دیتاشیت فوتودیود PD333-3B/L1 - قطر 5 میلی‌متر - ولتاژ معکوس 32 ولت - لنز مشکی - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD333-3B/L1 یک فوتودیود سیلیکونی PIN سریع و با حساسیت بالا است که در یک بسته پلاستیکی استاندارد با قطر 5 میلی‌متر کپسوله شده است. عملکرد اصلی آن تبدیل نور تابیده، به ویژه در طیف مادون قرمز، به جریان الکتریکی است. این قطعه دارای یک لنز اپوکسی مشکی است که حساسیت آن به تابش مادون قرمز را افزایش داده و پاسخ به نور مرئی را به حداقل می‌رساند. این ویژگی آن را به ویژه برای کاربردهایی که نیاز به تشخیص در محدوده نزدیک مادون قرمز دارند، مناسب می‌سازد. مزایای اصلی این قطعه شامل زمان پاسخگویی سریع، حساسیت نوری بالا و ظرفیت پیوند کوچک است که برای تشخیص سیگنال‌های پرسرعت حیاتی هستند. این قطعه به عنوان یک جزء بدون سرب (Pb-free) طراحی شده و با مقررات زیست‌محیطی مرتبط مانند RoHS و EU REACH مطابقت دارد.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

این قطعه برای کارکرد مطمئن در محدوده‌های مشخص شده طراحی شده است. تجاوز از این محدوده‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• ولتاژ معکوس (V_R):32 ولت - حداکثر ولتاژ بایاس معکوسی که می‌توان به پایه‌های فوتودیود اعمال کرد.
• دمای کارکرد (T_opr):25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمای محیط برای کارکرد عادی.
• دمای ذخیره‌سازی (T_stg):40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمایی برای نگهداری در حالت غیرفعال.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد - حداکثر دمایی که قطعه در فرآیندهای لحیم‌کاری می‌تواند تحمل کند.
• توان تلف شده (P_c):150 میلی‌وات - حداکثر توانی که قطعه می‌تواند در دمای محیط 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر تلف کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها عملکرد فوتودیود را تحت شرایط آزمایش استاندارد (Ta=25°C) تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ_0.5):840 نانومتر تا 1100 نانومتر - محدوده طول موجی که پاسخ‌دهی حداقل نصف مقدار پیک آن است.
• طول موج حساسیت پیک (λ_P):940 نانومتر (معمولی) - طول موج نوری که فوتودیود در آن بیشترین حساسیت را دارد.
• ولتاژ مدار باز (V_OC):0.44 ولت (معمولی) - ولتاژ تولید شده در پایه‌های باز هنگام روشنایی (E_e=5 mW/cm², λ_p=940nm).
• جریان اتصال کوتاه (I_SC):10 میکروآمپر (معمولی) - جریان عبوری هنگامی که پایه‌ها در شرایط روشنایی اتصال کوتاه شده‌اند (E_e=1 mW/cm², λ_p=940nm).
• جریان نوری معکوس (I_L):حداقل 15 میکروآمپر - جریان فوتونی تولید شده تحت بایاس معکوس (V_R=5V, E_e=1 mW/cm², λ_p=940nm). این یک پارامتر کلیدی برای تشخیص سیگنال است.
• جریان تاریک معکوس (I_D):حداکثر 30 نانوآمپر - جریان نشتی کوچکی که تحت بایاس معکوس در تاریکی کامل جریان می‌یابد (V_R=10V). مقدار پایین‌تر برای نسبت سیگنال به نویز بهتر مطلوب است.
• ولتاژ شکست معکوس (V_BR):حداقل 32 ولت، معمولی 170 ولت - ولتاژ معکوسی که در آن پیوند می‌شکند و جریان به شدت افزایش می‌یابد.
• ظرفیت کل (C_t):6.0 پیکوفاراد (معمولی) - ظرفیت پیوند تحت بایاس معکوس (V_R=5V, f=1MHz). ظرفیت پایین برای عملکرد پرسرعت حیاتی است.
• زمان صعود/سقوط (t_r/t_f):10 نانوثانیه (معمولی) - زمان لازم برای اینکه سیگنال خروجی از 10% به 90% (یا از 90% به 10%) مقدار نهایی خود صعود (یا سقوط) کند (V_R=10V, R_L=100Ω). این حداکثر سرعت سوئیچینگ را تعریف می‌کند.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

PD333-3B/L1 بر اساس عملکرد جریان نوری معکوس (I_L) آن تحت شرایط آزمایش خاص (E_e=1mW/cm², λ_p=940nm, V_R=5V) به دسته‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شود. این امر به طراحان اجازه می‌دهد قطعاتی با عملکرد یکنواخت برای کاربرد خود انتخاب کنند.

دیتاشیت همچنین تلرانس‌های استاندارد را ذکر می‌کند: شدت نور ±10%، طول موج غالب ±1nm، و ولتاژ مستقیم ±0.1V، اگرچه دو مورد آخر بیشتر مربوط به LEDها هستند تا این فوتودیود.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین منحنی مشخصه است که رفتار قطعه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد. این منحنی‌ها برای طراحی مدار و پیش‌بینی عملکرد ضروری هستند.

4.1 حساسیت طیفی

منحنی پاسخ طیفی، حساسیت نسبی قطعه را در طول‌موج‌های مختلف نشان می‌دهد. پیک آن در 940 نانومتر (مادون قرمز) است و پاسخ قابل توجهی از حدود 840 نانومتر تا 1100 نانومتر دارد. این موضوع مناسب بودن آن را برای سیستم‌های مبتنی بر مادون قرمز مانند کنترل‌های از راه دور و سنسورهای مجاورت تأیید می‌کند.

4.2 وابستگی دمایی

منحنی‌هایی ارائه شده‌اند که رابطه بین جریان تاریک معکوس و دمای محیط، و همچنین توان تلف شده در مقابل دمای محیط را نشان می‌دهند. جریان تاریک معمولاً با افزایش دما افزایش می‌یابد که می‌تواند بر سطح نویز در کاربردهای حساس تأثیر بگذارد. منحنی کاهش توان نشان می‌دهد که حداکثر توان تلف شده مجاز چگونه با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد.

4.3 مشخصات الکتریکی

نمودارهای کلیدی شامل موارد زیر هستند:

• جریان نوری معکوس در مقابل تابندگی (E_e):رابطه خطی بین جریان فوتونی تولید شده و چگالی توان نور تابیده را نشان می‌دهد که یک ویژگی بنیادی فوتودیودها است.
• ظرفیت پایه در مقابل ولتاژ معکوس:نشان می‌دهد که ظرفیت پیوند چگونه با افزایش ولتاژ بایاس معکوس کاهش می‌یابد. کار در ولتاژ معکوس بالاتر (در محدوده مجاز) می‌تواند با کاهش ظرفیت، سرعت را بهبود بخشد.
• زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار:نشان می‌دهد که زمان صعود/سقوط چگونه تحت تأثیر مقاومت بار (R_L) در مدار قرار می‌گیرد. یک R_L کوچکتر معمولاً منجر به پاسخ سریع‌تر اما دامنه ولتاژ خروجی کوچکتر می‌شود.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

این قطعه از یک بسته پلاستیکی گرد استاندارد با قطر 5 میلی‌متر استفاده می‌کند. نقشه ابعاد بسته، اندازه‌های حیاتی برای طراحی جایگاه PCB و یکپارچه‌سازی مکانیکی را ارائه می‌دهد. ابعاد کلیدی شامل قطر کلی (5mm)، فاصله پایه‌ها و ارتفاع قطعه است. نقشه یک تلرانس عمومی ±0.25mm را مشخص می‌کند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. بسته دارای دو پایه محوری برای اتصال الکتریکی است. بدنه اپوکسی مشکی به عنوان لنز و فیلتر IR عمل می‌کند. شناسایی صحیح قطبیت باید بر اساس نمودار پایه‌ها در دیتاشیت باشد؛ معمولاً کاتد با پایه بلندتر، یک نقطه صاف روی بسته یا علامت خاصی نشان داده می‌شود.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این قطعه برای حداکثر دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد درجه‌بندی شده است. می‌توان از پروفایل‌های استاندارد لحیم‌کاری بازجریانی یا موجی برای فرآیندهای بدون سرب استفاده کرد، با اطمینان از کنترل دمای پیک و زمان بالاتر از نقطه ذوب برای جلوگیری از آسیب حرارتی. لحیم‌کاری دستی باید به سرعت و با هویه کنترل دمایی انجام شود. توصیه می‌شود قطعات در محیط خشک نگهداری شوند تا از جذب رطوبت که می‌تواند در حین لحیم‌کاری باعث مشکل (ترکیدن) شود، جلوگیری گردد.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

مشخصات بسته‌بندی استاندارد 500 عدد در هر کیسه، 5 کیسه در هر جعبه و 10 جعبه در هر کارتن است که در مجموع 25000 عدد در هر کارتن می‌شود. برچسب روی بسته‌بندی شامل فیلدهایی برای شماره محصول مشتری (CPN)، شماره محصول (P/N)، تعداد بسته‌بندی (QTY) و رتبه‌های عملکرد مرتبط (مانند CAT برای شدت) به همراه شماره سری ساخت و کد تاریخ برای ردیابی است.

8. پیشنهادات کاربردی

8.1 سناریوهای کاربردی متداول

• تشخیص نوری پرسرعت:به دلیل زمان پاسخ 10 نانوثانیه‌ای، برای انتقال داده روی فیبر نوری، اسکنرهای بارکد و انکودرهای نوری مناسب است.
• سیستم‌های امنیتی:می‌تواند در پرتوهای تشخیص نفوذ، دودسنج‌ها یا به عنوان گیرنده برای ارتباط امنیتی مبتنی بر IR استفاده شود.
• کاربردهای دوربین:برای نورسنجی، سیستم‌های کمکی فوکوس خودکار یا به عنوان مانیتور فیلتر قطع IR مفید است.
• سنجش صنعتی:تشخیص، شمارش و سنجش موقعیت اجسام در تجهیزات اتوماتیک.

8.2 ملاحظات طراحی

• مدار بایاس:فوتودیود می‌تواند در حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر) برای کاربردهای کم‌نویز یا حالت فوتوهادی (بایاس معکوس) برای سرعت و خطییت بالاتر استفاده شود. حداکثر ولتاژ معکوس 32 ولت امکان انتخاب گسترده‌ای از بایاس را فراهم می‌کند.
• تقویت:جریان خروجی کوچک است (میکروآمپر)، بنابراین تقریباً همیشه به یک تقویت‌کننده ترانسمپدانس (TIA) برای تبدیل جریان به سیگنال ولتاژ قابل استفاده نیاز است.
• نویز:برای کاربردهای حساس، جریان تاریک و وابستگی دمایی آن را در نظر بگیرید. برای به حداقل رساندن دریافت نویز الکتریکی، محافظت و چیدمان دقیق PCB ضروری است.
• فیلترگذاری نوری:اپوکسی مشکی مقداری فیلترگذاری فراهم می‌کند، اما برای انتخاب طول موج خاص، ممکن است به یک فیلتر نوری میان‌گذر اضافی نیاز باشد.

9. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتودیودهای عمومی، PD333-3B/L1 ترکیب متعادلی از سرعت (10ns)، حساسیت (حداقل 15µA در شرایط مشخص) و درجه‌بندی ولتاژ معکوس قوی 32 ولت را در یک بسته رایج 5 میلی‌متری ارائه می‌دهد. ساختار سیلیکونی و PIN آن یک مصالحه خوب بین هزینه، سرعت و حساسیت برای کاربردهای نزدیک مادون قرمز فراهم می‌کند. جایگزین‌ها ممکن است شامل فوتودیودهایی با بسته‌های کوچکتر برای طراحی‌های محدود از نظر فضا، آنهایی با پاسخ طیفی متفاوت (مثلاً نور مرئی) یا فوتودیودهای بهمنی (APD) برای کاربردهایی که نیاز به تقویت داخلی دارند، باشد، اگرچه APDها پیچیده‌تر و گران‌تر هستند.

10. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: تفاوت بین حالت فوتوولتائیک و فوتوهادی چیست؟

ج: در حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر)، فوتودیود ولتاژ/جریان خود را تولید می‌کند و جریان تاریک و نویز بسیار پایینی ارائه می‌دهد. در حالت فوتوهادی (بایاس معکوس)، یک ولتاژ خارجی اعمال می‌شود که ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد (سرعت را افزایش می‌دهد) و خطییت را بهبود می‌بخشد، به بهای جریان تاریک کمی بالاتر.

س: چگونه دسته مناسب را انتخاب کنم؟

ج: بر اساس حداقل جریان سیگنال مورد نیاز برای کاربرد خود، یک دسته را انتخاب کنید. استفاده از دسته بالاتر سیگنال قوی‌تری را تضمین می‌کند اما ممکن است پیامدهای هزینه‌ای داشته باشد. برای یکنواختی در تولید، یک دسته واحد را مشخص کنید.

س: آیا این فوتودیود می‌تواند برای تشخیص نور مرئی استفاده شود؟

ج: در حالی که پاسخ‌دهی‌ای در طیف مرئی قرمز دارد، پیک آن در 940nm (IR) است و اپوکسی مشکی نور مرئی را تضعیف می‌کند. برای تشخیص اصلی نور مرئی، فوتودیودی با لنز شفاف یا مخصوص رنگ و طول موج پیک در محدوده مرئی مناسب‌تر خواهد بود.

س: چه مقداری از مقاومت بار (R_L) باید استفاده کنم؟

ج: بستگی به سرعت و سطح سیگنال مورد نیاز دارد. یک R_L کوچکتر (مثلاً 50Ω) پاسخ سریع‌تر اما خروجی ولتاژ کوچکتری می‌دهد (Vout = I_ph* R_L). یک R_L بزرگتر ولتاژ بزرگتری می‌دهد اما به دلیل ثابت زمانی RC تشکیل شده با ظرفیت دیود، پاسخ کندتر است. به منحنی "زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار" مراجعه کنید.

11. نمونه عملی طراحی

مورد: سنسور ساده تشخیص جسم

یک استفاده متداول، سنسور قطع پرتو است. یک LED مادون قرمز که در 940nm تابش می‌کند، در مقابل فوتودیود PD333-3B/L1 قرار می‌گیرد. فوتودیود در حالت فوتوهادی با بایاس معکوس 5 ولت از طریق یک مقاومت بار (مثلاً 10kΩ) کار می‌کند. در شرایط عادی، نور IR به دیود برخورد می‌کند، جریان فوتونی ایجاد کرده و افت ولتاژی در دو سر مقاومت ایجاد می‌کند. هنگامی که یک جسم پرتو را قطع می‌کند، جریان فوتونی به طور قابل توجهی افت می‌کند و باعث تغییر بزرگی در ولتاژ دو سر مقاومت می‌شود. این سیگنال ولتاژ می‌تواند به یک مقایسه‌گر تغذیه شود تا یک وقفه دیجیتال برای میکروکنترلر ایجاد کند. زمان پاسخ 10 نانوثانیه بسیار سریع‌تر از نیاز این کاربرد است، اما حساسیت بالا عملکرد مطمئن را حتی با منابع IR ضعیف‌تر یا در فواصل طولانی‌تر تضمین می‌کند.

12. اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمه‌هادی با یک ناحیه ذاتی (I) است که بین نواحی نوع P و نوع N قرار گرفته است. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گاف نواری نیمه‌هادی به دستگاه برخورد می‌کنند، در ناحیه ذاتی جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. تحت تأثیر پتانسیل داخلی ذاتی (حالت فوتوولتائیک) یا یک بایاس معکوس اعمال شده (حالت فوتوهادی)، این حامل‌های بار از هم جدا می‌شوند و یک جریان فوتونی قابل اندازه‌گیری ایجاد می‌کنند که متناسب با شدت نور تابیده است. ناحیه ذاتی گسترده در ساختار PIN در مقایسه با یک فوتودیود PN استاندارد، ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد و امکان عملکرد با سرعت بالاتر را فراهم می‌کند.

13. روندهای صنعت

تقاضا برای فوتودیودها همچنان در حوزه‌هایی مانند الکترونیک مصرفی (سنسورهای گوشی هوشمند، پوشیدنی‌ها)، خودرو (LiDAR، نظارت بر راننده)، اتوماسیون صنعتی و ارتباطات (مراکز داده) در حال رشد است. روندها شامل کوچک‌سازی بیشتر به بسته‌های در مقیاس تراشه، یکپارچه‌سازی با مدارهای تقویت و پردازش سیگنال روی تراشه، توسعه فوتودیودها برای محدوده‌های طول موج جدید (مانند مادون قرمز موج کوتاه) و بهبود پارامترهای عملکردی مانند نویز کمتر و سرعت بالاتر برای پاسخگویی به نیازهای فناوری‌های نوظهور است.