دیتاشیت فوتودیود سیلیکونی PIN نیمه‌لنزی PD438C/S46 با قطر 4.8 میلی‌متر - ولتاژ معکوس 32 ولت - حساسیت اوج 940 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD438C/S46 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 فشرده با نمای جانبی و قطر 4.8 میلی‌متر قرار دارد. یک ویژگی کلیدی این دستگاه این است که بدنه اپوکسی خود به عنوان یک فیلتر مادون قرمز (IR) یکپارچه عمل می‌کند که از نظر طیفی با فرستنده‌های IR رایج مطابقت دارد و عملکرد آن را در سیستم‌های تشخیص IR با فیلتر کردن نور مرئی ناخواسته بهبود می‌بخشد.

این فوتودیود با زمان پاسخ سریع، حساسیت نوری بالا و ظرفیت خازنی اتصال کوچک مشخص می‌شود که آن را برای تشخیص نوری پرسرعت مناسب می‌سازد. این قطعه با استفاده از مواد بدون سرب ساخته شده و با مقررات زیست‌محیطی مرتبط مطابقت دارد.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 محدوده‌های مطلق حداکثر

دستگاه برای کارکرد قابل اطمینان در محدوده‌های مشخص شده طراحی شده است. تجاوز از این محدوده‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• ولتاژ معکوس (V_R):32 ولت - حداکثر ولتاژی که می‌توان به صورت بایاس معکوس در پایانه‌های فوتودیود اعمال کرد.
• اتلاف توان (P_d):150 میلی‌وات - حداکثر توانی که دستگاه می‌تواند تحت شرایط مشخص شده، عمدتاً به صورت گرما، تلف کند.
• دمای کارکرد (T_opr):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمای محیطی که دستگاه تضمین می‌شود مشخصات منتشر شده خود را برآورده کند.
• دمای ذخیره‌سازی (T_stg):40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمایی برای ذخیره‌سازی ایمن هنگامی که دستگاه روشن نیست.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد برای مدت زمانی که از 5 ثانیه تجاوز نکند، که برای فرآیندهای لحیم‌کاری بازجوشی بدون سرب معمول است.

2.2 مشخصه‌های الکترواپتیکی

این پارامترها در دمای محیط (T_a) 25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شده و عملکرد اصلی فوتودیود را تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ_0.5):840 نانومتر تا 1100 نانومتر. این محدوده طول موج‌هایی را تعریف می‌کند که پاسخ‌دهی فوتودیود حداقل نصف مقدار اوج آن است. این قطعه عمدتاً در ناحیه مادون قرمز نزدیک حساس است.
• طول موج حساسیت اوج (λ_p):940 نانومتر (معمولی). طول موج نوری که فوتودیود در آن بیشترین حساسیت را دارد. این با طول موج تابش رایج بسیاری از LEDهای IR مطابقت دارد.
• ولتاژ مدار باز (V_OC):0.35 ولت (معمولی) هنگامی که با تابندگی (E_e) 5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر روشن می‌شود. این ولتاژ تولید شده توسط فوتودیود بدون بار خارجی است.
• جریان اتصال کوتاه (I_SC):18 میکروآمپر (معمولی) در E_e= 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، λ_p=940 نانومتر. این جریان نوری است هنگامی که خروجی اتصال کوتاه شده باشد.
• جریان نور معکوس (I_L):18 میکروآمپر (معمولی، حداقل 10.2 میکروآمپر) در E_e= 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، λ_p=940 نانومتر، و ولتاژ بایاس معکوس (V_R) 5 ولت. این پارامتر عملیاتی اصلی در حالت هدایت نوری است.
• جریان تاریک (I_d):5 نانوآمپر (معمولی، حداکثر 30 نانوآمپر) در V_R= 10 ولت در تاریکی کامل. این جریان نشتی کوچکی است که حتی در صورت عدم وجود نور نیز جریان می‌یابد و یک پارامتر کلیدی برای نسبت سیگنال به نویز است.
• ولتاژ شکست معکوس (BV_R):حداقل 32 ولت، معمولی 170 ولت، اندازه‌گیری شده در جریان معکوس 100 میکروآمپر. این نشان‌دهنده ولتاژی است که در آن اتصال شکسته می‌شود.
• ظرفیت خازنی کل (C_t):18 پیکوفاراد (معمولی) در V_R= 3 ولت و فرکانس تست 1 مگاهرتز. ظرفیت خازنی کمتر امکان زمان پاسخ سریع‌تر را فراهم می‌کند.
• زمان صعود/سقوط (t_r/t_f):50 نانوثانیه / 50 نانوثانیه (معمولی) با V_R= 10 ولت و مقاومت بار (R_L) 1 کیلواهم. این سرعت پاسخ فوتودیود به یک پالس نوری را مشخص می‌کند.

تلرانس‌های پارامترهای کلیدی به صورت زیر مشخص شده است: شدت نور ±10%، طول موج غالب ±1 نانومتر، ولتاژ پیشروی ±0.1 ولت.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که عملکرد تحت شرایط مختلف را نشان می‌دهد. این منحنی‌ها برای مهندسان طراحی ضروری هستند.

3.1 حساسیت طیفی

منحنی‌ای که حساسیت نسبی را در مقابل طول موج ترسیم می‌کند. این منحنی حساسیت اوج را در حدود 940 نانومتر تأیید می‌کند و نشان می‌دهد که پاسخ طیفی به سمت مرزهای محدوده 840-1100 نانومتر کاهش می‌یابد. لنز اپوکسی یکپارچه به عنوان یک فیلتر عمل می‌کند و پاسخ خارج از باند IR هدف را تضعیف می‌کند.

3.2 جریان تاریک در مقابل دمای محیط

این منحنی معمولاً نشان می‌دهد که جریان تاریک (I_d) به صورت نمایی با افزایش دما افزایش می‌یابد. درک این رابطه برای کاربردهایی که در محدوده دمایی وسیعی عمل می‌کنند حیاتی است، زیرا حد پایین نور قابل تشخیص (سطح نویز) را تعریف می‌کند.

3.3 جریان نور معکوس در مقابل تابندگی (E_e)

این نمودار رابطه خطی بین جریان نوری تولید شده (I_L) و چگالی توان نور فرودی را نشان می‌دهد. فوتودیود تحت شرایط مشخص شده در یک ناحیه بسیار خطی عمل می‌کند که برای کاربردهای اندازه‌گیری نور آنالوگ حیاتی است.

3.4 ظرفیت خازنی پایانه در مقابل ولتاژ معکوس

ظرفیت خازنی اتصال (C_t) با افزایش ولتاژ بایاس معکوس کاهش می‌یابد. این یک ویژگی اساسی اتصالات PN است. طراحان می‌توانند از ولتاژ بایاس بالاتر برای کاهش ظرفیت خازنی و در نتیجه بهبود پهنای باند و سرعت پاسخ استفاده کنند، در ازای افزایش جزئی جریان تاریک.

3.5 زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار

این منحنی نشان می‌دهد که چگونه زمان صعود/سقوط تحت تأثیر مقدار مقاومت بار خارجی (R_L) قرار می‌گیرد. یک R_L کوچکتر به طور کلی منجر به پاسخ سریع‌تر می‌شود اما دامنه ولتاژ خروجی کوچکتری تولید می‌کند. این نمودار به بهینه‌سازی مبادله سرعت-دامنه در طراحی مدار کمک می‌کند.

3.6 اتلاف توان در مقابل دمای محیط

کاهش حداکثر اتلاف توان مجاز با افزایش دمای محیط را نشان می‌دهد. در دماهای بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد، دستگاه نمی‌تواند کل 150 میلی‌وات را تلف کند و حداکثر توان باید به صورت خطی تا صفر در حداکثر دمای اتصال کاهش یابد.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

PD438C/S46 در یک پکیج پلاستیکی استوانه‌ای با نمای جانبی و قطر اسمی 4.8 میلی‌متر بسته‌بندی شده است. نقشه ابعادی قطر بدنه، طول، فاصله پایه‌ها و قطر پایه را مشخص می‌کند. یک نکته حیاتی مشخص می‌کند که تمام تلرانس‌های ابعادی ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن در نقشه ذکر شده باشد. پیکربندی نمای جانبی برای کاربردهایی که مسیر نور موازی با سطح PCB است ایده‌آل است.

4.2 شناسایی قطبیت

قطبیت معمولاً روی پکیج یا در نقشه نشان داده می‌شود. برای یک فوتودیود، کاتد معمولاً هنگام کار در بایاس معکوس (حالت هدایت نوری) به ولتاژ تغذیه مثبت متصل می‌شود و آند به زمین مدار یا ورودی یک تقویت‌کننده ترانسمپدانس متصل می‌شود. قطبیت صحیح برای عملکرد مناسب ضروری است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این دستگاه برای فرآیندهای مونتاژ سطحی استاندارد مناسب است.

• لحیم‌کاری بازجوشی:حداکثر دمای لحیم‌کاری توصیه شده 260 درجه سانتی‌گراد است. مدت زمانی که پایه‌های دستگاه در معرض دماهای مساوی یا بالاتر از این اوج قرار می‌گیرند نباید از 5 ثانیه تجاوز کند. این با پروفایل‌های بازجوشی بدون سرب معمول (مانند IPC/JEDEC J-STD-020) سازگار است.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، باید از هویه کنترل دمایی استفاده شود. زمان تماس برای هر پایه باید به حداقل برسد تا از انتقال گرمای بیش از حد به تراشه نیمه‌هادی حساس جلوگیری شود.
• تمیزکاری:می‌توان از فرآیندهای تمیزکاری استاندارد PCB استفاده کرد، اما باید سازگاری مواد تمیزکننده با ماده پکیج پلاستیکی تأیید شود.
• شرایط ذخیره‌سازی:دستگاه‌ها باید در کیسه‌های اصلی ضد رطوبت خود در دمای بین 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد و رطوبت کم ذخیره شوند تا از اکسیداسیون پایه‌ها و جذب رطوبت توسط پکیج جلوگیری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات بسته‌بندی

جریان بسته‌بندی استاندارد به شرح زیر است: 500 قطعه در یک کیسه بسته‌بندی می‌شوند. سپس پنج کیسه در یک کارتن داخلی قرار می‌گیرند. در نهایت، ده کارتن داخلی در یک کارتن اصلی (خارجی) بسته‌بندی می‌شوند. این منجر به مجموع 25000 قطعه در هر کارتن اصلی می‌شود.

6.2 مشخصات برچسب

برچسب‌های روی بسته‌بندی حاوی اطلاعات کلیدی برای ردیابی و شناسایی هستند:

• CPN:شماره محصول مشتری (در صورت اختصاص).
• P/N:شماره محصول سازنده (مثلاً PD438C/S46).
• QTY:تعداد دستگاه‌ها در بسته.
• CAT, HUE, REF:کدهای رتبه شدت نور، رتبه طول موج غالب و رتبه ولتاژ پیشروی به ترتیب، که نشان‌دهنده دسته‌بندی عملکرد هستند.
• LOT No:شماره دسته تولید برای ردیابی.
• REF:یک شماره مرجع برای شناسایی برچسب.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی معمول

• تشخیص‌دهنده نوری پرسرعت:ایده‌آل برای پیوندهای داده نوری، انکودرها و تشخیص پالس که در آن زمان پاسخ 50 نانوثانیه یک مزیت کلیدی است.
• کاربردهای دوربین:می‌تواند در سیستم‌های فوکوس خودکار، نورسنجی یا به عنوان یک حسگر حضور IR استفاده شود.
• سوئیچ اپتوالکترونیک:در تشخیص شیء، حسگرهای شکاف و سوئیچ‌های محدودیت استفاده می‌شود. فیلتر IR یکپارچه به رد تداخل نور محیط کمک می‌کند.
• VCRها و دوربین‌های فیلمبرداری:به طور تاریخی در حسگرهای شمارنده نوار، گیرنده‌های کنترل از راه دور یا سایر عملکردهای حس نوری داخلی استفاده شده است.

7.2 ملاحظات طراحی

• ولتاژ بایاس:کار در حالت هدایت نوری (با بایاس معکوس) برای عملکرد پرسرعت و خطی توصیه می‌شود. یک بایاس 5 تا 10 ولت معمولی است که سرعت (ظرفیت خازنی کمتر) و نویز (جریان تاریک کمتر) را متعادل می‌کند.
• توپولوژی مدار:برای بهترین سرعت و خطی بودن، از یک تقویت‌کننده ترانسمپدانس (TIA) برای تبدیل جریان نوری به ولتاژ استفاده کنید. مقاومت فیدبک و خازن در TIA باید بر اساس پهنای باند مورد نظر و ظرفیت خازنی فوتودیود انتخاب شوند.
• هم‌راستایی نوری:پکیج نمای جانبی نیاز به طراحی مکانیکی دقیقی دارد تا هم‌راستایی مناسب با منبع نور، که اغلب یک LED IR نمای جانبی نیز هست، تضمین شود.
• رد نور محیط:در حالی که اپوکسی به عنوان یک فیلتر IR عمل می‌کند، برای محیط‌های با منابع IR قوی (مانند نور خورشید)، ممکن است فیلترگذاری نوری اضافی یا تکنیک‌های مدولاسیون/دمدولاسیون لازم باشد.

8. مقایسه و تمایز فنی

PD438C/S46 چندین مزیت متمایز در کلاس خود ارائه می‌دهد:

• فیلتر IR یکپارچه:برخلاف بسیاری از فوتودیودهای پایه که نیاز به فیلتر جداگانه دارند، اپوکسی پکیج فرموله شده است تا نور را فیلتر کند، مونتاژ را ساده کرده و تعداد قطعات را کاهش می‌دهد.
• پکیج نمای جانبی:پکیج استوانه‌ای نمای جانبی 4.8 میلی‌متری یک فرم فکتور خاص است که برای کاربردهایی که مسیر نور موازی با PCB اجرا می‌شود بهینه شده است و میدان دید فشرده و جهت‌دار ارائه می‌دهد.
• عملکرد متعادل:این قطعه تعادل خوبی بین سرعت (50 نانوثانیه)، حساسیت (18 میکروآمپر در 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع) و جریان تاریک (5 نانوآمپر) ارائه می‌دهد و آن را به انتخابی همه‌کاره برای تشخیص IR عمومی تبدیل می‌کند.
• محدوده‌های مقاوم:با رتبه ولتاژ معکوس 32 ولت و محدوده دمای کارکرد وسیع (40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد)، برای محیط‌های صنعتی و خودرویی مناسب است (برای کاربردهای غیر بحرانی ایمنی طبق اعلامیه).

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت بین کار در حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر) و حالت هدایت نوری (بایاس معکوس) چیست؟

ج: در حالت فوتوولتائیک (V_R=0 ولت)، فوتودیود ولتاژ خود را تولید می‌کند (V_OC را ببینید). این حالت جریان تاریک بسیار پایینی دارد اما ظرفیت خازنی بالاتر و پاسخ کندتری دارد. حالت هدایت نوری (اعمال V_R) ناحیه تخلیه را گسترش می‌دهد، ظرفیت خازنی را کاهش داده و سرعت پاسخ را افزایش می‌دهد (t_r/t_f را ببینید)، در ازای یک جریان تاریک کوچک و ثابت (I_d). برای تشخیص پرسرعت، حالت هدایت نوری ترجیح داده می‌شود.

س: چگونه پارامتر "جریان نور معکوس (I_L)" را تفسیر کنم؟

ج: این مفیدترین پارامتر برای طراحی مدار است. به شما می‌گوید که تحت یک شرایط نوری خاص (1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر) و با بایاس معکوس 5 ولت، می‌توانید انتظار یک جریان نوری معمولاً 18 میکروآمپر داشته باشید. مدار تقویت‌کننده شما باید برای مدیریت این محدوده جریان طراحی شود. مقدار حداقل 10.2 میکروآمپر برای طراحی بدترین حالت مهم است.

س: چرا جریان تاریک مهم است؟

ج: جریان تاریک منبع اصلی نویز در یک فوتودیود در صورت عدم وجود نور است. این حد پایین نور قابل تشخیص را تعیین می‌کند. یک جریان تاریک کمتر (5 نانوآمپر معمولی برای این دستگاه) به این معنی است که حسگر می‌تواند سیگنال‌های نور ضعیف‌تری را تشخیص دهد. توجه داشته باشید که جریان تاریک تقریباً با هر افزایش 10 درجه‌ای دما دو برابر می‌شود.

س: آیا می‌توانم از این قطعه با منابع نور غیر از 940 نانومتر استفاده کنم؟

ج: بله، اما با حساسیت کاهش یافته. به منحنی حساسیت طیفی مراجعه کنید. فوتودیود به نور از حدود 840 نانومتر تا 1100 نانومتر پاسخ خواهد داد، اما جریان خروجی برای همان توان نوری اگر طول موج نزدیک به اوج 940 نانومتر نباشد، کمتر خواهد بود.

10. مورد عملی طراحی و استفاده

مورد: طراحی یک حسگر مجاورت IR برای یک شیر آب اتوماتیک.

1. بلوک سیستم:یک LED IR (تابش در 940 نانومتر) و فوتودیود PD438C/S46 در کنار هم پشت یک پنجره نیمه‌شفاف قرار می‌گیرند. LED پالس می‌زند. هنگامی که هیچ شیئی وجود ندارد، بیشتر نور IR پراکنده می‌شود. هنگامی که یک دست نزدیک شیر آب قرار می‌گیرد، نور IR بازتاب شده وارد فوتودیود می‌شود.
2. منطق انتخاب قطعه:PD438C/S46 انتخاب شده است زیرا حساسیت اوج 940 نانومتری آن با LED مطابقت دارد. فیلتر IR یکپارچه در پکیج آن به رد نور مرئی محیط از لامپ‌های سقفی کمک می‌کند و باعث کاهش تحریک‌های کاذب می‌شود. پکیج نمای جانبی اجازه می‌دهد هر دو فرستنده و گیرنده به صورت تخت روی PCB نصب شده و به سمت بیرون اشاره کنند.
3. طراحی مدار:فوتودیود با 5 ولت بایاس معکوس شده است. خروجی آن به یک تقویت‌کننده ترانسمپدانس متصل شده است. بهره تقویت‌کننده (مقاومت فیدبک) طوری تنظیم شده است که سیگنال بازتابی مورد انتظار (کسری از 18 میکروآمپر بر میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع) یک ولتاژ قابل استفاده تولید کند. یک مقایسه‌کننده پس از تقویت‌کننده تشخیص می‌دهد که چه زمانی این ولتاژ از یک آستانه تنظیم شده فراتر می‌رود.
4. بهینه‌سازی:فرکانس و مدت پالس LED طوری انتخاب می‌شوند که خارج از فرکانس سوسو زدن نور محیط (مثلاً 100 هرتز از نور اصلی) باشند. سیستم فقط به دنبال سیگنال همگام با پالس LED می‌گردد که ایمنی نویز عالی ارائه می‌دهد.

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، می‌توانند جفت‌های الکترون-حفره در ناحیه ذاتی ایجاد کنند. تحت تأثیر میدان الکتریکی ذاتی (در حالت فوتوولتائیک) یا یک میدان بایاس معکوس اعمال شده (در حالت هدایت نوری)، این حامل‌های بار از هم جدا می‌شوند و یک جریان نوری تولید می‌کنند که متناسب با شدت نور فرودی است. ناحیه ذاتی وسیع در ساختار PIN ظرفیت خازنی اتصال را کاهش می‌دهد (امکان پاسخ سریع‌تر را فراهم می‌کند) و حجم جذب فوتون را افزایش می‌دهد (حساسیت را بهبود می‌بخشد)، در مقایسه با یک فوتودیود PN استاندارد.

12. روندها و زمینه فناوری

فوتودیودهای سیلیکونی PIN مانند PD438C/S46 راه‌حل‌های بالغ، قابل اطمینان و مقرون به صرفه برای تشخیص مادون قرمز نزدیک هستند. روندهای فعلی در این زمینه شامل موارد زیر است:

• یکپارچه‌سازی:حرکت به سمت راه‌حل‌های یکپارچه‌ای که فوتودیود، تقویت‌کننده و گاهی حتی درایور LED و منطق دیجیتال را در یک پکیج یا تراشه واحد ترکیب می‌کنند (مانند ASICهای اپتو).
• کوچک‌سازی:توسعه فوتودیودها در پکیج‌های سطحی کوچکتر (مانند پکیج‌های مقیاس تراشه) برای کاربردهای با محدودیت فضا مانند دستگاه‌های همراه.
• مواد تخصصی:برای طول موج‌های فراتر از قطع سیلیکون (حدود 1100 نانومتر)، از موادی مانند InGaAs استفاده می‌شود. با این حال، سیلیکون به دلیل هزینه کم و قابلیت ساخت عالی، برای طیف مرئی و مادون قرمز نزدیک غالب باقی می‌ماند.
• عملکرد بهبود یافته:تحقیقات جاری بر کاهش بیشتر ظرفیت خازنی و جریان تاریک برای بهبود سرعت و حساسیت متمرکز است، که اغلب از طریق پروفایل‌های دوپینگ پیشرفته و ساختارهای دستگاه انجام می‌شود.

PD438C/S46 نماینده یک قطعه بهینه‌شده و خاص کاربرد در این چشم‌انداز فناوری گسترده‌تر است که تعادل عملی از عملکرد، اندازه و هزینه را برای طیف وسیعی از وظایف حس‌گری IR صنعتی و مصرفی ارائه می‌دهد.