقاطع الصغيرة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب كشفًا سريعًا وموثوقًا للضوء. يتم توريده على شكل شريط وبكرة متوافق مع عمليات التجميع الآلي، ويتماشى مع المعايير البيئية الحديثة من خلال كونه خاليًا من الرصاص، ومتوافقًا مع RoHS، ومتوافقًا مع EU REACH، وخاليًا من الهالوجين.

2. الغوص العميق في المعلمات الفنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تُحدد هذه القيم الحدود التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف.

• الجهد العكسي (VR):32 فولت - أقصى جهد يمكن تطبيقه في حالة الانحياز العكسي عبر أطراف الثنائي الضوئي.
• درجة حرارة التشغيل (Topr):من -25°C إلى +85°C - نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الطبيعي للجهاز.
• درجة حرارة التخزين (Tstg):من -40°C إلى +85°C - نطاق درجة الحرارة للتخزين في حالة عدم التشغيل.
• درجة حرارة اللحام (Tsol):260°C كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ - حد درجة الحرارة القصوى أثناء لحام إعادة التدفق.
• تبديد الطاقة (Pd):150 ملي واط عند 25°C - أقصى طاقة يمكن للجهاز تبديدها.

2.2 الخصائص الكهروبصرية

تُحدد هذه المعلمات، المقاسة عند 25°C، أداء الثنائي الضوئي تحت ظروف الاختبار المحددة.

• عرض النطاق الطيفي (λ0.5):من 730 نانومتر إلى 1100 نانومتر - نطاق الطول الموجي حيث تكون استجابة الثنائي الضوئي على الأقل نصف قيمته القصوى. وهذا يُحدد نافذة حساسيته.
• طول موجة الحساسية القصوى (λP):940 نانومتر (نموذجي) - الطول الموجي للضوء الذي يكون فيه الثنائي الضوئي أكثر حساسية. وهذا يجعله متوافقًا مع الثنائيات الباعثة للضوء تحت الأحمر الشائعة عند 940 نانومتر.
• الجهد في حالة الدائرة المفتوحة (VOC):0.42 فولت (نموذجي) عند Ee=5 ملي واط/سم²، λP=940 نانومتر - الجهد المتولد عبر أطراف الثنائي الضوئي تحت الإضاءة عندما لا يتم سحب تيار (دائرة مفتوحة).
• التيار في حالة الدائرة القصيرة (ISC):4.0 ميكرو أمبير (نموذجي) عند Ee=1 ملي واط/سم²، λP=875 نانومتر - التيار المتدفق عبر الثنائي الضوئي عندما تكون أطرافه في حالة قصر تحت الإضاءة.
• التيار الضوئي العكسي (IL):4.0 ميكرو أمبير (نموذجي) عند Ee=1 ملي واط/سم²، λP=875 نانومتر، VR=5 فولت - التيار الضوئي المتولد عندما يكون الجهاز في حالة انحياز عكسي. هذا هو المعامل التشغيلي الأساسي لمعظم دوائر الكشف.
• تيار الظلام (ID):10 نانو أمبير (أقصى) عند VR=10 فولت - تيار التسرب العكسي الصغير الذي يتدفق عندما يكون الجهاز في ظلام تام. تشير القيم الأقل إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل.
• جهد الانهيار العكسي (VBR):32 فولت (الحد الأدنى)، 170 فولت (نموذجي) عند IR=100 ميكرو أمبير - الجهد الذي يزداد عنده التيار العكسي بشكل حاد. يمكن أن يتسبب التشغيل بالقرب من هذا الجهد أو أعلى منه في حدوث تلف.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات منحنيات الخصائص النموذجية التي توفر رؤية بصرية لسلوك الجهاز تتجاوز المواصفات أحادية النقطة.

3.1 الحساسية الطيفية (الشكل 1)

يرسم هذا المنحنى الاستجابة النسبية للثنائي الضوئي مقابل الطول الموجي للضوء الساقط. وهو يؤكد بيانيًا عرض النطاق الطيفي والحساسية القصوى عند 940 نانومتر. يُظهر المنحنى ارتفاعًا حادًا في الحساسية من حوالي 700 نانومتر، ليصل إلى الذروة عند 940 نانومتر، ثم ينخفض تدريجيًا نحو 1100 نانومتر. هذا الشكل مميز لكاشفات الضوء القائمة على السيليكون.

3.2 التيار الضوئي العكسي مقابل الإشعاعية (الشكل 2)

يوضح هذا الرسم البياني العلاقة بين التيار الضوئي المتولد (IL) وكثافة طاقة الضوء الساقط (Ee). بالنسبة لثنائي ضوئي من نوع PIN يعمل في وضع التوصيل الضوئي (انحياز عكسي)، تكون هذه العلاقة خطية عادةً على نطاق واسع. هذه الخطية حاسمة لتطبيقات استشعار الضوء التناظرية حيث يجب أن تكون إشارة الخرج متناسبة طرديًا مع شدة الضوء.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد التغليف

يُعد PD42-21B/TR8 جهازًا صغيرًا الحجم دائريًا بقطر جسم 1.8 مم. يوفر الرسم الميكانيكي التفصيلي جميع الأبعاد الحرجة بما في ذلك الارتفاع الكلي، وشكل العدسة، وتباعد الأطراف، وتوصيات مسارات اللحام. تخطيط مسارات اللحام المقترح هو للاسترشاد؛ يجب على المصممين التعديل بناءً على قواعد تصميم اللوحة المطبوعة المحددة ومتطلبات الحرارة/الميكانيكا. جميع التسامحات الأبعاد هي عادةً ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك.

4.2 تحديد القطبية

يحتوي الجهاز على طرفين. الاتصال الصحيح للقطبية ضروري للتشغيل السليم في دائرة ذات انحياز عكسي. يشير الرسم في ورقة البيانات إلى الكاثود والأنود. عادةً، يشير الطرف الأطول أو علامة محددة على التغليف إلى الكاثود. توصيل الكاثود بجهد أكثر إيجابية (في الانحياز العكسي) هو حالة التشغيل القياسية.

4.3 مواصفات التغليف

يتم توريد المكون على شريط ناقل بارز على بكرات بقطر 7 بوصات. يتم تحديد أبعاد الشريط (حجم الجيب، المسافة بين المراكز، إلخ) لضمان التوافق مع معدات تركيب المكونات السطحية القياسية. تحتوي كل بكرة على 1000 قطعة، وهي كمية شائعة للإنتاج متوسط الحجم.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 ملف تعريف لحام إعادة التدفق

الجهاز مناسب لعمليات لحام إعادة التدفق الخالية من الرصاص. يجب ألا تتجاوز درجة الحرارة القصوى 260°C، ويجب تحديد الوقت فوق 260°C. يجب ألا يتجاوز العدد الإجمالي لدورات إعادة التدفق اثنين لمنع تلف الإجهاد الحراري للتغليف البلاستيكي والرقاقة الداخلية.

5.2 اللحام اليدوي

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب توخي الحذر الشديد. يجب أن تكون درجة حرارة طرف مكواة اللحام أقل من 350°C، ويجب تحديد وقت التلامس لكل طرف بـ 3 ثوانٍ أو أقل. يُوصى باستخدام مكواة منخفضة الطاقة (≤25 واط). يجب السماح بفترة تبريد بين لحام كل طرف لمنع ارتفاع درجة الحرارة الموضعي.

5.3 إعادة العمل والإصلاح

يُحظى بشدة إعادة العمل بعد اللحام الأولي. إذا كان لا مفر منه، فيجب استخدام مكواة لحام مزدوجة الرأس لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد، مما يسمح بالإزالة الآمنة دون تطبيق إجهاد ميكانيكي مفرط. يجب تقييم التأثير المحتمل على أداء الجهاز من إعادة العمل مسبقًا.

6. احتياطات التخزين والتعامل

• حساسية الرطوبة:الجهاز حساس للرطوبة. لا يجب فتح الكيس حتى يكون جاهزًا للاستخدام. يجب أن يكون التخزين المسبق للتهيئة عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية.
• مدة الصلاحية بعد الفتح:بعد فتح كيس الحاجز للرطوبة، يجب استخدام المكونات خلال 168 ساعة (7 أيام) إذا تم تخزينها عند ≤30°C و ≤60% رطوبة نسبية.
• التجفيف:إذا تم تجاوز وقت التخزين أو أشار المجفف إلى رطوبة عالية، فإنه يلزم معالجة تجفيف عند 60±5°C لمدة 24 ساعة لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة \"الفشار\" أثناء إعادة التدفق.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 دوائر التطبيق النموذجية

التطبيق الأساسي هو ككاشف ضوئي عالي السرعة. في دائرة نموذجية، يتم تحيز الثنائي الضوئي عكسيًا بجهد أقل من تصنيفه الأقصى (مثل 5 فولت كما في حالة الاختبار). يتدفق التيار الضوئي (IL) عبر مقاوم حمل (RL). يتم بعد ذلك تضخيم انخفاض الجهد عبر RL، والذي يتناسب مع شدة الضوء، بواسطة مكبر تيار إلى جهد لاحق (TIA) أو مكبر جهد. وقت الاستجابة السريع يجعله مناسبًا لكشف الضوء النبضي واتصالات البيانات.

7.2 اعتبارات التصميم

• جهد الانحياز:يُوصى بجهد انحياز عكسي (مثل 5 فولت) للحصول على أفضل سرعة وخطية. يمكن أن يقلل الجهد العالي من سعة التقاطع أكثر، مما يزيد عرض النطاق الترددي، ولكن يجب أن يظل أقل من V_R.
• تحديد/حماية التيار:كما هو مذكور في الاحتياطات، فإن الثنائي الضوئي نفسه لا يحد من التيار. في الدوائر التي قد يتعرض فيها لضوء عالي الكثافة أو يتم توصيله بشكل غير صحيح، قد يكون من الضروري استخدام مقاوم على التوالي لمنع التيار المفرط الذي قد يتلف التقاطع.
• التصميم البصري:تساعد العدسة السوداء في تقليل حساسية الضوء الشارد. للحصول على أفضل أداء، يجب إقران الثنائي الضوئي بمصدر للأشعة تحت الحمراء (مثل LED عند 850 نانومتر أو 940 نانومتر) وربما مرشح بصري لحجب الضوء المحيط غير المرغوب فيه، خاصة الضوء المرئي الذي يمكنه أيضًا اكتشافه إلى حد ما.

7.3 سيناريوهات التطبيق

• الكشف الضوئي عالي السرعة:مناسب لأنظمة الحواجز الضوئية، عد الأشياء، والمشفرات حيث يجب اكتشاف التحولات السريعة للضوء تشغيل/إيقاف.
• الطابعات والماسحات الضوئية:يمكن استخدامه كمستشعر للكشف عن وجود المستندات، انحشار الورق، أو كجزء من مصفوفة استشعار الصورة في مستشعرات الصورة بالتماس (CIS).
• آلات الألعاب والإلكترونيات الاستهلاكية:يُستخدم في مستقبلات التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء، مستشعرات القرب، وأنظمة التعرف على الإيماءات.
• أنظمة الأشعة تحت الحمراء التطبيقية:أي نظام يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء المُعدّل أو النبضي لنقل البيانات، قياس المسافة (وقت الطيران)، أو الكشف البسيط عن الوجود.

8. المقارنة الفنية والتمييز

مقارنةً بالثنائيات الضوئية القياسية من نوع PN، تقدم بنية PIN مزايا رئيسية: منطقة استنزاف أوسع (الطبقة \"I\" أو الجوهرية) مما يؤدي إلىسعة تقاطع أقل(مما يتيح استجابة أسرع) ويسمح لها بالعمل بكفاءة عند جهود انحياز عكسي أقل. يجعل التغليف الصغير بقطر 1.8 مم منه مثاليًا للتصميمات المحدودة المساحة. توفر العدسة السوداء درجة من قمع الضوء المرئي المدمج مقارنةً بالأنواع ذات العدسات الشفافة، وهو أمر مفيد في التطبيقات المحددة للأشعة تحت الحمراء.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات الفنية)

س: ما الفرق بين تيار الدائرة القصيرة (I_SC) والتيار الضوئي العكسي (I_L)?

ج: يتم قياس I_SCعندما يكون الجهد عبر الثنائي صفرًا (وضع الخلايا الضوئية). يتم قياس I_Lعند تطبيق انحياز عكسي (وضع التوصيل الضوئي). عادةً ما يكون I_Lهو المعامل المستخدم في تصميم الدوائر لأنه أكثر استقرارًا وخطية، كما أن الانحياز العكسي يسرع الاستجابة.

س: لماذا تيار الظلام مهم؟

ج: تيار الظلام هو الحد الأدنى للضوضاء في الثنائي الضوئي. في تطبيقات الإضاءة المنخفضة، يمكن أن يحجب تيار الظلام العالي إشارة التيار الضوئي الصغيرة، مما يقلل الحساسية ونسبة الإشارة إلى الضوضاء. المواصفة القصوى البالغة 10 نانو أمبير منخفضة جدًا بالنسبة لثنائي ضوئي من السيليكون.

س: هل يمكنني استخدام هذا مع مصدر ضوء مرئي؟

ج: نعم، ولكن بكفاءة أقل. يُظهر منحنى الاستجابة الطيفية أنه حساس من ~730 نانومتر، لذا سيكشف عن الضوء الأحمر والقريب من تحت الأحمر جيدًا. للحصول على أفضل أداء مع الضوء المرئي (مثل الأزرق أو الأخضر)، سيكون الثنائي الضوئي ذو الذروة الطيفية المختلفة أكثر ملاءمة.

10. مبادئ التشغيل

الثنائي الضوئي من نوع PIN هو جهاز أشباه موصلات به منطقة من النوع p، ومنطقة جوهرية (غير مشوبة)، ومنطقة من النوع n. عند الانحياز العكسي، تتشكل منطقة استنزاف واسعة بشكل أساسي عبر الطبقة الجوهرية. يتم امتصاص الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات، مما يخلق أزواجًا من الإلكترونات والثقوب. يفصل المجال الكهربائي القوي في منطقة الاستنزاف هذه الأزواج بسرعة، مما يتسبب في انجرافها إلى الأطراف المقابلة، وبالتالي توليد تيار ضوئي يتناسب مع شدة الضوء الساقط. تقلل الطبقة الجوهرية السعة وتسمح بجمع حاملات الشحنة بكفاءة عبر منطقة أوسع، مما يعزز السرعة والكفاءة الكمية.