PD333-3B/L4 Photodiode Datasheet - 5mm Semi-Lens - Silicon PIN - Black Package - English Technical Document

1. مرور کلی محصول

PD333-3B/L4 یک فوتودیود سیلیکونی PIN با سرعت بالا و حساسیت بالا است که در یک بسته پلاستیکی استوانه‌ای با نمای جانبی قرار دارد. ویژگی تعیین‌کننده آن، بسته اپوکسی یکپارچه است که به عنوان یک فیلتر مادون قرمز (IR) نیز عمل می‌کند و آن را از نظر طیفی با گسیل‌کننده‌های رایج IR هماهنگ می‌سازد. این یکپارچگی طراحی نوری را با کاهش نیاز به اجزای فیلتر خارجی ساده می‌کند. این دستگاه برای کاربردهایی طراحی شده است که به زمان پاسخ سریع و تشخیص قابل اطمینان نور مادون قرمز، به ویژه در محدوده طول موج 940 نانومتر، نیاز دارند.

مزایای کلیدی شامل زمان پاسخ سریع، حساسیت نوری بالا و ظرفیت اتصال کوچک آن است که برای یکپارچگی سیگنال در کاربردهای پرسرعت حیاتی هستند. این قطعه با مقررات RoHS و EU REACH مطابقت دارد و با استفاده از فرآیندهای بدون سرب تولید می‌شود که با استانداردهای زیست‌محیطی و ایمنی مدرن برای قطعات الکترونیکی همسو است.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این قطعه برای کار در محدوده‌های خاص محیطی و الکتریکی درجه‌بندی شده است تا اطمینان از قابلیت اطمینان و جلوگیری از آسیب را فراهم کند. حداکثر ولتاژ معکوس (VR) برابر با 32V است. درجه اتلاف توان (Pd) برابر با 150mW است. این قطعه می‌تواند دمای لحیم‌کاری پایه (Tsol) را تا 260 درجه سانتی‌گراد برای مدت زمان حداکثر 5 ثانیه تحمل کند که با فرآیندهای استاندارد لحیم‌کاری بازجریانی سازگار است. محدوده دمای کاری (Topr) از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد و محدوده دمای ذخیره‌سازی (Tstg) از 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد است که نشان‌دهنده عملکرد قوی در طیف گسترده‌ای از شرایط است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

عملکرد فوتودیود تحت شرایط استاندارد (Ta=25°C) مشخص می‌شود. پهنای باند طیفی آن (λ0.5) از 840 نانومتر تا 1100 نانومتر است و حساسیت اوج (λp) در 940 نانومتر قرار دارد. این ویژگی آن را برای استفاده با LEDهای مادون قرمز 940 نانومتری ایده‌آل می‌سازد. پارامترهای الکتریکی کلیدی شامل ولتاژ مدار باز (VOC) معمولی 0.42 ولت تحت تابش 5mW/cm² در 940 نانومتر و جریان اتصال کوتاه (ISC) معمولی 10µA تحت تابش 1mW/cm² در 940 نانومتر می‌باشد.

جریان نور معکوس (IL)، که همان جریان نوری تولید شده تحت بایاس معکوس است، به طور معمول 12µA می‌باشد (VR=5V, Ee=1mW/cm², λp=940nm). جریان تاریک (Id)، یک پارامتر حیاتی برای حساسیت در نور کم، حداکثر 10nA مشخص شده است (VR=10V). ولتاژ شکست معکوس (BVR) حداقل 32 ولت و مقدار معمول آن 170 ولت است. ظرفیت خروجی کل (Ct) به طور معمول در VR=5V و 1MHz برابر با 5pF است، که مقدار پایینی است و به قابلیت سرعت بالای دستگاه کمک می‌کند.

3. تحلیل منحنی عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که رفتار دستگاه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهند. این نمودارها برای مهندسان طراحی ضروری هستند تا عملکرد را در کاربردهای واقعی فراتر از شرایط آزمایش استاندارد پیش‌بینی کنند.

3.1 ویژگی‌های حرارتی و نوری

شکل 1 رابطه بین اتلاف توان مجاز و دمای محیط را نشان می‌دهد. با افزایش دما، حداکثر اتلاف توان مجاز به صورت خطی کاهش می‌یابد که یک ویژگی استاندارد کاهش ظرفیت برای دستگاه‌های نیمه‌هادی است. شکل 2 منحنی حساسیت طیفی را به تصویر می‌کشد که پاسخ اوج در 940nm و نقاط قطع تعریف شده در 840nm و 1100nm را تأیید می‌کند، جایی که حساسیت به نصف مقدار اوج خود کاهش می‌یابد.

3.2 جریان در مقابل روشنایی و دما

شکل ۳ نشان می‌دهد که چگونه جریان تاریک (Id) به صورت نمایی با افزایش دمای محیط افزایش می‌یابد. این یک ویژگی بنیادی اتصالات نیمه‌هادی است و برای کاربردهایی که در دمای بالا عمل می‌کنند حیاتی است، زیرا افزایش جریان تاریک، سطح نویز زمینه را بالا می‌برد. شکل ۴ رابطه خطی بین جریان نور معکوس (IL) و تابندگی (Ee) را نشان می‌دهد که تولید فوتوجریان قابل پیش‌بینی و خطی فوتودیود را اثبات می‌کند.

3.3 ظرفیت خازنی و زمان پاسخ

شکل ۵ ظرفیت خروجی را در برابر ولتاژ معکوس ترسیم می‌کند. ظرفیت با افزایش بایاس معکوس کاهش می‌یابد، رفتاری که در فوتودیودهای PIN معمول است. ظرفیت پایین‌تر، زمان‌های پاسخ سریع‌تر را ممکن می‌سازد. شکل ۶ رابطه بین زمان پاسخ و مقاومت بار را نشان می‌دهد. زمان پاسخ با مقاومت بار بالاتر به دلیل ثابت زمانی RC تشکیل‌شده توسط ظرفیت اتصال و بار خارجی افزایش می‌یابد. برای کاربردهای پرسرعت، معمولاً از یک مقاومت بار با مقدار کم (مثلاً ۵۰ اهم) استفاده می‌شود، اگرچه این کار دامنه سیگنال را در ازای سرعت معامله می‌کند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

PD333-3B/L4 در یک بسته استوانه‌ای نمای جانبی عرضه می‌شود. بدنه بسته خود سیاه است که به کاهش بازتاب‌های داخلی و تداخل نور پراکنده کمک می‌کند. طراحی "نیمه‌عدسی" به متمرکز کردن نور ورودی بر روی ناحیه سیلیکون فعال کمک کرده و حساسیت مؤثر را بهبود می‌بخشد. ابعاد دقیق بسته در برگه اطلاعات محصول ارائه شده و تمام اندازه‌ها بر حسب میلی‌متر است. تلرانس‌های بحرانی برای جایگذاری مکانیکی معمولاً ±۰.۲۵ میلی‌متر است. جهت‌گیری نمای جانبی به‌ویژه برای کاربردهایی که مسیر نور موازی با سطح PCB است، مانند حسگرهای شکافی یا سیستم‌های تشخیص لبه، مفید است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این قطعه برای فرآیندهای استاندارد مونتاژ PCB مناسب است. حداکثر دمای مجاز مطلق برای لحیم‌کاری پایه‌ها 260 درجه سانتی‌گراد است. بسیار حیاتی است که زمان لحیم‌کاری در این دما از 5 ثانیه تجاوز نکند تا از آسیب به پکیج پلاستیکی یا تراشه نیمه‌هادی داخلی جلوگیری شود. پروفایل‌های استاندارد لحیم‌کاری بازجریانی IR یا موجی که برای مونتاژهای بدون سرب استفاده می‌شوند، عموماً قابل اعمال هستند. جابجایی صحیح برای جلوگیری از آلودگی سطح لنز برای حفظ عملکرد نوری ضروری است. انبارش باید در محدوده دمایی مشخص شده 40- تا 100+ درجه سانتی‌گراد در محیطی خشک انجام شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش‌دهی

مشخصات استاندارد بسته‌بندی 500 قطعه در هر کیسه، 5 کیسه در هر جعبه و 10 جعبه در هر کارتن است. این بسته‌بندی فله‌ای معمولاً برای خطوط مونتاژ خودکار استفاده می‌شود. برچسب روی بسته‌بندی شامل اطلاعات حیاتی برای ردیابی و تأیید است: شماره تولید مشتری (CPN)، شماره قطعه (P/N)، تعداد بسته‌بندی (QTY)، رتبه‌های کیفیت (CAT)، طول موج اوج (HUE)، یک کد مرجع (REF) و شماره سری ساخت. ماه تولید نیز مشخص شده است. کاربران باید اطلاعات برچسب را با سوابق داخلی خود و مشخصات برگه داده مقایسه کنند.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی معمول

The PD333-3B/L4 برای چندین کاربرد کلیدی بسیار مناسب است. به عنوان یک high-speed photo detector, می‌توان از آن در پیوندهای ارتباط داده‌ای با استفاده از نور مادون قرمز، اسکنرهای بارکد یا سیستم‌های تشخیص پالس استفاده کرد. ادغام آن در دوربین‌ها می‌تواند برای سیستم‌های کمک فوکوس خودکار یا نورسنجی باشد. در کلیدهای نوری‌الکترونیکی، نیمه گیرنده یک قطعکننده نوری یا حسگر بازتابی را تشکیل میدهد که معمولاً در چاپگرها، انکودرها و پردههای ایمنی یافت میشود. استفاده از آن در دستگاههای ویسیآر و دوربینهای فیلمبرداری بهطور تاریخی مربوط به حسگرهای انتهای نوار یا گیرندههای کنترل از راه دور بود، اگرچه اصول مشابهی در الکترونیک مصرفی مدرن نیز اعمال میشود.

7.2 ملاحظات طراحی

هنگام طراحی با این فوتودیود، چندین عامل باید در نظر گرفته شوند. برای بایاسبه طور معمول در بایاس معکوس (حالت فوتوکانداکتیو) کار می‌کند تا سرعت و خطی بودن بهبود یابد، اگرچه حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر) می‌تواند برای کاربردهای کم‌نویز استفاده شود. انتخاب operational amplifier در مدار تقویت کننده‌ی ترانسیمپدانس (TIA) حیاتی است؛ باید جریان بایاس ورودی کم و نویز پایینی داشته باشد تا از تخریب سیگنال فوتودیود با جریان تاریک کم جلوگیری شود. ویژگی IR-filtering property بسته‌بندی مفید است اما طراحان باید اطمینان حاصل کنند که طول موج منبع (مثلاً 940 نانومتر) با حساسیت اوج هم‌راستا باشد. برای عملکرد پرسرعت، چیدمان دقیق PCB برای به حداقل رساندن ظرفیت و القای پارازیتی در نود فوتودیود ضروری است.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتودیودهای استاندارد بدون لنز یا فیلتر یکپارچه، PD333-3B/L4 یک راه‌حل نوری فشرده‌تر و ساده‌تر ارائه می‌دهد. فیلتر مادون قرمز داخلی نیاز به یک قطعه فیلتر جداگانه را از بین می‌برد و در فضا، هزینه و پیچیدگی مونتاژ صرفه‌جویی می‌کند. بسته‌بندی نمای جانبی آن نسبت به بسته‌بندی‌های نمای بالا برای هندسه‌های مسیر نوری خاص، یک مزیت مکانیکی متمایز ارائه می‌دهد. ترکیب ولتاژ شکست نسبتاً بالا (حداقل 32 ولت، معمولاً 170 ولت) و جریان تاریک پایین، تعادل مطلوبی برای بسیاری از کاربردهای سنجش صنعتی است که به نسبت سیگنال به نویز خوب و عملکرد قوی نیاز دارند.

9. سوالات متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: اهمیت حساسیت اوج در 940 نانومتر چیست؟
A: 940nm طول موج بسیار رایجی برای LEDهای مادون قرمز است زیرا برای چشم انسان نامرئی بوده و انتقال جوی خوبی دارد. تطبیق پاسخ اوج فوتودیود با طول موج فرستنده، قدرت سیگنال و بازدهی سیستم را به حداکثر می‌رساند.

Q: مشخصه جریان تاریک چگونه بر طراحی من تأثیر می‌گذارد؟
A: جریان تاریک منبع اصلی نویز در یک فوتودیود در هنگام عدم وجود نور است. جریان تاریک پایین (حداکثر 10nA برای این قطعه) به این معنی است که حسگر می‌تواند سیگنال‌های نوری بسیار ضعیف را بدون آنکه توسط نویز داخلی خودش تحت الشعاع قرار گیرد، تشخیص دهد که حساسیت و محدوده دینامیکی را بهبود می‌بخشد.

Q: آیا می‌توانم از این برای تشخیص نور مرئی استفاده کنم؟
A> The integrated epoxy package acts as an IR filter, significantly attenuating visible light. Therefore, this specific variant is not suitable for applications requiring sensitivity in the visible spectrum. For visible light detection, a clear or differently filtered package would be required.

Q: برای دستیابی به سرعت بهینه، باید از چه مقاومت بار استفاده کنم؟
A> Referencing Figure 6, for the fastest response time (in the nanosecond range), a low load resistance (e.g., 50Ω to 100Ω) is necessary. However, this produces a smaller voltage signal. A transimpedance amplifier circuit is often the best solution, providing both high speed and good signal gain.

10. مورد عملی طراحی

مورد: طراحی یک حسگر مجاورت مادون قرمز
در یک حسگر مجاورت معمولی، یک LED مادون قرمز نور را پالس‌ می‌کند و PD333-3B/L4 نور بازتاب‌شده از یک شیء را تشخیص می‌دهد. فیلتر مادون قرمز داخلی در اینجا حیاتی است، زیرا نور مرئی محیطی (مثلاً از نور اتاق) را که می‌تواند حسگر را اشباع کند یا باعث راه‌اندازی کاذب شود، مسدود می‌کند. زمان پاسخگویی سریع، پالس‌زنی سریع LED را ممکن می‌سازد و تشخیص سریع و همچنین امکان اندازه‌گیری فاصله از طریق روش‌های زمان پرواز یا تغییر فاز در سیستم‌های پیشرفته‌تر را فراهم می‌کند. بسته‌بندی نمای جانبی اجازه می‌دهد تا هم LED و هم فوتودیود بر روی یک صفحه PCB یکسان و در یک جهت نصب شوند که برای حسگری بازتابی ایده‌آل است. یک مدار ساده شامل بایاس معکوس فوتودیود با 5 ولت از طریق یک مقاومت بزرگ و استفاده از یک مقایسه‌گر یا تقویت‌کننده پرسرعت برای تشخیص پالس جریان تولیدشده در هنگام وجود نور بازتاب‌شده خواهد بود.

11. Operating Principle Introduction

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمهرسانا است که دارای یک ناحیه ذاتی (I) وسیع و کم‌دوپ شده است که بین یک ناحیه نوع p (P) و یک ناحیه نوع n (N) قرار گرفته است. هنگامی که بایاس معکوس اعمال می‌شود، این ساختار یک ناحیه تخلیه بزرگ ایجاد می‌کند. فوتون‌های فرودی بر روی دستگاه با انرژی بیشتر از شکاف نواری نیمهرسانا، جفت‌های الکترون-حفره را درون این ناحیه تخلیه ایجاد می‌کنند. میدان الکتریکی قوی ناشی از بایاس معکوس، این حامل‌ها را به سرعت از هم جدا کرده و باعث رانش آن‌ها به سوی کنتاکت‌های مربوطه می‌شود و در نتیجه یک جریان نوری متناسب با شدت نور فرودی تولید می‌شود. ناحیه ذاتی وسیع، ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد (امکان سرعت بالا را فراهم می‌کند) و حجم جذب فوتون را افزایش می‌دهد (حساسیت را بهبود می‌بخشد)، به ویژه برای طول‌موج‌های بلندتر مانند مادون قرمز که عمق نفوذ بیشتر است.

12. Technology Trends

روند فناوری فوتودیود همچنان به سمت یکپارچگی بالاتر، نویز کمتر و عملکرد بیشتر پیش میرود. این شامل یکپارچهسازی مدارهای تقویت و تنظیم سیگنال روی همان تراشه یا درون یک بستهبندی مشابه (مانند ترکیبهای فوتودیود-تقویتکننده) میشود. همچنین تلاش برای تولید دستگاههایی با جریان تاریک و ظرفیت خازنی حتی پایینتر برای کاربردها در ابزار دقیق علمی، تصویربرداری پزشکی و LiDAR وجود دارد. استفاده از موادی فراتر از سیلیکون، مانند InGaAs، حساسیت را بیشتر به سمت فروسرخ برای مخابرات و حسگری گاز گسترش میدهد. علاوه بر این، نوآوریهای بستهبندی با هدف ارائه ویژگیهای نوری دقیقتر، مانند لنزهای با میدان دید (FOV) تعریفشده و فیلترکردن حتی مؤثرتر مستقیماً درون بستهبندی، همانطور که در PD333-3B/L4 مشاهده میشود، صورت میگیرد.