دیتاشیت فنی PD438C - فوتودیود سیلیکونی PIN نیمه‌لنزی 4.8 میلی‌متری - ولتاژ معکوس 32 ولت - اتلاف توان 150 میلی‌وات

1. مرور کلی محصول

PD438C یک فوتودیود سیلیکونی PIN پرسرعت و بسیار حساس است که در یک پکیج پلاستیکی استوانه‌ای نمای جانبی قرار گرفته است. عملکرد اصلی آن تبدیل نور تابشی، به ویژه در طیف مادون قرمز، به جریان الکتریکی است. یک ویژگی کلیدی این قطعه این است که بدنه اپوکسی خود به عنوان یک فیلتر مادون قرمز (IR) یکپارچه عمل می‌کند که از نظر طیفی با فرستنده‌های IR متداول هماهنگ است. این طراحی، یکپارچه‌سازی سیستم را با کاهش نیاز به فیلتر خارجی ساده می‌کند. این قطعه با زمان پاسخ سریع، حساسیت نوری بالا و ظرفیت پیوند کوچک مشخص می‌شود و آن را برای کاربردهای نیازمند آشکارسازی سریع و دقیق نور مناسب می‌سازد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این قطعه برای کارکرد قابل اطمینان در محدوده‌های مطلق زیر طراحی شده است و فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. حداکثر ولتاژ معکوس (V_R) 32 ولت است. اتلاف توان (P_d) نباید از 150 میلی‌وات تجاوز کند. محدوده دمای عملیاتی (T_opr) از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد است، در حالی که محدوده دمای نگهداری (T_stg) از 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد گسترش می‌یابد. برای مونتاژ، دمای لحیم‌کاری (T_sol) باید در 260 درجه سانتی‌گراد و برای مدت زمان حداکثر 5 ثانیه حفظ شود تا از آسیب حرارتی به پکیج و تراشه نیمه‌هادی جلوگیری شود.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

در شرایط آزمایش استاندارد (Ta=25°C)، PD438C پارامترهای عملکرد کلیدی زیر را نشان می‌دهد. پهنای باند پاسخ طیفی آن (λ_0.5) از 400 نانومتر تا 1100 نانومتر است، با طول موج حساسیت اوج (λ_p) معمولاً در 940 نانومتر که آن را کاملاً با منابع نور مادون قرمز متداول هماهنگ می‌کند. هنگامی که با تابندگی 5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر روشن می‌شود، ولتاژ مدار باز معمولی (V_OC) 0.35 ولت است. جریان اتصال کوتاه (I_SC) معمولاً 18 میکروآمپر تحت تابندگی 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر است. تحت بایاس معکوس 5 ولت و همان تابندگی، جریان نور معکوس (I_L) معمولاً 18 میکروآمپر (حداقل 10.2 میکروآمپر) است. جریان تاریک (I_d)، که جریان نشتی در غیاب نور است، معمولاً 5 نانوآمپر (حداکثر 30 نانوآمپر) در ولتاژ معکوس 10 ولت است. ظرفیت ترمینال کل (C_t) معمولاً 25 پیکوفاراد در بایاس معکوس 3 ولت و فرکانس 1 مگاهرتز است. زمان‌های صعود و فرود (t_r/t_f) هر دو معمولاً 50 نانوثانیه هستند هنگامی که با بایاس معکوس 10 ولت و مقاومت بار 1 کیلواهم کار می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که برای مهندسان طراحی حیاتی هستند. منحنیحساسیت طیفیپاسخ‌دهی نسبی فوتودیود را در محدوده طول موج عملیاتی آن نشان می‌دهد و اوج در 940 نانومتر را تأیید می‌کند. نموداراتلاف توان در مقابل دمای محیطکاهش مجاز توان حداکثر مجاز را با افزایش دمای عملیاتی نشان می‌دهد که برای مدیریت حرارتی ضروری است. منحنیجریان تاریک در مقابل دمای محیطنشان می‌دهد که چگونه جریان نشتی با دما افزایش می‌یابد، عاملی حیاتی برای کاربردهای کم‌نور یا دمای بالا. نمودارجریان نور معکوس در مقابل تابندگی (Ee)رابطه خطی بین توان نور تابشی و فوتوجریان تولید شده را نشان می‌دهد و پاسخ قابل پیش‌بینی قطعه را تأیید می‌کند. منحنیظرفیت ترمینال در مقابل ولتاژ معکوسنشان می‌دهد که چگونه ظرفیت پیوند با افزایش بایاس معکوس کاهش می‌یابد که مستقیماً بر سرعت قطعه تأثیر می‌گذارد. در نهایت، نمودارزمان پاسخ در مقابل مقاومت بارنشان می‌دهد که چگونه زمان صعود/فرود تحت تأثیر بار خارجی قرار می‌گیرد و راهنمای انتخاب مقاومت بار مناسب برای مدارهای حساس به سرعت است.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

PD438C در قالب استوانه‌ای نمای جانبی با قطر اسمی 4.8 میلی‌متر بسته‌بندی شده است. نقشه مکانیکی دقیق تمام ابعاد حیاتی از جمله فاصله پایه‌ها، ارتفاع پکیج و هندسه لنز را مشخص می‌کند. نقشه ذکر می‌کند که تلرانس‌های ابعادی معمولاً ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. پیکربندی نمای جانبی به ویژه برای کاربردهایی مفید است که مسیر نور موازی با سطح نصب است، مانند سنسورهای شکافی یا سیستم‌های تشخیص لبه.

4.2 شناسایی قطبیت

این قطعه یک المان دو پایه است. کاتد معمولاً توسط یک پایه بلندتر، یک شکاف یا یک نقطه صاف روی بدنه پکیج شناسایی می‌شود. اتصال صحیح قطبیت هنگام اعمال بایاس معکوس برای عملکرد بهینه در حالت فوتوهادی ضروری است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این قطعه برای لحیم‌کاری در دمای اوج 260 درجه سانتی‌گراد درجه‌بندی شده است. بسیار مهم است که زمان بالاتر از دمای مایع (معمولاً حدود 217 درجه سانتی‌گراد برای لحیم بدون سرب) به حداکثر 5 ثانیه محدود شود تا از تنش حرارتی بیش از حد روی پکیج اپوکسی و اتصالات سیمی داخلی جلوگیری شود. پروفایل‌های استاندارد ریفلو یا موج لحیم‌کاری برای مونتاژهای بدون سرب عموماً قابل اعمال هستند. باید مراقب بود تا از تنش مکانیکی روی پایه‌ها در حین جابجایی و قرارگیری اجتناب شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

مشخصات بسته‌بندی استاندارد 500 قطعه در هر کیسه است. شش کیسه در یک کارتن داخلی ترکیب می‌شوند و ده کارتن داخلی یک کارتن حمل اصلی را تشکیل می‌دهند که در مجموع 30000 قطعه در هر کارتن اصلی می‌شود. برچسب محصول شامل فیلدهایی برای شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره قطعه سازنده (P/N)، مقدار بسته‌بندی (QTY) و اطلاعات ردیابی دسته (LOT No.) است.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

PD438C برای انواع کاربردهای اپتوالکترونیک بسیار مناسب است. سرعت بالای آن آن را برایآشکارسازی فوتوی پرسرعتدر لینک‌های ارتباط داده یا حس‌گری پالس ایده‌آل می‌کند. معمولاً درالکترونیک مصرفیمانند دوربین‌ها و دوربین‌های فیلمبرداری (VCRها، دوربین‌های ویدیویی) برای سیستم‌های فوکوس خودکار، نورسنجی یا تشخیص پایان نوار استفاده می‌شود. به عنوان یک سنسور قابل اطمینان درسوئیچ‌های اپتوالکترونیکو قطع‌کننده‌ها برای حس‌گری موقعیت، تشخیص شی و سیستم‌های انکودر چرخشی عمل می‌کند. فیلتر IR یکپارچه آن را به ویژه در سیستم‌های جفت شده با LEDهای مادون قرمز 940 نانومتر مؤثر می‌سازد و نور مرئی ناخواسته را فیلتر می‌کند.

7.2 ملاحظات طراحی

هنگام طراحی یک مدار با PD438C، چندین عامل باید در نظر گرفته شود. برایبهینه‌سازی سرعت، فوتودیود را با یک بایاس معکوس کافی (مثلاً 5 تا 10 ولت) به کار بگیرید تا ظرفیت پیوند به حداقل برسد و از یک مقاومت بار با مقدار کم استفاده کنید، همانطور که در منحنی زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار نشان داده شده است، اگرچه این با دامنه ولتاژ خروجی معاوضه می‌شود. پیکربندی تقویت‌کننده ترانسیمپدانس (TIA) اغلب برای تبدیل فوتوجریان کوچک به یک ولتاژ قابل استفاده در حالی که پهنای باند حفظ می‌شود ترجیح داده می‌شود. برایکاربردهای حساس به نویز، مشخصه جریان تاریک و وابستگی دمایی آن حیاتی است؛ ممکن است خنک‌کردن قطعه یا استفاده از تکنیک‌های آشکارسازی همزمان ضروری باشد. خطی بودن فوتوجریان با تابندگی، طراحی‌های اندازه‌گیری توان نوری را ساده می‌کند. اطمینان حاصل کنید که دیافراگم نوری و تراز برای جهت پکیج نمای جانبی صحیح است.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتودیودهای استاندارد بدون لنز یا فیلتر، PD438C به دلیلاپوکسی نیمه‌لنز و فیلترکننده IR یکپارچهمزیت متمایزی ارائه می‌دهد. این نیاز به یک فیلتر نوری جداگانه را حذف می‌کند، تعداد قطعات، پیچیدگی مونتاژ و هزینه را کاهش می‌دهد. پکیج نمای جانبی یک فرم فاکتور خاص است که چالش‌های یکپارچه‌سازی در طراحی‌های با محدودیت فضا که سنسورهای نمای بالا قابل استفاده نیستند را حل می‌کند. ترکیب سرعت نسبتاً بالا (50 نانوثانیه) و حساسیت خوب (18 میکروآمپر در 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع) آن، یک پروفایل عملکرد متعادل برای بسیاری از کاربردهای میان‌رده ارائه می‌دهد و آن را بین دستگاه‌های بسیار پرسرعت با حساسیت کم و فوتودیودهای کندتر با حساسیت بالا قرار می‌دهد.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: هدف از "نیمه‌لنز" چیست؟

پ: نیمه‌لنز به متمرکز کردن نور ورودی بر روی ناحیه فعال تراشه سیلیکونی کمک می‌کند، سطح جمع‌آوری مؤثر و در نتیجه پاسخ‌دهی (حساسیت) قطعه را در مقایسه با یک پنجره صاف افزایش می‌دهد.

س: چرا حساسیت اوج در 940 نانومتر است؟

پ: خواص جذب ذاتی سیلیکون در ناحیه نزدیک مادون قرمز به اوج می‌رسد. 940 نانومتر یک طول موج بسیار متداول برای فرستنده‌های مادون قرمز (LEDها) است، زیرا برای چشم انسان نامرئی است و به راحتی در دسترس است. اپوکسی برای مطابقت با این تنظیم شده است.

س: آیا باید از این فوتودیود در حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر) یا فوتوهادی (بایاس معکوس) استفاده کنم؟

پ: برای بالاترین سرعت و خطی بودن، حالت فوتوهادی (اعمال یک بایاس معکوس، مثلاً 5 ولت) توصیه می‌شود. این حالت ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد و ناحیه تخلیه را گسترش می‌دهد. حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر) نویز کمتری ارائه می‌دهد (بدون جریان تاریک) اما کندتر است.

س: دما چگونه بر عملکرد تأثیر می‌گذارد؟

پ: همانطور که در منحنی‌ها نشان داده شده است، جریان تاریک به طور قابل توجهی با دما افزایش می‌یابد که می‌تواند منبع نویز باشد. خود فوتوجریان نیز یک ضریب دمایی جزئی دارد. برای عملکرد پایدار، ممکن است در کاربردهای دقیق، جبران دمایی یا یک محیط کنترل‌شده ضروری باشد.

10. مثال‌های عملی طراحی و استفاده

مثال 1: سنسور مجاورت مادون قرمز:یک LED مادون قرمز با پالس‌های 940 نانومتر کار می‌کند. نور بازتاب شده توسط PD438C آشکار می‌شود. پکیج نمای جانبی اجازه می‌دهد هر دو فرستنده و گیرنده روی یک PCB قرار گیرند و در یک جهت روبرو شوند. فیلتر IR یکپارچه در PD438C به رد نور مرئی محیط کمک می‌کند و نسبت سیگنال به نویز سیگنال IR بازتاب شده را بهبود می‌بخشد. یک میکروکنترلر جریان فوتودیود را از طریق یک TIA اندازه‌گیری می‌کند تا حضور یا فاصله شی را تعیین کند.

مثال 2: سوئیچ نوری شکافی:PD438C در یک طرف یک براکت U شکل نصب می‌شود، در مقابل یک LED مادون قرمز در طرف دیگر. یک شی که از شکاف عبور می‌کند پرتو را قطع می‌کند. زمان پاسخ سریع (50 نانوثانیه) امکان تشخیص رویدادهای بسیار پرسرعت یا کدگذاری حرکت سریع را فراهم می‌کند.

11. معرفی اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمه‌هادی با یک ناحیه ذاتی (I) وسیع و کم‌دوپ شده است که بین یک ناحیه نوع P و یک ناحیه نوع N قرار گرفته است. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گاف باند نیمه‌هادی (برای سیلیکون، طول موج‌های کوتاه‌تر از حدود 1100 نانومتر) به دستگاه 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 فوتوجریان قابل اندازه‌گیری ایجاد می‌کنند که با شدت نور تابشی متناسب است. ناحیه ذاتی وسیع امکان حجم تخلیه بزرگتر را فراهم می‌کند که بازده کوانتومی (حساسیت) را بهبود می‌بخشد و ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد و امکان عملکرد با سرعت بالاتر در مقایسه با یک فوتودیود PN استاندارد را فراهم می‌کند.

12. روندها و تحولات صنعت

بازار فوتودیودهایی مانند PD438C همچنان توسط روندهای اتوماسیون، الکترونیک مصرفی و ارتباطات هدایت می‌شود. همواره فشار برایسرعت بالاتربرای پشتیبانی از انتقال داده سریع‌تر در لینک‌های نوری وجود دارد.حساسیت بهبود یافته(نویز کمتر، پاسخ‌دهی بالاتر) امکان کار با فرستنده‌های کم‌توان یا در فواصل طولانی‌تر را فراهم می‌کند.کوچک‌سازیروند کلیدی دیگری است که منجر به فوتودیودها در پکیج‌های نصب سطحی کوچکتر می‌شود. علاوه بر این، یکپارچه‌سازی در حال پیشرفت است، با دستگاه‌های بیشتری که فوتودیود، تقویت‌کننده و گاهی حتی منطق دیجیتال را در یک پکیج واحد ادغام می‌کنند (مثلاً آرایه‌های فوتودیود، سنسورهای نوری یکپارچه). PD438C با فیلتر نوری یکپارچه خود، گامی در این روند یکپارچه‌سازی نشان می‌دهد و فهرست مواد را برای طراحان سیستم ساده می‌کند.