دیتاشیت فنی فوتودیود 5 میلی‌متری PD333-3C/H0/L2 - قطر 5 میلی‌متر - ولتاژ معکوس 32 ولت - حساسیت پیک 940 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD333-3C/H0/L2 یک فوتودیود سیلیکونی PIN با سرعت و حساسیت بالا است که در یک پکیج پلاستیکی استاندارد با قطر 5 میلی‌متر قرار گرفته است. این قطعه برای کاربردهایی که نیاز به آشکارسازی نوری سریع دارند طراحی شده و از خازن پیوند کوچک و زمان پاسخ سریع خود بهره می‌برد. استفاده از اپوکسی شفاف به عنوان ماده لنز، آن را به طیف وسیعی از نور، از جمله تابش مرئی و مادون قرمز حساس می‌کند، با حساسیت پیک مشخصاً در ناحیه مادون قرمز نزدیک. اهداف اصلی طراحی آن، ارائه عملکردی قابل اعتماد در راه‌حل‌های حسگری فشرده و مقرون‌به‌صرفه است.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

این بخش تحلیل عینی‌ای از پارامترهای کلیدی الکتریکی و نوری مشخص شده در دیتاشیت ارائه می‌دهد.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

حداکثر ولتاژ معکوس (VR) این قطعه 32 ولت است که حد بالایی ولتاژ بایاس قابل اعمال بدون خطر آسیب دائمی را تعریف می‌کند. محدوده دمای کاری (Topr) از 25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد است که برای اکثر محیط‌های تجاری و صنعتی مناسب می‌باشد. ذخیره‌سازی می‌تواند در محدوده وسیع‌تری از 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد انجام شود. دمای لحیم‌کاری (Tsol) در 260 درجه سانتی‌گراد مشخص شده است که یک دمای پیک استاندارد برای فرآیندهای ریفلو بدون سرب است. اتلاف توان (Pc) در دمای محیط 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر، 150 میلی‌وات است که پارامتری حیاتی برای مدیریت حرارتی در مدار کاربردی می‌باشد.

2.2 مشخصه‌های الکترواپتیکی

پاسخ طیفی وسیع است و پهنای باند (λ0.5) از 400 نانومتر تا 1100 نانومتر را پوشش می‌دهد، با طول موج حساسیت پیک معمولی (λP) در 940 نانومتر. این ویژگی آن را برای کاربردهای حسگری مادون قرمز، مانند آنهایی که از LEDهای مادون قرمز 850 نانومتر یا 940 نانومتر استفاده می‌کنند، ایده‌آل می‌سازد. پارامترهای کلیدی حساسیت شامل ولتاژ مدار باز معمولی (VOC) برابر 0.39 ولت و جریان اتصال کوتاه (ISC) برابر 40 میکروآمپر است که هر دو تحت تابش (Ee) 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر اندازه‌گیری شده‌اند. تحت بایاس معکوس 5 ولت، جریان نور معکوس معمولی (IL) تحت شرایط تابش یکسان 40 میکروآمپر است. جریان تاریک معکوس (ID)، یک پارامتر حیاتی برای عملکرد در نور کم، معمولاً در VR=10 ولت برابر 5 نانوآمپر و حداکثر 30 نانوآمپر است. خازن پیوند کل (Ct) معمولاً در VR=5 ولت و فرکانس 1 مگاهرتز برابر 18 پیکوفاراد است که مستقیماً بر سرعت قطعه تأثیر می‌گذارد. زمان‌های صعود و فرود (tr/tf) معمولاً هر کدام 45 نانوثانیه هستند وقتی با VR=10 ولت و مقاومت بار (RL) 100 اهم اندازه‌گیری می‌شوند که قابلیت سرعت بالای آن را تأیید می‌کند. زاویه دید (2θ1/2) 80 درجه است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین منحنی عملکرد معمولی است که نشان می‌دهد پارامترهای کلیدی چگونه با شرایط کاری تغییر می‌کنند. این منحنی‌ها برای مهندسان طراحی جهت پیش‌بینی عملکرد در دنیای واقعی ضروری هستند.

3.1 حساسیت طیفی

منحنی حساسیت طیفی، پاسخ‌دهی نسبی فوتودیود را در طول‌موج‌های تقریباً 400 نانومتر تا 1100 نانومتر نشان می‌دهد. این منحنی به شدت در حدود 940 نانومتر به اوج می‌رسد که بهینه‌سازی آن برای نور مادون قرمز نزدیک را تأیید می‌کند. حساسیت در ناحیه مرئی عمیق و فراتر از 1100 نانومتر به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

3.2 وابستگی به دما

دو منحنی اثرات دما را برجسته می‌کنند: اتلاف توان در برابر دمای محیط و جریان تاریک معکوس در برابر دمای محیط. منحنی کاهش رتبه اتلاف توان نشان می‌دهد که حداکثر توان مجاز چگونه با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. منحنی جریان تاریک نشان می‌دهد که ID به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد که یک مشخصه رایج پیوندهای نیمه‌هادی است. این موضوع برای کاربردهایی که در دمای بالا کار می‌کنند حیاتی است، زیرا افزایش جریان تاریک، سطح نویز زمینه را بالا می‌برد.

3.3 خطی بودن و پاسخ دینامیکی

منحنی جریان نور معکوس در برابر Ee، خطی بودن فوتودیود را نشان می‌دهد. در یک محدوده مشخص از تابش، جریان نوری (IL) باید به صورت خطی با توان نوری فرودی افزایش یابد. منحنی زمان پاسخ در برابر مقاومت بار نشان می‌دهد که زمان صعود/فرود (tr/tf) چگونه با مقاومت بار بالاتر (RL) افزایش می‌یابد. برای کاربردهای پرسرعت، یک مقاومت بار با مقدار کم (مانند 100 اهم استفاده شده در مشخصات) ضروری است، اگرچه باعث ایجاد نوسان ولتاژ خروجی کوچکتری می‌شود.

3.4 خازن در برابر ولتاژ

منحنی خازن ترمینال در برابر ولتاژ معکوس نشان می‌دهد که خازن پیوند (Ct) با افزایش ولتاژ بایاس معکوس کاهش می‌یابد. این امر به دلیل گسترش ناحیه تخلیه است. بنابراین اعمال بایاس معکوس بالاتر (در محدوده مجاز) می‌تواند با کاهش خازن، سرعت را بهبود بخشد، به بهای افزایش بالقوه جریان تاریک.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد پکیج

این قطعه از یک پکیج استاندارد رادیال با پایه‌های خروجی 5 میلی‌متری (T-1 3/4) استفاده می‌کند. نقشه ابعاد دقیق، قطر، فاصله پایه‌ها، طول پایه و شکل لنز را مشخص می‌کند. یک نکته کلیدی مشخص می‌کند که تلرانس‌های ابعادی مگر خلاف آن ذکر شده باشد، ±0.25 میلی‌متر است. آند و کاتد شناسایی شده‌اند، که پایه بلندتر معمولاً آند (سمت مثبت در حالت فوتوولتائیک) است.

4.2 شناسایی قطبیت

قطبیت توسط طول پایه نشان داده می‌شود. پایه بلندتر آند (سمت P) و پایه کوتاه‌تر کاتد (سمت N) است. هنگامی که در حالت فوتوهادی (بایاس معکوس) کار می‌کند، کاتد باید به ولتاژ تغذیه مثبت متصل شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقدار مطلق برای دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد است. این مقدار با پروفایل‌های رایج ریفلو بدون سرب هماهنگ است. در طول لحیم‌کاری دستی، باید دقت شود تا زمان قرارگیری در معرض حرارت به حداقل برسد تا از آسیب به پکیج پلاستیکی و لنز اپوکسی جلوگیری شود. قطعه باید در شرایطی در محدوده دمای ذخیره‌سازی مشخص شده (40- تا 100+ درجه سانتی‌گراد) و در یک محیط خشک نگهداری شود تا از جذب رطوبت که می‌تواند بر قابلیت اطمینان در حین ریفلو تأثیر بگذارد، جلوگیری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات بسته‌بندی

روش بسته‌بندی استاندارد به این صورت است: 200 تا 500 قطعه در هر کیسه، 5 کیسه در هر کارتن داخلی و 10 کارتن داخلی در هر کارتن اصلی (خارجی).

6.2 مشخصات برچسب

برچسب روی بسته‌بندی حاوی چندین فیلد است: CPN (شماره محصول مشتری)، P/N (شماره محصول)، QTY (تعداد بسته‌بندی)، LOT No. (شماره سریال برای ردیابی) و کدهای تاریخ. این امر مدیریت موجودی و ردیابی را تسهیل می‌کند.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

دیتاشیت موارد زیر را فهرست می‌کند: آشکارسازی نوری پرسرعت، سیستم‌های امنیتی و دوربین‌ها. به طور خاص، این فوتودیود برای موارد زیر بسیار مناسب است:

• گیرنده‌های کنترل از راه دور مادون قرمز:جفت شده با یک LED مادون قرمز 940 نانومتر و یک IC دمدولاتور.
• انکودرهای نوری:برای حسگری سرعت و موقعیت در پرینترها، موتورها یا تجهیزات صنعتی.
• حسگری نور محیط (ALS):برای کنترل نور پس‌زمینه نمایشگر در دستگاه‌ها، اگرچه حساسیت مادون قرمز آن ممکن است برای اندازه‌گیری دقیق نور مرئی نیاز به فیلتر داشته باشد.
• تشخیص ساده شیء:همراه با یک منبع نور مادون قرمز برای حسگری مجاورتی یا سنسورهای شکست پرتو.
• پالس اکسیمتری (در دستگاه‌های پزشکی، با صلاحیت‌های مناسب):حسگری نور قرمز و مادون قرمز، اگرچه گواهی پزشکی مورد نیاز است.

7.2 ملاحظات طراحی

پیکربندی بایاس:برای پاسخ پرسرعت یا خطی، از فوتودیود در حالت فوتوهادی (بایاس معکوس) استفاده کنید. یک مدار تقویت‌کننده ترانسیمپدانس (TIA) معمولاً برای تبدیل جریان نوری به ولتاژ استفاده می‌شود. مقاومت و خازن فیدبک در TIA باید بر اساس پهنای باند مورد نظر و خازن فوتودیود (معمولاً 18 پیکوفاراد) انتخاب شوند.

کاهش نویز:پایه‌های فوتودیود را کوتاه نگه دارید و از یک لایه‌بندی محافظت‌شده استفاده کنید تا خازن پارازیتی و دریافت تداخل الکترومغناطیسی به حداقل برسد. برای کاربردهای نور کم، خنک‌کردن قطعه را برای کاهش نویز جریان تاریک در نظر بگیرید.

ملاحظات نوری:لنز شفاف، نور مرئی و مادون قرمز را عبور می‌دهد. اگر فقط تشخیص مادون قرمز مورد نظر است، می‌توان یک فیلتر عبور مادون قرمز اضافه کرد تا نور مرئی مسدود شده و نویز از منابع مرئی محیط کاهش یابد. زاویه دید 80 درجه، میدان دید وسیعی فراهم می‌کند؛ در صورت نیاز می‌توان از دیافراگم‌ها یا لنزهای نوری برای محدود کردن آن استفاده کرد.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با یک فوتودیود PN استاندارد، یک فوتودیود PIN مانند PD333-3C/H0/L2 دارای یک ناحیه ذاتی (I) بین لایه‌های P و N است. این ناحیه ذاتی، یک ناحیه تخلیه بزرگ‌تری ایجاد می‌کند که منجر به دو مزیت کلیدی می‌شود:1) خازن پیوند پایین‌تر:خازن 18 پیکوفاراد برای یک قطعه 5 میلی‌متری نسبتاً پایین است و امکان زمان‌های پاسخ سریع‌تر را فراهم می‌کند.2) خطی بودن بهبودیافته:ناحیه تخلیه وسیع‌تر، امکان جمع‌آوری کارآمدتر حامل‌های بار در محدوده وسیع‌تری از ولتاژهای بایاس و شدت‌های نور را فراهم می‌کند. در مقایسه با فوتوترانزیستورها، فوتودیودها عموماً سریع‌تر هستند و خروجی خطی‌تری دارند اما جریان سیگنال بسیار کوچک‌تری تولید می‌کنند که نیاز به تقویت پیچیده‌تری دارد.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

9.1 تفاوت جریان اتصال کوتاه (ISC) و جریان نور معکوس (IL) چیست؟

ISC با بایاس صفر در دو سر دیود (حالت فوتوولتائیک) اندازه‌گیری می‌شود، در حالی که IL تحت یک بایاس معکوس مشخص (حالت فوتوهادی) اندازه‌گیری می‌شود. IL معمولاً بسیار نزدیک به ISC است، اما دقیقاً یکسان نیست. دیتاشیت هر دو را تحت شرایط تست یکسان به صورت معمولی 40 میکروآمپر نشان می‌دهد.

9.2 چرا جریان تاریک مهم است؟

جریان تاریک، جریان کوچکی است که حتی در صورت عدم وجود نور نیز جریان می‌یابد. این جریان، سطح نویز زمینه سنسور را تعیین می‌کند. در کاربردهای نور کم، یک جریان تاریک پایین (معمولاً 5 نانوآمپر در اینجا) برای دستیابی به نسبت سیگنال به نویز خوب ضروری است.

9.3 چگونه مقاومت بار (RL) را برای کاربرد خود انتخاب کنم؟

این انتخاب شامل یک مبادله بین سرعت و دامنه خروجی است. یک RL کوچک (مثلاً 50 اهم)، پاسخ سریع می‌دهد (منحنی tr/tf در برابر RL را ببینید) اما یک ولتاژ خروجی کوچک تولید می‌کند (Vout = IL * RL). یک RL بزرگ، ولتاژ بزرگ‌تری می‌دهد اما به دلیل ثابت زمانی RC تشکیل شده توسط خازن فوتودیود و RL، پاسخ کندتری دارد. برای تشخیص پالس دیجیتال، اغلب سرعت در اولویت قرار می‌گیرد.

9.4 آیا می‌توانم از این قطعه با یک منبع نور مرئی مانند LED قرمز استفاده کنم؟

بله، منحنی پاسخ طیفی حساسیت قابل توجهی تا 400 نانومتر را نشان می‌دهد. با این حال، پاسخ‌دهی آن در 650 نانومتر (قرمز) کمتر از اوج 940 نانومتری آن خواهد بود. در مقایسه با استفاده از یک منبع مادون قرمز با توان نوری یکسان، سیگنال کوچک‌تری دریافت خواهید کرد.

10. مطالعه موردی طراحی و استفاده

مورد: طراحی یک گیرنده لینک داده مادون قرمز.یک طراح نیاز به دریافت داده‌های مدوله شده از یک LED مادون قرمز 940 نانومتر در فرکانس 38 کیلوهرتز (یک فرکانس رایج کنترل از راه دور) دارد. او PD333-3C/H0/L2 را به دلیل حساسیت بالا در 940 نانومتر و پاسخ سریع (زمان صعود 45 نانوثانیه برای 38 کیلوهرتز بیش از حد کافی است) انتخاب می‌کند. فوتودیود با بایاس معکوس 5 ولت کار می‌کند. خروجی به یک IC گیرنده مادون قرمز اختصاصی (که شامل یک TIA، فیلتر میان‌گذر تنظیم شده روی 38 کیلوهرتز و دمدولاتور است) متصل می‌شود. طراح فوتودیود را نزدیک به پایه ورودی IC قرار می‌دهد، از مسیرهای کوتاه استفاده می‌کند و یک خازن جداسازی کوچک نزدیک منبع تغذیه بایاس اضافه می‌کند تا نویز به حداقل برسد. یک پنجره شفاف به مادون قرمز در جلوی فوتودیود قرار داده می‌شود تا نور مرئی مسدود شده و تداخل از لامپ‌های فلورسنت که ممکن است با فرکانس 100/120 هرتز سوسو بزنند، کاهش یابد.

11. اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمه‌هادی است که نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گپ انرژی نیمه‌هادی به قطعه برخورد می‌کنند، در ناحیه ذاتی جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند. تحت تأثیر میدان الکتریکی داخلی (در حالت فوتوولتائیک) یا یک بایاس معکوس اعمال شده (در حالت فوتوهادی)، این حامل‌های بار از هم جدا می‌شوند و یک جریان نوری قابل اندازه‌گیری ایجاد می‌کنند که متناسب با توان نوری فرودی است. لایه "I" (ذاتی) کلیدی است: این لایه به‌طور سبکی دوپ شده و یک ناحیه تخلیه وسیع ایجاد می‌کند که خازن را برای سرعت بالاتر کاهش می‌دهد و با فراهم کردن حجم بزرگتری برای جذب فوتون، بازده کوانتومی را بهبود می‌بخشد.

12. روندهای فناوری

روند کلی در فناوری فوتودیودها به سمت یکپارچه‌سازی بالاتر، نویز کمتر و اختصاصی‌تر بودن کاربرد است. این شامل توسعه فوتودیودهایی با تقویت روی تراشه (ترکیب‌های فوتودیود-تقویت‌کننده یکپارچه)، آرایه‌هایی برای تصویربرداری یا حسگری چندکاناله و دستگاه‌هایی با پاسخ‌های طیفی سفارشی یا فیلترهای نوری داخلی می‌شود. همچنین تحقیقات مداومی بر روی مواد فراتر از سیلیکون (مانند InGaAs) برای تشخیص محدوده مادون قرمز گسترده‌تر در جریان است. برای قطعات تجاری استاندارد مانند فوتودیود PIN 5 میلی‌متری، تمرکز همچنان بر کاهش هزینه، بهبود قابلیت اطمینان و دستیابی به توزیع پارامتری فشرده‌تر در حین حفظ معیارهای عملکرد کلیدی مانند سرعت و حساسیت باقی می‌ماند.