دیتاشیت فوتودیود 5 میلی‌متری PD333-3B/L2 - قطر 5 میلی‌متر - ولتاژ معکوس 32 ولت - اتلاف توان 150 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD333-3B/L2 یک فوتودیود سیلیکونی PIN با سرعت و حساسیت بالا است که در یک بسته پلاستیکی استاندارد با قطر 5 میلی‌متر قرار دارد. عملکرد اصلی آن تبدیل نور، به ویژه در طیف مادون قرمز، به جریان الکتریکی است. این قطعه دارای یک لنز اپوکسی سیاه است که حساسیت آن به تابش مادون قرمز را افزایش داده و در عین حال مقداری فیلتر کردن نور محیط را فراهم می‌کند. این قطعه برای کاربردهایی طراحی شده است که نیاز به زمان پاسخ سریع و عملکرد قابل اعتماد در شرایط محیطی مختلف دارند.

مزایای اصلی:نقاط قوت کلیدی این فوتودیود شامل زمان پاسخ سریع، حساسیت نوری بالا و ظرفیت خازنی پیوند کوچک است. این ویژگی‌ها آن را برای تشخیص تغییرات سریع در شدت نور مناسب می‌سازد. این قطعه همچنین با مقررات RoHS و EU REACH مطابقت دارد که نشان‌دهنده استفاده از مواد بدون سرب و رعایت استانداردهای ایمنی محیطی است.

بازار هدف:این فوتودیود برای صنعت الکترونیک هدف‌گذاری شده است، به ویژه برای استفاده در سیستم‌های امنیتی، پیوندهای مخابرات نوری پرسرعت، سیستم‌های نورسنجی دوربین و سایر کاربردهای اپتوالکترونیکی که نیاز به تشخیص نور دقیق و سریع دارند.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود.

• ولتاژ معکوس (VR):32 ولت. این حداکثر ولتاژ بایاس معکوسی است که می‌توان به پایانه‌های فوتودیود اعمال کرد.
• دمای عملیاتی (Topr):25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیط برای عملکرد عادی قطعه.
• دمای ذخیره‌سازی (Tstg):40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمایی برای ذخیره‌سازی در حالت غیرفعال.
• دمای لحیم‌کاری (Tsol):260 درجه سانتی‌گراد. حداکثر دمایی که قطعه در طی فرآیند لحیم‌کاری می‌تواند تحمل کند، معمولاً برای مدت کوتاه (مثلاً 10 ثانیه).
• اتلاف توان (Pc):150 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر. حداکثر توانی که قطعه می‌تواند به طور ایمن تلف کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها در دمای Ta=25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شده و عملکرد قطعه را تحت شرایط آزمایش مشخص شده تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ0.5):840 نانومتر تا 1100 نانومتر. این محدوده طول موجی است که پاسخ‌دهی فوتودیود حداقل نصف مقدار اوج آن است. این نشان‌دهنده حساسیت اولیه در ناحیه مادون قرمز نزدیک است.
• طول موج حساسیت اوج (λP):940 نانومتر (معمولی). طول موج نوری که فوتودیود در آن بیشترین حساسیت را دارد.
• ولتاژ مدار باز (VOC):0.39 ولت (معمولی). ولتاژ تولید شده در پایانه‌های فوتودیود تحت تابش (Ee=1mW/cm² در λp=940nm) زمانی که هیچ بار خارجی متصل نیست (مدار باز).
• جریان اتصال کوتاه (ISC):35 میکروآمپر (معمولی). جریانی که در همان شرایط تابش از فوتودیود می‌گذرد وقتی پایانه‌ها به هم اتصال کوتاه شده باشند.
• جریان نور معکوس (IL):35 میکروآمپر (معمولی، حداقل 25 میکروآمپر). جریانی که وقتی فوتودیود تحت بایاس معکوس (VR=5V) قرار دارد و روشن می‌شود، جاری می‌شود. این یک پارامتر کلیدی برای مدارهای تشخیص نور است.
• جریان تاریک معکوس (ID):5 نانوآمپر (معمولی، حداکثر 30 نانوآمپر). جریان نشتی کوچکی که تحت بایاس معکوس (VR=10V) در تاریکی کامل جاری می‌شود. مقادیر پایین‌تر عموماً برای نسبت سیگنال به نویز بهتر هستند.
• ولتاژ شکست معکوس (VBR):حداقل 32 ولت، معمولی 170 ولت. ولتاژ معکوسی که در آن دیود شروع به هدایت شدید می‌کند (شکست). حداقل مقدار با مقدار حداکثر مطلق هم‌خوانی دارد.
• ظرفیت خازنی کل (Ct):18 پیکوفاراد (معمولی). ظرفیت خازنی پیوند در VR=5V و f=1MHz. ظرفیت خازنی پایین‌تر به زمان پاسخ سریع‌تر کمک می‌کند.
• زمان صعود / زمان نزول (tr / tf):45 نانوثانیه (معمولی). زمان لازم برای اینکه سیگنال خروجی در پاسخ به یک تغییر پله‌ای در شدت نور، از 10% به 90% (یا از 90% به 10%) از مقدار نهایی خود صعود (یا نزول) کند، که با VR=10V و RL=100Ω اندازه‌گیری شده است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد پارامترهای کلیدی چگونه با شرایط عملیاتی تغییر می‌کنند. این منحنی‌ها برای طراحی مدار ضروری هستند.

3.1 اتلاف توان در مقابل دمای محیط

این منحنی نشان می‌دهد که حداکثر اتلاف توان مجاز با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. طراحان باید قابلیت تحمل توان را در محیط‌های با دمای بالا کاهش دهند تا از آسیب حرارتی جلوگیری شود.

3.2 حساسیت طیفی

این نمودار پاسخ‌دهی نرمال‌شده فوتودیود را در مقابل طول موج ترسیم می‌کند. این نمودار به صورت بصری حساسیت اوج در 940 نانومتر و پهنای باند طیفی از تقریباً 840 نانومتر تا 1100 نانومتر را تأیید می‌کند و مناسب بودن آن را برای کاربردهای مادون قرمز برجسته می‌سازد.

3.3 جریان تاریک معکوس در مقابل دمای محیط

جریان تاریک به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد. این منحنی برای کاربردهایی که در دمای بالا کار می‌کنند حیاتی است، زیرا افزایش جریان تاریک، سطح نویز کف سیستم تشخیص را بالا می‌برد.

3.4 جریان نور معکوس در مقابل تابندگی (Ee)

این نمودار رابطه خطی بین جریان نوری تولید شده (IL) و چگالی توان نور فرودی (تابندگی) را در یک محدوده مشخص نشان می‌دهد. این نمودار پاسخ نوری خطی قطعه را تأیید می‌کند که برای اندازه‌گیری دقیق نور حیاتی است.

3.5 ظرفیت خازنی پایانه در مقابل ولتاژ معکوس

ظرفیت خازنی پیوند (Ct) با افزایش ولتاژ بایاس معکوس (VR) کاهش می‌یابد. این منحنی به طراحان اجازه می‌دهد تا یک ولتاژ بایاس عملیاتی انتخاب کنند که تعادل بین سرعت پاسخ (ظرفیت خازنی پایین‌تر در VR بالاتر) و مصرف توان/نویز را بهینه می‌کند.

3.6 زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار

این نمودار نشان می‌دهد که زمان صعود/نزول (tr/tf) چگونه با مقاومت بار (RL) در مدار تشخیص تغییر می‌کند. زمان‌های پاسخ سریع‌تر با مقاومت‌های بار کوچک‌تر حاصل می‌شوند، اما این امر همچنین دامنه ولتاژ خروجی را کاهش می‌دهد. این منحنی در انتخاب RL برای پهنای باند مورد نظر کمک می‌کند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته

قطعه در یک بسته پلاستیکی با پایه‌های شعاعی و قطر 5 میلی‌متر قرار دارد. نقشه ابعادی، قطر بدنه، فاصله پایه‌ها، قطر پایه و ابعاد کلی را مشخص می‌کند. یک یادداشت نشان‌دهنده تلرانس استاندارد ±0.25mm است مگر اینکه خلاف آن در نقشه مشخص شده باشد. کاتد معمولاً توسط پایه بلندتر یا یک نقطه صاف روی لبه بسته شناسایی می‌شود.

4.2 شناسایی قطبیت

آند به پایه کوتاه‌تر متصل است، در حالی که کاتد به پایه بلندتر متصل است. بسته ممکن است یک طرف صاف نیز در نزدیکی پایه کاتد داشته باشد. قطبیت صحیح باید در طول مونتاژ مدار رعایت شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مقدار حداکثر مطلق برای دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد است. این با پروفیل‌های استاندارد لحیم‌کاری بازجریانی بدون سرب (مثلاً IPC/JEDEC J-STD-020) سازگار است. قطعه نباید برای مدت طولانی در معرض این دما قرار گیرد؛ مدت زمان معمول دمای اوج بازجریانی 20-40 ثانیه است. لحیم‌کاری دستی با هویه کنترل دمایی نیز قابل قبول است، مشروط بر اینکه حد 260 درجه سانتی‌گراد در پایه تجاوز نشود. ذخیره‌سازی باید در یک محیط خشک و محیطی در محدوده مشخص شده Tstg از 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد باشد تا از جذب رطوبت و سایر تخریب‌ها جلوگیری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

مشخصات بسته‌بندی استاندارد 200-500 قطعه در هر کیسه، 5 کیسه در هر جعبه و 10 جعبه در هر کارتن است. برچسب روی بسته‌بندی شامل فیلدهایی برای شماره محصول مشتری (CPN)، شماره محصول (P/N)، مقدار بسته‌بندی (QTY) و شماره سری ساخت (LOT No) است. فیلدهای دیگر مانند CAT (رتبه شدت نور)، HUE (رتبه طول موج غالب) و REF (رتبه ولتاژ مستقیم) فهرست شده‌اند اما برای LEDها معمولی‌تر هستند؛ برای این فوتودیود، ممکن است به طور فعال برای دسته‌بندی استفاده نشوند. شماره محصول PD333-3B/L2 از قرارداد نام‌گذاری داخلی سازنده پیروی می‌کند.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

• تشخیص نور پرسرعت:استفاده در پیوندهای داده نوری، اسکنرهای بارکد و فاصله‌یاب‌های لیزری که زمان پاسخ 45ns در آن‌ها مزیت دارد.
• سیستم‌های امنیتی:ادغام در سنسورهای حرکتی مادون قرمز غیرفعال (PIR)، سنسورهای شکست پرتو و پرده‌های نوری.
• سیستم‌های دوربین:استفاده برای کنترل نوردهی خودکار، نظارت فلاش و تشخیص فیلتر مادون قرمز.
• سنجش صنعتی:تشخیص شیء، سنجش لبه و اندازه‌گیری کدری در تجهیزات خودکار.

7.2 ملاحظات طراحی

• مدار بایاس:برای سریع‌ترین پاسخ، فوتودیود را در حالت بایاس معکوس (فتوهادی) به کار ببرید. یک تقویت‌کننده ترانسمپدانس (TIA) معمولاً برای تبدیل جریان نوری به سیگنال ولتاژ استفاده می‌شود.
• کاهش نویز:قطعه و مدار را از نویز الکتریکی محافظت کنید. از یک آپ‌امپ کم‌نویز برای TIA استفاده کنید و فیلتر کردن را برای کاهش اثرات جریان تاریک، به ویژه در دمای بالا، در نظر بگیرید.
• ملاحظات نوری:اپوکسی سیاه مادون قرمز را عبور می‌دهد. برای فیلتر کردن طول موج خاص، ممکن است یک فیلتر نوری خارجی اضافی مورد نیاز باشد. اطمینان حاصل کنید که دیافراگم نوری تمیز و به درستی تراز شده است.
• انتخاب مقاومت بار:RL را بر اساس پهنای باند مورد نیاز (نگاه کنید به منحنی زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار) و سطح ولتاژ خروجی مورد نظر (Vout = IL * RL) انتخاب کنید.

8. مقایسه فنی

در مقایسه با فوتودیودها یا فوتوترانزیستورهای استاندارد، PD333-3B/L2 ترکیب متعادلی از سرعت و حساسیت را ارائه می‌دهد. ساختار PIN آن ناحیه تخلیه وسیع‌تری نسبت به یک فوتودیود PN استاندارد فراهم می‌کند که منجر به ظرفیت خازنی پیوند پایین‌تر (معمولاً 18 pF) برای پاسخ سریع‌تر و بازده کوانتومی بالاتر در طیف مادون قرمز می‌شود. بسته 5 میلی‌متری نسبت به فوتودیودهای SMD کوچک‌تر، ناحیه فعال بزرگ‌تری ارائه می‌دهد و نور بیشتری را برای خروجی سیگنال بالاتر جمع‌آوری می‌کند که می‌تواند در سناریوهای تشخیص با نور کم یا برد طولانی‌تر مفید باشد.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت بین جریان اتصال کوتاه (ISC) و جریان نور معکوس (IL) چیست؟

ج: ISC با ولتاژ بایاس صفر (پایه‌های اتصال کوتاه شده) اندازه‌گیری می‌شود، در حالی که IL تحت یک بایاس معکوس اعمال شده (مثلاً 5V) اندازه‌گیری می‌شود. IL برای یک فوتودیود PIN معمولاً بسیار نزدیک به ISC است و پارامتری است که در بیشتر مدارهای تشخیص بایاس شده استفاده می‌شود.

س: آیا می‌توانم از این فوتودیود برای تشخیص نور مرئی استفاده کنم؟

ج: در حالی که این قطعه در طیف قرمز مرئی (نزدیک 700nm) مقداری حساسیت دارد، اوج حساسیت آن در 940nm (مادون قرمز) است. برای عملکرد بهینه با نور مرئی، یک فوتودیود با حساسیت اوج در محدوده مرئی (مثلاً 550-650nm) مناسب‌تر خواهد بود.

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

ج: رایج‌ترین روش استفاده از یک تقویت‌کننده ترانسمپدانس (TIA) است. ولتاژ خروجی Vout = -IL * Rf است، که در آن Rf مقاومت فیدبک TIA است. این پیکربندی همچنین فوتودیود را در شرایط اتصال کوتاه مجازی نگه می‌دارد و اثرات ظرفیت خازنی پیوند را به حداقل می‌رساند.

س: تعیین "بدون سرب" و "مطابق با RoHS" به چه معناست؟

ج: این نشان می‌دهد که محصول بدون استفاده از سرب (Pb) تولید شده و با دستورالعمل محدودیت مواد خطرناک اتحادیه اروپا مطابقت دارد که مواد خطرناک خاصی را در تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی محدود می‌کند.

10. مورد کاربردی عملی

طراحی یک سنسور مجاورت مادون قرمز:PD333-3B/L2 را می‌توان با یک LED مادون قرمز 940nm جفت کرد تا یک سنسور ساده مجاورت یا تشخیص شیء ایجاد کند. LED با فرکانس خاصی پالس می‌دهد. فوتودیود نور مادون قرمز بازتابیده را تشخیص می‌دهد. یک مدار شامل فوتودیود در حالت بایاس معکوس، به دنبال آن یک TIA و یک فیلتر میان‌گذر تنظیم شده بر فرکانس پالس LED، می‌تواند به طور مؤثر سیگنال بازتابیده ضعیف را از نویز نور محیط استخراج کند. زمان پاسخ 45ns امکان مدولاسیون فرکانس بالا را فراهم می‌کند، که مصونیت در برابر نویز را بهبود بخشیده و چرخه‌های تشخیص سریع‌تری را ممکن می‌سازد.

11. اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN یک قطعه نیمه‌هادی با یک ناحیه ذاتی (I) است که بین ناحیه‌های نوع P و نوع N قرار گرفته است. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از شکاف باند نیمه‌هادی به قطعه برخورد می‌کنند، در ناحیه ذاتی جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند. تحت بایاس معکوس، میدان الکتریکی در سراسر ناحیه ذاتی این حامل‌های بار را به سمت پایانه‌های مربوطه می‌راند و یک جریان نوری تولید می‌کند که متناسب با شدت نور فرودی است. ناحیه ذاتی وسیع، ظرفیت خازنی پیوند را کاهش می‌دهد (امکان پاسخ سریع‌تر را فراهم می‌کند) و حجم جذب فوتون را افزایش می‌دهد (حساسیت را بهبود می‌بخشد)، به ویژه برای طول موج‌های بلندتر مانند مادون قرمز.

12. روندهای صنعت

تقاضا برای فوتودیودها همچنان در حوزه‌هایی مانند اتوماسیون صنعتی، لیدار خودرو، الکترونیک مصرفی (مانند سنسورهای مجاورت تلفن هوشمند) و سنجش زیست‌پزشکی در حال رشد است. روندها شامل کوچک‌سازی بیشتر به بسته‌های در مقیاس تراشه (CSP)، ادغام با مدارهای تقویت و پردازش سیگنال روی تراشه و توسعه فوتودیودها برای باندهای طول موج خاص (مانند برای سنجش گاز) می‌شود. همچنین تمرکز بر بهبود معیارهای عملکردی مانند جریان تاریک پایین‌تر، سرعت بالاتر و قابلیت اطمینان بهبودیافته تحت شرایط محیطی سخت وجود دارد. PD333-3B/L2 نماینده یک قطعه بالغ و قابل اعتماد در این چشم‌انداز در حال تحول است که به خوبی برای کاربردهای حساس به هزینه و با حجم بالا که نیاز به تشخیص قوی مادون قرمز دارند، مناسب است.