دیتاشیت فنی فوتودیود سیلیکونی PIN مدل PD438B با قطر 4.8 میلی‌متر و لنز سیاه

1. مرور کلی محصول

PD438B یک فوتودیود سیلیکونی PIN با عملکرد بالا است که برای کاربردهای نیازمند پاسخ سریع و حساسیت زیاد به نور مادون قرمز طراحی شده است. این قطعه در یک پکیج پلاستیکی استوانه‌ای سایدویو فشرده با قطر 4.8 میلی‌متر قرار دارد. یک ویژگی کلیدی این دستگاه، پکیج اپوکسی آن است که به گونه‌ای فرموله شده تا به عنوان یک فیلتر مادون قرمز (IR) یکپارچه عمل کند. این فیلتر داخلی از نظر طیفی با منابع نوری IR متداول هماهنگ است و با عبور انتخابی طول موج هدف IR و تضعیف نور مرئی ناخواسته، نسبت سیگنال به نویز را بهبود می‌بخشد.

مزایای اصلی PD438B شامل زمان پاسخ سریع، حساسیت نوری بالا و ظرفیت پیوند کوچک است که آن را برای مدارهای آشکارسازی پرسرعت مناسب می‌سازد. این دستگاه با استفاده از مواد بدون سرب (Pb-free) ساخته شده و با مقررات زیست‌محیطی مرتبط مانند RoHS و EU REACH مطابقت دارد که مناسب بودن آن را برای تولید الکترونیک مدرن تضمین می‌کند.

بازارها و کاربردهای اصلی هدف این فوتودیود در الکترونیک مصرفی و حسگرهای صنعتی است. این قطعه به‌طور ایده‌آل برای استفاده به عنوان یک آشکارساز نوری پرسرعت در سیستم‌هایی مانند دوربین‌ها، دستگاه‌های VCR و دوربین‌های فیلم‌برداری مناسب است. ویژگی‌های آن همچنین آن را به یک جزء قابل اعتماد در انواع کلیدزنی‌ها و ماژول‌های حسگری اپتوالکترونیک تبدیل می‌کند که در آن‌ها تشخیص دقیق سیگنال‌های IR حیاتی است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این دستگاه برای کارکرد قابل اعتماد در محدوده‌های مشخص شده محیطی و الکتریکی طراحی شده است. تجاوز از این مقادیر حداکثر مطلق ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• ولتاژ معکوس (VR):32 ولت. این حداکثر ولتاژی است که می‌توان به صورت بایاس معکوس به ترمینال‌های فوتودیود اعمال کرد.
• اتلاف توان (Pd):150 میلی‌وات. این ریتینگ توان کل قابل تحمل توسط دستگاه را در نظر می‌گیرد که عمدتاً ناشی از جریان نشتی معکوس تحت بایاس است.
• دمای عملیاتی (Topr):40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. محدوده تضمین شده عملکرد فوتودیود در حین کارکرد عادی.
• دمای ذخیره‌سازی (Tstg):40- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس. محدوده دمای ایمن برای دستگاه هنگامی که روشن نیست.
• دمای لحیم‌کاری (Tsol):260 درجه سلسیوس برای حداکثر مدت 5 ثانیه. این محدودیت‌های پروفیل لحیم‌کاری ریفلو را برای جلوگیری از آسیب به پکیج اپوکسی و تراشه نیمه‌هادی تعریف می‌کند.

2.2 مشخصه‌های الکترواپتیکی

این پارامترها که در دمای استاندارد 25 درجه سلسیوس اندازه‌گیری شده‌اند، عملکرد اصلی فوتودیود PD438B را تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ0.5):400 نانومتر تا 1100 نانومتر. این محدوده طول موجی را تعریف می‌کند که در آن پاسخ‌دهی فوتودیود حداقل نصف مقدار پیک آن است. این موضوع حساسیت از نور آبی مرئی تا مادون قرمز نزدیک را تأیید می‌کند.
• طول موج حساسیت پیک (λp):940 نانومتر (مقدار معمول). فوتودیود در این طول موج بیشترین حساسیت را به نور مادون قرمز دارد که برای بسیاری از LEDهای IR و سیستم‌های کنترل از راه دور استاندارد است.
• ولتاژ مدار باز (VOC):0.35 ولت (مقدار معمول) تحت تابندگی (Ee) معادل 5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر. این ولتاژ تولید شده توسط فوتودیود در حالت فوتوولتائیک (بدون بایاس خارجی) تحت شرایط نوری مشخص است.
• جریان اتصال کوتاه (ISC):18 میکروآمپر (مقدار معمول) تحت 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر. این جریان نوری تولید شده هنگامی است که ترمینال‌های دیود اتصال کوتاه شده‌اند و حداکثر خروجی جریان آن برای یک سطح نوری معین را نشان می‌دهد.
• جریان نور معکوس (IL):18 میکروآمپر (مقدار معمول) در VR=5 ولت تحت 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر. این جریان نوری اندازه‌گیری شده هنگامی است که دیود تحت بایاس معکوس قرار دارد که حالت عملیاتی استاندارد برای پاسخ سریع و خطی است.
• جریان تاریک (Id):5 نانوآمپر (مقدار معمول)، 30 نانوآمپر (حداکثر) در VR=10 ولت در تاریکی کامل. این جریان نشتی کوچکی است که حتی در صورت عدم وجود نور نیز جریان می‌یابد. جریان تاریک پایین برای تشخیص سیگنال‌های نور ضعیف بسیار مهم است.
• ولتاژ شکست معکوس (BVR):170 ولت (مقدار معمول)، 32 ولت (حداقل). ولتاژی که در آن جریان معکوس به شدت افزایش می‌یابد. ولتاژ معکوس عملیاتی باید همیشه به میزان قابل توجهی کمتر از این مقدار نگه داشته شود.
• ظرفیت خازنی کل (Ct):25 پیکوفاراد (مقدار معمول) در VR=3 ولت و فرکانس 1 مگاهرتز. این ظرفیت پیوند به طور مستقیم بر سرعت دستگاه تأثیر می‌گذارد؛ ظرفیت خازنی کمتر امکان زمان پاسخ سریع‌تر را فراهم می‌کند.
• زمان صعود/سقوط (tr/tf):50 نانوثانیه / 50 نانوثانیه (مقدار معمول) با VR=10 ولت و مقاومت بار (RL) معادل 1 کیلواهم. این پارامترها مشخص می‌کنند که خروجی جریان فوتودیود با چه سرعتی می‌تواند در پاسخ به یک پالس نور تغییر کند و قابلیت پرسرعت آن را تعریف می‌کنند.

تلرانس‌های پارامترهای کلیدی مشخص شده است: شدت نور (±10%)، طول موج غالب (±1 نانومتر)، و ولتاژ مستقیم (±0.1 ولت) که ثبات در دسته‌های تولید را تضمین می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

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

3.1 حساسیت طیفی

منحنی پاسخ طیفی، حساسیت نسبی فوتودیود را در طول‌موج‌های مختلف نشان می‌دهد. این منحنی به دلیل اپوکسی فیلترکننده IR یکپارچه، به طور مشخص در حدود 940 نانومتر به پیک می‌رسد و حساسیت آن در طیف مرئی (700-400 نانومتر) به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. این منحنی برای اطمینان از هماهنگی آشکارساز با طول‌موج منبع نور بسیار حیاتی است.

3.2 جریان تاریک در مقابل دمای محیط

این منحنی معمولاً افزایش نمایی جریان تاریک (Id) را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. طراحان باید این افزایش سطح نویز زمینه را در کاربردهای با دمای بالا یا هنگام تشخیص سیگنال‌های نور بسیار کم در نظر بگیرند.

3.3 جریان نور معکوس در مقابل تابندگی (Ee)

این نمودار رابطه خطی بین توان نور فرودی (تابندگی) و جریان نوری تولید شده (IL) را هنگامی که دیود تحت بایاس معکوس است، نشان می‌دهد. خطی بودن یک ویژگی کلیدی فوتودیودهای PIN است که آن‌ها را برای کاربردهای اندازه‌گیری نور مناسب می‌سازد.

3.4 ظرفیت خازنی ترمینال در مقابل ولتاژ معکوس

ظرفیت پیوند (Ct) با افزایش ولتاژ بایاس معکوس (VR) کاهش می‌یابد. این منحنی به طراحان اجازه می‌دهد تا یک ولتاژ بایاس عملیاتی را انتخاب کنند که تعادل بهینه‌ای بین سرعت (ظرفیت کمتر در ولتاژ بالاتر) و مصرف توان/گرمایش ایجاد کند.

3.5 زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار

زمان صعود/سقوط (tr/tf) تحت تأثیر ثابت زمانی RC تشکیل شده از ظرفیت پیوند فوتودیود و مقاومت بار خارجی (RL) قرار دارد. این منحنی نشان می‌دهد که چگونه زمان پاسخ با مقاومت‌های بار بزرگتر افزایش می‌یابد و انتخاب RL را برای سرعت مورد نظر در مدارهای تقویت کننده ترانسمپدانسی هدایت می‌کند.

3.6 اتلاف توان در مقابل دمای محیط

این منحنی کاهش ریتینگ، حداکثر اتلاف توان مجاز را به عنوان تابعی از دمای محیط نشان می‌دهد. با افزایش دما، حداکثر توان ایمنی که دستگاه می‌تواند تحمل کند به صورت خطی کاهش می‌یابد که این امر برای مدیریت حرارتی در طراحی سیستم حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

PD438B در یک پکیج استوانه‌ای سایدویو با قطر اسمی 4.8 میلی‌متر قرار دارد. نقشه مکانیکی دقیق در دیتاشیت تمام ابعاد حیاتی از جمله قطر بدنه، طول، فاصله پایه‌ها و قطر پایه را ارائه می‌دهد. یک تلرانس استاندارد ±0.25 میلی‌متر برای تمام ابعاد پکیج اعمال می‌شود مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. پیکربندی سایدویو برای کاربردهایی طراحی شده است که مسیر نور موازی با سطح PCB است.

4.2 شناسایی قطبیت

فوتودیود یک قطعه قطبی است. کاتد معمولاً توسط یک پایه بلندتر، یک نقطه صاف روی پکیج یا یک علامت خاص شناسایی می‌شود. نمودار پکیج در دیتاشیت به وضوح اتصالات آند و کاتد را نشان می‌دهد که باید در حین مونتاژ رعایت شوند تا بایاس صحیح (بایاس معکوس برای کارکرد عادی) تضمین شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

برای حفظ قابلیت اطمینان و جلوگیری از آسیب در فرآیند مونتاژ، باید شرایط لحیم‌کاری خاصی رعایت شود.

• لحیم‌کاری ریفلو:این قطعه برای مونتاژ سطحی با استفاده از تکنیک‌های لحیم‌کاری ریفلو مناسب است. دمای پیک لحیم‌کاری نباید از 260 درجه سلسیوس تجاوز کند و زمان بالاتر از این دما باید به 5 ثانیه یا کمتر محدود شود تا از آسیب حرارتی به پکیج اپوکسی و تراشه نیمه‌هادی جلوگیری شود.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، باید از هویه کنترل دمایی استفاده شود. زمان تماس با پایه‌ها باید به حداقل برسد و استفاده از هیت‌سینک روی پایه بین اتصال و بدنه پکیج توصیه می‌شود.
• شرایط نگهداری:دستگاه‌ها باید در کیسه‌های اصلی ضد رطوبت خود در محیطی کنترل شده در محدوده دمای ذخیره‌سازی 40- تا 100+ درجه سلسیوس و با رطوبت کم نگهداری شوند تا از اکسیداسیون پایه‌ها جلوگیری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات بسته‌بندی

جریان استاندارد بسته‌بندی برای PD438B به شرح زیر است: 500 قطعه در یک کیسه ضد استاتیک بسته‌بندی می‌شوند. شش عدد از این کیسه‌ها سپس در یک کارتن داخلی قرار می‌گیرند. در نهایت، ده کارتن داخلی در یک کارتن اصلی حمل و نقل (خارجی) بسته‌بندی می‌شوند که در مجموع 30,000 قطعه در هر کارتن اصلی می‌شود.

6.2 مشخصات برچسب

برچسب روی بسته‌بندی حاوی چندین شناسه کلیدی است:

• CPN:شماره محصول مشتری (در صورت اختصاص).
• P/N:شماره محصول سازنده (PD438B).
• QTY:تعداد دستگاه‌های موجود در بسته.
• CAT, HUE, REF:کدهایی که به ترتیب نشان‌دهنده رتبه شدت نور، رتبه طول موج غالب و رتبه ولتاژ مستقیم برای محصولاتی هستند که دسته‌بندی شده‌اند.
• LOT No:شماره دسته تولید قابل ردیابی.

این برچسب‌گذاری، قابلیت ردیابی و مدیریت صحیح مواد را در سراسر زنجیره تأمین تضمین می‌کند.

7. نکات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 مدارهای کاربردی متداول

PD438B معمولاً در یکی از دو پیکربندی مدار زیر استفاده می‌شود:

1. حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر):فوتودیود مستقیماً به یک بار با امپدانس بالا (مانند ورودی یک آپ‌آمپ) متصل می‌شود. این حالت حداقل جریان تاریک و نویز را ارائه می‌دهد اما پاسخ کندتر و خطی‌ت کمتری دارد. برای اندازه‌گیری نور کم‌سرعت و دقیق مناسب است.
2. حالت فوتوکانداکتیو (بایاس معکوس):فوتودیود به گونه‌ای متصل می‌شود که کاتد به یک ولتاژ مثبت و آند به یک زمین مجازی (مانند ورودی معکوس کننده یک تقویت کننده ترانسمپدانسی) وصل شود. این حالت توصیه شده برای PD438B برای بهره‌گیری از قابلیت‌های پرسرعت آن است. بایاس معکوس ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد (سرعت را افزایش می‌دهد) و خطی‌ت را بهبود می‌بخشد. مقدار مقاومت فیدبک در تقویت کننده ترانسمپدانسی، بهره را تنظیم می‌کند (Vout = Iphoto * Rfeedback).

7.2 ملاحظات طراحی

• انتخاب ولتاژ بایاس:یک ولتاژ بایاس معکوس (مثلاً 5 تا 10 ولت) انتخاب کنید که تعادل خوبی بین سرعت (ظرفیت کمتر) و مصرف توان ایجاد کند. از حداکثر ولتاژ معکوس 32 ولت تجاوز نکنید.
• انتخاب تقویت کننده:برای کاربردهای پرسرعت، PD438B را با یک تقویت کننده عملیاتی کم‌نویز و پهنای باند بالا که به صورت یک تقویت کننده ترانسمپدانسی پیکربندی شده است، جفت کنید. جریان بایاس ورودی و نویز ولتاژ تقویت کننده باید کم باشد تا سیگنال فوتودیود را تخریب نکند.
• چیدمان PCB:فوتودیود و تقویت کننده مرتبط با آن را نزدیک به هم نگه دارید تا ظرفیت پارازیتی و دریافت نویز روی نود حساس با امپدانس بالا به حداقل برسد. از یک حلقه محافظ متصل به یک نقطه با امپدانس پایین (مانند خروجی تقویت کننده یا یک صفحه زمین) در اطراف اتصال آند فوتودیود استفاده کنید تا جریان‌های نشتی کاهش یابد.
• هم‌راستایی نوری:از هم‌راستایی مکانیکی مناسب بین منبع نور IR و فوتودیود اطمینان حاصل کنید. پکیج سایدویو برای این منظور طراحی شده است. استفاده از یک لوله یا مانع برای مسدود کردن نور محیط و کراس‌تاک را در نظر بگیرید.

8. مقایسه و تمایز فنی

PD438B از طریق چندین ویژگی کلیدی خود را در بازار متمایز می‌کند:

• فیلتر IR یکپارچه:خود پکیج اپوکسی به عنوان فیلتر عمل می‌کند و نیاز به یک قطعه فیلتر جداگانه را از بین می‌برد، تعداد قطعات، هزینه را کاهش می‌دهد و مونتاژ را ساده می‌سازد.
• پکیج سایدویو:فرم فاکتور استوانه‌ای سایدویو برای کاربردهایی که مسیر نور موازی با PCB اجرا می‌شود، مانند سنسورهای شکافی، سیستم‌های حسگری لبه و انواع خاصی از انکودرها ایده‌آل است.
• عملکرد متعادل:این قطعه ترکیب متعادلی از سرعت (50 نانوثانیه)، حساسیت (18 میکروآمپر در 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع) و جریان تاریک پایین ارائه می‌دهد که آن را به انتخابی همه‌کاره برای طیف گسترده‌ای از وظایف تشخیص IR با سرعت متوسط تا بالا تبدیل می‌کند.
• مطابقت زیست‌محیطی:ساختار بدون سرب و مطابقت آن با RoHS و REACH آن را برای بازارهای جهانی با مقررات سخت زیست‌محیطی مناسب می‌سازد.

در مقایسه با فوتودیودهای بزرگتر، فضای اشغالی کمتری ارائه می‌دهد. در مقایسه با فوتودیودهای بدون فیلتر، حذف برتر نویز نور مرئی محیطی را فراهم می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (FAQ)

سوال 1: هدف لنز اپوکسی سیاه چیست؟

پاسخ 1: اپوکسی سیاه فقط برای ظاهر نیست؛ به گونه‌ای فرموله شده که یک فیلتر مادون قرمز مؤثر باشد. این لنز طول موج هدف IR (با پیک در 940 نانومتر) را عبور می‌دهد در حالی که بخش زیادی از نور مرئی را جذب می‌کند و به طور قابل توجهی تداخل از منابع نور محیطی مانند نور اتاق را کاهش می‌دهد.

سوال 2: آیا باید PD438B را با یا بدون ولتاژ بایاس معکوس به کار برد؟

پاسخ 2: برای عملکرد پرسرعت (همانطور که زمان صعود 50 نانوثانیه‌ای آن نشان می‌دهد)، اکیداً توصیه می‌شود PD438B را در حالت فوتوکانداکتیو با بایاس معکوس، معمولاً بین 5 تا 10 ولت، به کار برد. این کار ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد و خطی‌ت و سرعت را بهبود می‌بخشد.

سوال 3: چگونه جریان نوری را به یک سیگنال ولتاژ قابل استفاده تبدیل کنم؟

پاسخ 3: متداول‌ترین و مؤثرترین روش، استفاده از مدار تقویت کننده ترانسمپدانسی (TIA) است. فوتودیود بین ورودی معکوس کننده و خروجی یک آپ‌آمپ متصل می‌شود و یک مقاومت فیدبک بهره را تعیین می‌کند (Vout = -Iphoto * Rf). اغلب یک خازن فیدبک کوچک به موازات مقاومت اضافه می‌شود تا مدار پایدار شود و پهنای باند محدود گردد.

سوال 4: اهمیت پارامتر "جریان تاریک" چیست؟

پاسخ 4: جریان تاریک، جریان کوچکی است که هنگامی که فوتودیود در تاریکی کامل و تحت بایاس معکوس قرار دارد، از آن عبور می‌کند. این جریان به عنوان یک منبع نویز عمل می‌کند. جریان تاریک پایین‌تر (5 نانوآمپر مقدار معمول برای PD438B) به این معنی است که دستگاه می‌تواند سیگنال‌های نور ضعیف‌تر را بدون اینکه سیگنال توسط نویز خودش پوشانده شود، تشخیص دهد.

سوال 5: آیا می‌توان از این فوتودیود برای تشخیص نور مرئی استفاده کرد؟

پاسخ 5: اگرچه محدوده طیفی آن از 400 نانومتر (بنفش) شروع می‌شود، اما حساسیت آن در طیف مرئی به شدت توسط لنز اپوکسی فیلترکننده IR تضعیف می‌شود. حساسیت پیک آن به طور قطع در مادون قرمز در 940 نانومتر است. برای تشخیص اولیه نور مرئی، یک فوتودیود بدون پکیج فیلترکننده IR مناسب‌تر خواهد بود.

10. اصول 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 گپ انرژی نیمه‌هادی به دستگاه برخورد می‌کنند، در ناحیه ذاتی جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. تحت تأثیر میدان الکتریکی بایاس معکوس خارجی، این حامل‌های بار از هم جدا می‌شوند و یک جریان نوری تولید می‌کنند که با شدت نور فرودی متناسب است. ناحیه ذاتی وسیع امکان چندین مزیت را فراهم می‌کند: یک ناحیه تخلیه بزرگتر برای جذب فوتون ایجاد می‌کند (حساسیت را افزایش می‌دهد)، ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد (سرعت را افزایش می‌دهد) و امکان کار در ولتاژهای معکوس بالاتر را فراهم می‌سازد. PD438B از سیلیکون استفاده می‌کند که گپ انرژی آن برای تشخیص نور از طیف مرئی تا مادون قرمز نزدیک مناسب است.

11. سلب مسئولیت و نکات استفاده

اطلاعات موجود در این سند فنی ممکن است بدون اطلاع قبلی تغییر کند. نمودارها و مقادیر معمول ارائه شده برای راهنمایی طراحی هستند و مشخصات تضمین شده را نشان نمی‌دهند. هنگام پیاده‌سازی این قطعه، طراحان باید به شدت به مقادیر حداکثر مطلق پایبند باشند تا از خرابی دستگاه جلوگیری شود. سازنده هیچ مسئولیتی در قبال هرگونه خسارت ناشی از استفاده از این محصول خارج از شرایط عملیاتی مشخص شده آن نمی‌پذیرد. این محصول بدون مشاوره قبلی و صلاحیت‌یابی خاص، برای استفاده در کاربردهای حیاتی ایمنی، پشتیبانی حیات، نظامی، خودرویی یا هوافضا در نظر گرفته نشده است.