دیتاشیت فوتودیود PD204-6B - قطر 3 میلی‌متر - ولتاژ معکوس 32 ولت - حساسیت اوج 940 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD204-6B یک فوتودیود سیلیکونی PIN با عملکرد بالا است که برای کاربردهایی طراحی شده که نیازمند پاسخ سریع و حساسیت بالا به نور در طیف مرئی و مادون قرمز نزدیک هستند. این قطعه در یک بسته‌بندی پلاستیکی مشکی استاندارد با قطر 3 میلی‌متر قرار دارد و برای ارائه قابلیت‌های حسگری نوری قابل اطمینان مهندسی شده است. پاسخ طیفی آن به طور خاص برای تکمیل دیودهای ساطع‌کننده نور مرئی و مادون قرمز (IREDs) تطبیق یافته و آن را به یک جزء گیرنده ایده‌آل در سیستم‌های اپتوالکترونیکی تبدیل می‌کند. این قطعه با مواد بدون سرب ساخته شده و با مقررات زیست‌محیطی مرتبط مطابقت دارد که آن را برای تولید الکترونیکی مدرن مناسب می‌سازد.

2. ویژگی‌های کلیدی و مزایای اصلی

PD204-6B از طریق چندین مشخصه عملکردی حیاتی که پاسخگوی کاربردهای حسگری چالش‌برانگیز است، متمایز می‌شود.

• زمان پاسخ سریع:این قطعه زمان صعود/سقوط معمولی 6 نانوثانیه (تحت شرایط تست مشخص شده VR=10V، RL=100Ω) را نشان می‌دهد که به آن امکان تشخیص تغییرات سریع در شدت نور را می‌دهد. این امر برای کاربردهای مرتبط با انتقال داده، تشخیص شیء و اندازه‌گیری‌های حساس به زمان بسیار حیاتی است.
• حساسیت نوری بالا:با جریان اتصال کوتاه معمولی (I_SC) معادل 3.0 μA تحت تابش 1 mW/cm² در طول موج 940nm، این فوتودیود سیگنال الکتریکی قوی از سطوح نور کم فراهم می‌کند که نسبت سیگنال به نویز و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود می‌بخشد.
• ظرفیت خازنی پیوند کوچک:یک ظرفیت خازنی کل پایین معمولی (C_t) معادل 5 pF در VR=5V و فرکانس 1MHz، به زمان پاسخ سریع کمک می‌کند و امکان عملکرد در مدارهای با پهنای باند بالاتر بدون تخریب قابل توجه سیگنال را فراهم می‌آورد.
• ساختار مستحکم:این قطعه دارای یک لنز مشکی است که به حداقل رساندن تداخل نور محیطی ناخواسته کمک می‌کند و در یک قالب بادوام و استاندارد صنعتی 3 میلی‌متری بسته‌بندی شده است.
• مطابقت زیست‌محیطی:این محصول بدون سرب است و برای حفظ مطابقت با مقررات RoHS و EU REACH طراحی شده که استانداردهای جهانی زیست‌محیطی و ایمنی را مورد توجه قرار می‌دهد.

3. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

درک مشخصات الکتریکی و نوری برای طراحی و یکپارچه‌سازی صحیح مدار ضروری است.

3.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد همیشه باید در این مرزها حفظ شود.

• ولتاژ معکوس (V_R):32 ولت. این حداکثر ولتاژی است که می‌توان به صورت بایاس معکوس در سراسر پایانه‌های فوتودیود اعمال کرد.
• اتلاف توان (P_C):150 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25°C یا کمتر. این مقدار با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد، همانطور که در منحنی کاهش رتبه نشان داده شده است.
• دمای عملیاتی (T_opr):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. این قطعه برای عملکرد صحیح در این محدوده وسیع دمای صنعتی مشخص شده است.
• دمای ذخیره‌سازی (T_stg):40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد. این امر پارامترهای فرآیند لحیم‌کاری ریفلو را راهنمایی می‌کند.

3.2 مشخصات الکترواپتیکی (دمای محیط=25°C)

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط عملیاتی عادی تعریف می‌کنند. مقادیر معمولی مرکز توزیع را نشان می‌دهند، در حالی که مقادیر حداقل و حداکثر محدودیت‌های تضمین شده را تعریف می‌کنند.

• پاسخ طیفی:فوتودیود در محدوده تقریبی 840 نانومتر تا 1100 نانومتر (در نقاط پاسخ نسبی 0.5) حساس است، با حساسیت اوج (λ_P) در 940 نانومتر. این امر آن را برای جفت شدن با LEDهای مادون قرمز 940nm کاملاً مناسب می‌سازد.
• تولید جریان نوری:
  • جریان اتصال کوتاه (I_SC):مقدار معمولی 3.0 μA در E_e=1mW/cm²، λ_p=940nm. این جریانی است که با ولتاژ صفر در دو سر دیود تولید می‌شود (حالت فوتوولتائیک).
  • جریان نور معکوس (I_L):حداقل 1.0 μA، مقدار معمولی 3.0 μA در E_e=1mW/cm²، λ_p=940nm، V_R=5V. این جریان زمانی است که دیود تحت بایاس معکوس قرار دارد، که متداول‌ترین حالت عملیاتی برای سرعت و خطی بودن است.
• جریان تاریکی (I_D):حداکثر 10 nA در V_R=10V، E_e=0mW/cm². این جریان نشتی کوچکی است که در صورت عدم وجود نور جریان می‌یابد. یک جریان تاریکی پایین برای تشخیص سیگنال‌های نور ضعیف حیاتی است.
• ولتاژ مدار باز (V_OC):مقدار معمولی 0.42 ولت در E_e=1mW/cm²، λ_p=940nm. این ولتاژ تولید شده در یک مدار باز تحت تابش است.
• ظرفیت خازنی (C_t):مقدار معمولی 5 pF در V_R=5V، فرکانس=1MHz. این ظرفیت خازنی پیوند بر ثابت زمانی RC و در نتیجه پهنای باند مدار حسگری تأثیر می‌گذارد.
• سرعت پاسخ (t_r/t_f):مقدار معمولی 6 ns در V_R=10V، R_L=100Ω. تعریف می‌کند که جریان خروجی چقدر سریع می‌تواند تغییر در نور ورودی را دنبال کند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

داده‌های گرافیکی بینشی در مورد چگونگی تغییر پارامترها با شرایط عملیاتی ارائه می‌دهند.

4.1 اتلاف توان در مقابل دمای محیط

منحنی کاهش رتبه نشان می‌دهد که حداکثر اتلاف توان مجاز به صورت خطی با افزایش دمای محیط بالاتر از 25°C کاهش می‌یابد. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که نقطه کار (ولتاژ معکوس * جریان نوری + جریان تاریکی) از این منحنی تجاوز نکند تا از اضافه بار حرارتی جلوگیری شود.

4.2 حساسیت طیفی

منحنی پاسخ طیفی حساسیت نسبی فوتودیود را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. این منحنی اوج در 940nm و پهنای باند مفید از تقریباً 840nm تا 1100nm را تأیید می‌کند. ماده لنز مشکی این پاسخ را شکل می‌دهد و برخی طول‌موج‌های کوتاه‌تر را فیلتر می‌کند.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

PD204-6B از یک بسته‌بندی استاندارد با پایه‌های شعاعی و قطر 3 میلی‌متر استفاده می‌کند.

5.1 ابعاد بسته‌بندی

نقشه ابعادی اندازه‌گیری‌های حیاتی برای طراحی جای پای PCB و یکپارچه‌سازی مکانیکی را ارائه می‌دهد. ابعاد کلیدی شامل قطر کلی (3mm)، فاصله پایه‌ها، قطر پایه و ارتفاع قطعه می‌شود. تمام تلرانس‌های نامشخص ±0.25mm است. کاتد معمولاً توسط پایه بلندتر یا یک نقطه صاف روی لبه بسته‌بندی شناسایی می‌شود.

5.2 شناسایی قطبیت

قطبیت صحیح ضروری است. این قطعه یک دیود است. آند معمولاً پایه کوتاه‌تر یا پایه مجاور به سمت صاف بسته‌بندی است. اعمال بایاس معکوس (ولتاژ مثبت به کاتد، منفی به آند) شرایط عملیاتی استاندارد برای حالت فوتوهادی است.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

• لحیم‌کاری ریفلو:حداکثر دمای لحیم‌کاری 260°C مشخص شده است. پروفایل‌های ریفلو استاندارد مادون قرمز یا جابجایی برای مونتاژهای بدون سرب قابل اعمال هستند. زمان بالاتر از نقطه ذوب باید مطابق با استانداردهای صنعتی کنترل شود تا از آسیب به بسته‌بندی جلوگیری شود.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت لزوم لحیم‌کاری دستی، از هویه کنترل دمایی استفاده کنید. زمان تماس را به کمتر از 3 ثانیه برای هر پایه در دمایی که از 350°C تجاوز نکند محدود کنید تا از تنش حرارتی روی بسته‌بندی پلاستیکی و تراشه نیمه‌هادی داخلی جلوگیری شود.
• تمیزکاری:از مواد شوینده سازگار با ماده اپوکسی پلاستیکی مشکی استفاده کنید. از تمیزکاری اولتراسونیک خودداری کنید مگر اینکه برای قطعه ایمن تأیید شده باشد.
• شرایط نگهداری:در یک محیط خشک و بی‌اثر در محدوده دمایی مشخص شده 40- تا 100+ درجه سانتی‌گراد نگهداری کنید. برای تضمین مطابقت با مشخصات منتشر شده، ظرف 12 ماه از تاریخ حمل استفاده شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 مشخصات بسته‌بندی

محصول در کیسه‌های ضد استاتیک بسته‌بندی می‌شود. مقدار بسته‌بندی استاندارد 200 تا 1000 قطعه در هر کیسه است. چهار کیسه در یک کارتن داخلی بسته‌بندی می‌شوند و یک کارتن داخلی در یک کارتن خارجی ارسال می‌شود.

7.2 اطلاعات برچسب

برچسب کیسه حاوی اطلاعات ضروری ردیابی و محصول است، از جمله شماره قطعه (P/N)، مقدار (QTY)، شماره دسته (LOT No.) و کد تاریخ. محصول برای پارامترهای خاصی مانند شدت نور یا طول موج دسته‌بندی یا رتبه‌بندی نشده است؛ مطابق جدول مشخصات الکترواپتیکی استاندارد عرضه می‌شود.

8. پیشنهادات کاربردی

8.1 مدارهای کاربردی متداول

PD204-6B معمولاً در دو پیکربندی مدار اولیه استفاده می‌شود:

1. حالت فوتوهادی (بایاس معکوس):این حالت ترجیحی برای عملیات پرسرعت و خطی است. یک ولتاژ بایاس معکوس (مثلاً 5V تا 10V، پایین‌تر از V_R=32V) اعمال می‌شود. جریان نوری (I_L) از طریق یک مقاومت بار (R_L) جریان می‌یابد. افت ولتاژ در دو سر R_Lسیگنال خروجی است. یک R_Lکوچک‌تر پاسخ سریع‌تر اما خروجی ولتاژ پایین‌تری می‌دهد. اغلب از یک تقویت‌کننده ترانس‌امپدانس (TIA) برای تبدیل جریان نوری به ولتاژ با بهره و پهنای باند بالا استفاده می‌شود.
2. حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر):فوتودیود مستقیماً به یک بار با امپدانس بالا (مانند ورودی یک آپ‌آمپ) متصل می‌شود. این قطعه یک ولتاژ (V_OC) متناسب با شدت نور تولید می‌کند. این حالت نویز کمتری ارائه می‌دهد اما پاسخ کندتر و خطی بودن کمتری دارد.

8.2 ملاحظات طراحی

• بایاس:برای بهترین سرعت و خطی بودن، در بایاس معکوس عمل کنید. اطمینان حاصل کنید که ولتاژ بایاس به علاوه هر ولتاژ سیگنالی از حداکثر 32V تجاوز نکند.
• پهنای باند و بار:ظرفیت خازنی کل (فوتودیود + ورودی تقویت‌کننده) و مقاومت بار/ قطب غالب محدودکننده پهنای باند را تشکیل می‌دهند (BW ≈ 1/(2πRC)). بر این اساس R_Lیا مقاومت فیدبک TIA را انتخاب کنید.
• حذف نور محیط:لنز مشکی کمک می‌کند، اما برای محیط‌های با نور محیطی بالا، فیلتر کردن نوری (مثلاً یک فیلتر میان‌گذر 940nm) و مدولاسیون منبع IR با تشخیص همزمان را در نظر بگیرید.
• چیدمان PCB:فوتودیود را نزدیک به ورودی تقویت‌کننده نگه دارید تا ظرفیت خازنی پراکنده و دریافت نویز به حداقل برسد. از یک صفحه زمین برای محافظت استفاده کنید. منبع تغذیه بایاس را با یک خازن نزدیک به قطعه بای‌پس کنید.

9. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتوترانزیستورها، فوتودیود PIN مدل PD204-6B زمان پاسخ بسیار سریع‌تری (نانوثانیه در مقابل میکروثانیه) و خطی بودن بهتری در محدوده وسیعی از شدت نور ارائه می‌دهد. این قطعه بهره داخلی ندارد که منجر به جریان خروجی پایین‌تر اما همچنین وابستگی دمایی کمتر و عملکرد قابل پیش‌بینی‌تر می‌شود. در مقایسه با سایر فوتودیودها، ترکیب بسته‌بندی 3mm، حساسیت اوج 940nm، ولتاژ معکوس 32V و سرعت بالا، آن را به انتخابی همه‌کاره برای حسگری IR عمومی تبدیل می‌کند.

10. پرسش‌های متداول (FAQs)

س: تفاوت بین I_SCو I_L?

چیست؟ ج: I_SC(جریان اتصال کوتاه) با ولتاژ صفر در دو سر دیود اندازه‌گیری می‌شود. I_L(جریان نور معکوس) با اعمال یک ولتاژ بایاس معکوس مشخص اندازه‌گیری می‌شود. I_Lمعمولاً بسیار نزدیک به I_SCاست و پارامتری است که برای طراحی در حالت متداول بایاس معکوس استفاده می‌شود.

س: چگونه جریان نوری را به یک ولتاژ قابل استفاده تبدیل کنم؟

ج: ساده‌ترین روش استفاده از یک مقاومت بار است (V_out= I_L* R_L). برای عملکرد بهتر، از یک تقویت‌کننده ترانس‌امپدانس استفاده کنید که یک زمین مجازی با امپدانس پایین در کاتد فوتودیود فراهم می‌کند، سرعت و خطی بودن را به حداکثر می‌رساند و V_out= -I_L* R_feedback.

را می‌دهد. س: آیا می‌توانم این قطعه را با یک منبع نور مرئی استفاده کنم؟

ج: بله، اما با حساسیت کاهش یافته. منحنی پاسخ طیفی نشان می‌دهد که به طول‌موج‌های مرئی پایین حساس است، اما اوج آن در مادون قرمز است. برای عملکرد بهینه با یک منبع مرئی، یک فوتودیود با اوج در طیف مرئی (مثلاً 550-650nm) مناسب‌تر خواهد بود.

س: هدف از تست ولتاژ شکست معکوس (V_BR) چیست؟

ج: این یک تست کیفیت و استحکام است که ولتاژی را نشان می‌دهد که در آن دیود وارد شکست بهمنی می‌شود. عملیات عادی همیشه باید به میزان قابل توجهی پایین‌تر از این مقدار باشد (معمولاً از V_Rمعادل 5V-10V استفاده می‌شود).

11. مثال‌های کاربردی عملی

مثال 1: سنسور مجاورت شیء در یک درب اتوماتیک.یک LED مادون قرمز (940nm) و PD204-6B در دو طرف یک دهانه در قرار می‌گیرند. هنگامی که پرتو قطع نمی‌شود، یک جریان نوری ثابت تشخیص داده می‌شود. هنگامی که یک شخص پرتو را قطع می‌کند، افت جریان نوری مکانیزم باز شدن در را فعال می‌کند. پاسخ سریع PD204-6B تشخیص فوری را تضمین می‌کند.

مثال 2: تشخیص کاغذ در یک دستگاه کپی.فوتودیود می‌تواند برای تشخیص وجود یا عدم وجود کاغذ با انعکاس یک پرتو IR از سطح کاغذ استفاده شود. حساسیت بالا به آن امکان کار با کاغذهای با بازتاب‌پذیری کم را می‌دهد و بسته‌بندی کوچک در فضاهای تنگ جا می‌شود.

مثال 3: پیوند داده ساده.با مدولاسیون یک LED IR در فرکانسی درون پهنای باند فوتودیود (که با طراحی مدار مناسب می‌تواند چندین مگاهرتز باشد)، PD204-6B می‌تواند برای ارتباط بی‌سیم کوتاه‌برد و با نرخ داده پایین، مانند کنترل از راه دور یا تلهمتری سنسور استفاده شود.

12. اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمه‌هادی با یک ناحیه ذاتی (I) وسیع و کم‌دوپ شده است که بین نواحی نوع P و نوع N قرار گرفته است. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گاف نواری نیمه‌هادی در ناحیه ذاتی جذب می‌شوند، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. تحت تأثیر پتانسیل داخلی ذاتی (در حالت فوتوولتائیک) یا یک میدان الکتریکی بایاس معکوس اعمال شده (در حالت فوتوهادی)، این حامل‌های بار از هم جدا می‌شوند و یک جریان نوری تولید می‌کنند که متناسب با شدت نور فرودی است. ناحیه ذاتی وسیع ظرفیت خازنی پیوند را کاهش می‌دهد (امکان سرعت بالا را فراهم می‌کند) و حجم جذب فوتون را افزایش می‌دهد (حساسیت را بهبود می‌بخشد).

13. روندها و زمینه صنعت

فوتودیودهایی مانند PD204-6B اجزای اساسی در زمینه در حال رشد اپتوالکترونیک و حسگری هستند. روندها شامل افزایش یکپارچه‌سازی با تقویت و تنظیم سیگنال روی تراشه (مثلاً در سنسورهای نوری مجتمع)، تقاضا برای سرعت بالاتر برای پشتیبانی از LiDAR و ارتباطات نوری، و نیاز به اندازه بسته‌بندی کوچک‌تر برای دستگاه‌های الکترونیک مصرفی و IoT می‌شود. همچنین تلاش مداومی برای بهبود عملکرد در محدوده دمایی وسیع‌تر و مصرف توان پایین‌تر وجود دارد. دستگاه‌هایی با جای پای استاندارد و عملکرد مشخص‌شده، مانند این قطعه، برای طیف وسیعی از کاربردهای حسگری صنعتی، تجاری و خودرو که قابلیت اطمینان و مقرون‌به‌صرفه بودن در آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است، ضروری باقی می‌مانند.

سلب مسئولیت: اطلاعات ارائه شده در این سند برای مرجع فنی است. طراحان باید تمام پارامترها را تحت شرایط کاربردی خاص خود تأیید کنند. مقادیر حداکثر مطلق نباید تجاوز شود. سازنده هیچ مسئولیتی برای کاربردهای غیرمطابق با مشخصات ارائه شده نمی‌پذیرد.