دیتاشیت فنی فوتودیود سیلیکونی PIN مدل PD42-21C/TR8 با ابعاد گرد 1.8 میلی‌متر - حساسیت پیک 940 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD42-21C/TR8 یک فوتودیود سیلیکونی PIN با سرعت و حساسیت بالا است که برای کاربردهای تشخیص مادون قرمز طراحی شده است. این قطعه در یک بسته‌بندی سطح‌نصب (SMD) مینیاتوری گرد با قطر 1.8 میلی‌متر و لنز گنبدی شکل از جنس پلاستیک سیاه قرار دارد. این طراحی فشرده آن را برای کاربردهایی با محدودیت فضا که نیازمند حسگری مادون قرمز قابل اطمینان هستند، مناسب می‌سازد.

این قطعه از نظر طیفی با دیودهای ساطع‌کننده مادون قرمز متداول هماهنگ است و عملکرد را در سیستم‌هایی که همراه با یک منبع IR استفاده می‌شود، بهینه می‌کند. مزایای کلیدی آن شامل زمان پاسخ سریع، حساسیت نوری بالا و ظرفیت پیوند کوچک است که برای تشخیص سیگنال‌های پرسرعت حیاتی هستند.

1.1 ویژگی‌های اصلی و انطباق‌ها

• زمان پاسخ سریع:امکان تشخیص تغییرات سریع سیگنال نوری را فراهم می‌کند.
• حساسیت نوری بالا:خروجی الکتریکی قوی از سطوح نور کم ارائه می‌دهد.
• ظرفیت پیوند کوچک:با کاهش ثابت‌های زمانی RC به عملکرد پرسرعت کمک می‌کند.
• بسته‌بندی:روی نوار 12 میلی‌متری نصب شده بر روی قرقره با قطر 7 اینچ برای مونتاژ خودکار عرضه می‌شود.
• انطباق محیطی:این محصول عاری از سرب، منطبق با مقررات RoHS و EU REACH بوده و فاقد هالوژن است (Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm).

1.2 کاربردهای هدف

این فوتودیود برای استفاده در سیستم‌های الکترونیکی مختلفی که نیازمند تشخیص دقیق مادون قرمز هستند، طراحی شده است.

• آشکارسازهای نوری پرسرعت
• دستگاه‌های کپی
• دستگاه‌های بازی و تجهیزات تعاملی
• سیستم‌های عمومی کاربرد مادون قرمز (مانند سنسورهای مجاورتی، انتقال داده)

2. بررسی عمیق مشخصات فنی

2.1 محدودیت‌های مطلق

کارکرد دستگاه فراتر از این محدودیت‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• ولتاژ معکوس (V_R):32 ولت
• دمای کارکرد (T_opr):25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد
• دمای نگهداری (T_stg):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد به مدت ≤5 ثانیه
• توان تلف شده (P_d):150 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر

2.2 مشخصات الکترواپتیکال (T_a=25°C)

این پارامترها عملکرد فوتودیود را در شرایط معمولی تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ_0.5):730 نانومتر تا 1100 نانومتر. دستگاه در سراسر طیف مادون قرمز نزدیک حساس است.
• طول موج حساسیت پیک (λ_P):940 نانومتر. بیشترین پاسخ‌دهی در این طول موج مادون قرمز رخ می‌دهد.
• ولتاژ مدار باز (V_OC):معمولاً 0.42 ولت هنگام تابش با 5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر.
• جریان اتصال کوتاه (I_SC):2.0 تا 12 میکروآمپر (معمولاً 5.0 میکروآمپر) هنگام تابش با 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 875 نانومتر.
• جریان نور معکوس (I_L):2.0 تا 12 میکروآمپر (معمولاً 5.0 میکروآمپر) در V_R=5V هنگام تابش با 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 875 نانومتر. این پارامتر اصلی کارکرد در حالت فوتوهادی است.
• جریان تاریکی (I_D):حداکثر 10 نانوآمپر در V_R=10V. این جریان نشتی در غیاب نور است.
• ولتاژ شکست معکوس (V_BR):حداقل 32 ولت، معمولاً 170 ولت در I_R=100μA.
• ظرفیت کل (C_t):معمولاً 5 پیکوفاراد در V_R=5V, f=1MHz. ظرفیت کم کلید اصلی برای پهنای باند بالا است.
• زمان صعود/سقوط (t_r, t_f):معمولاً هر کدام 6 نانوثانیه در V_R=10V, R_L=1kΩ. این سرعت پاسخ الکتریکی به یک پالس نور را مشخص می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل منحنی‌های مشخصه معمول است که برای مهندسان طراحی ضروری می‌باشد. اگرچه داده‌های گرافیکی خاص به صورت متنی ارائه نشده‌اند، اما این منحنی‌ها معمولاً رابطه بین پارامترهای کلیدی را نشان می‌دهند و به پیش‌بینی رفتار دستگاه در شرایط غیراستاندارد کمک می‌کنند.

3.1 اطلاعات ضمنی منحنی‌ها

بر اساس مشخصات استاندارد فوتودیود، روابط زیر معمولاً ترسیم می‌شوند:

• پاسخ طیفی:منحنی نشان‌دهنده پاسخ‌دهی نسبی در برابر طول موج، با پیک در 940 نانومتر و افت تا نصف در 730 و 1100 نانومتر.
• جریان در برابر روشنایی (I_Lدر مقابل E_e):انتظار می‌رود در محدوده وسیعی خطی باشد که مناسب بودن فوتودیود را برای اندازه‌گیری نور آنالوگ تأیید می‌کند.
• ظرفیت در برابر ولتاژ معکوس (C_tدر مقابل V_R):ظرفیت معمولاً با افزایش بایاس معکوس کاهش می‌یابد که بر پاسخ فرکانسی تأثیر می‌گذارد.
• جریان تاریکی در برابر دما (I_Dدر مقابل T):جریان تاریکی تقریباً به ازای هر 10 درجه سانتی‌گراد افزایش دما دو برابر می‌شود که برای کارکرد در دمای بالا حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

فوتودیود در یک بسته‌بندی گرد فوق‌مینیاتوری با قطر بدنه 1.8 میلی‌متر عرضه می‌شود. نقشه‌های مکانیکی دقیق در دیتاشیت تمام ابعاد حیاتی از جمله ارتفاع لنز، فاصله پایه‌ها و ردپای کلی را مشخص می‌کنند. تلرانس‌ها معمولاً ±0.1 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. یک طرح پد پیشنهادی برای مرجع طراحی PCB ارائه شده است، اما به مهندسان توصیه می‌شود آن را بر اساس فرآیند مونتاژ و نیازهای حرارتی خاص خود اصلاح کنند.

4.2 شناسایی قطبیت و نصب

بسته‌بندی SMD جهت‌گیری خاصی دارد. نقشه دیتاشیت پایه‌های کاتد و آند را نشان می‌دهد. قطبیت صحیح برای عملکرد مناسب مدار حیاتی است. بدنه پلاستیکی سیاه با لنز شفاف گنبدی شکل به حساسیت جهت‌دار کمک می‌کند.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح برای حفظ قابلیت اطمینان و عملکرد دستگاه حیاتی است.

5.1 نگهداری و حساسیت به رطوبت

• کیسه ضد رطوبت را تا زمان آمادگی برای استفاده باز نکنید.
• کیسه‌های بازنشده را در دمای 10°C~30°C و رطوبت نسبی ≤90% نگهداری کنید.
• ظرف یک سال از تاریخ حمل استفاده شود.
• پس از باز کردن، قطعات باید ظرف 168 ساعت (عمر کف کارخانه) در صورت نگهداری در دمای 10°C~30°C و رطوبت نسبی ≤60% استفاده شوند. در غیر این صورت، باید مجدداً خشک شده و در کیسه خشک نگهداری شوند.
• روش خشک کردن: 96 ساعت در دمای 60°C ± 5°C و رطوبت نسبی <5%.

5.2 شرایط لحیم‌کاری

• لحیم‌کاری بازجوشی:یک پروفیل دمایی توصیه شده ارائه شده است. از دو سیکل بازجوشی تجاوز نکنید.
• لحیم‌کاری دستی:از هویه با دمای نوک <350°C و توان <25W استفاده کنید. زمان تماس برای هر پایه باید <3 ثانیه باشد. بین لحیم‌کاری هر پایه 2 ثانیه فاصله بگذارید تا از آسیب حرارتی جلوگیری شود.
• از اعمال تنش مکانیکی بر روی دستگاه در حین گرمایش خودداری کرده و از تاب برداشتن PCB پس از لحیم‌کاری اجتناب کنید.

5.3 تعمیر و بازکاری

تعمیر پس از لحیم‌کاری توصیه نمی‌شود. در صورت اجتناب ناپذیر بودن، از یک هویه دو سر برای گرم کردن همزمان هر دو پایه و بلند کردن یکنواخت قطعه استفاده کنید. پس از هر بازکاری، همیشه عملکرد دستگاه را تأیید کنید.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات نوار و قرقره

دستگاه در نوار حامل با ابعاد مشخص شده در دیتاشیت بسته‌بندی شده است. مقدار استاندارد 1000 عدد در هر قرقره 7 اینچی است. ابعاد نوار تضمین‌کننده سازگاری با تجهیزات استاندارد برداشت و قراردادن SMD است.

6.2 اطلاعات برچسب

برچسب قرقره حاوی اطلاعات استاندارد برای ردیابی و مونتاژ صحیح است: شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره قطعه (P/N)، شماره سری ساخت، تعداد، طول موج پیک (HUE)، رتبه‌ها (CAT)، مرجع (REF)، سطح حساسیت رطوبتی (MSL-X) و مبدا ساخت.

7. ملاحظات طراحی در کاربرد

7.1 محافظت مدار

حیاتی:یک مقاومت محدودکننده جریان خارجی باید به صورت سری با فوتودیود هنگام کار در حالت فوتوهادی (بایاس معکوس) استفاده شود. بدون آن، یک تغییر ولتاژ کوچک می‌تواند باعث یک جریان لحظه‌ای بزرگ شده و به طور بالقوه دستگاه را بسوزاند.

7.2 بایاس و شکل‌دهی سیگنال

فوتودیود را می‌توان در دو حالت اولیه استفاده کرد:

• حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر):یک ولتاژ تولید می‌کند (V_OC). نویز کم اما پاسخ کندتر ارائه می‌دهد.
• حالت فوتوهادی (بایاس معکوس):با یک ولتاژ معکوس کار می‌کند (مثلاً 5V همانطور که در مشخصات آمده). این ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد (سرعت پاسخ را افزایش می‌دهد) و خطی بودن را بهبود می‌بخشد اما جریان تاریکی را افزایش می‌دهد. یک تقویت‌کننده ترانس‌امپدانس (TIA) معمولاً برای تبدیل جریان نوری (I_L) به یک سیگنال ولتاژ قابل استفاده به کار می‌رود.

7.3 طراحی نوری

لنز گنبدی شکل زاویه دید خاصی دارد. برای کوپلینگ بهینه، منبع IR را در این زاویه تراز کنید. بدنه سیاه بازتاب‌های داخلی و تداخل نوری از نور محیط را به حداقل می‌رساند.

8. مقایسه و جایگاه فنی

در مقایسه با فوتودیودهای استاندارد، PD42-21C/TR8 تعادلی از سرعت (6 نانوثانیه)، حساسیت (معمولاً 5 میکروآمپر در 1mW/cm²) و یک ردپای SMD بسیار فشرده ارائه می‌دهد. حساسیت پیک 940 نانومتری آن آن را با بسیاری از LEDهای IR کم‌هزینه هماهنگ می‌سازد. ظرفیت کم یک تمایزدهنده کلیدی برای کاربردهای فرکانس بالا در مقایسه با دستگاه‌هایی با ناحیه فعال بزرگتر است.

9. پرسش‌های متداول (FAQ)

9.1 تفاوت بین I_SCو I_L?

I_SC(جریان اتصال کوتاه) با ولتاژ صفر در دو سر دیود اندازه‌گیری می‌شود. I_L(جریان نور معکوس) تحت یک بایاس معکوس اعمال شده (مثلاً 5V) اندازه‌گیری می‌شود. در یک فوتودیود PIN با طراحی خوب، این مقادیر بسیار مشابه هستند، همانطور که در دیتاشیت نشان داده شده است (هر دو معمولاً 5.0 میکروآمپر). I_Lپارامتر عملی‌تری برای طراحی مدار در کارکرد بایاس شده است.

9.2 چگونه مقدار مقاومت سری را انتخاب کنم؟

مقاومت جریان را در حداکثر روشنایی محدود می‌کند. R ≥ (ولتاژ تغذیه) / (حداکثر I_L) را محاسبه کنید. از مشخصات، حداکثر I_L 12 میکروآمپر است. برای بایاس 5V، R باید ≥ 5V / 12μA ≈ 417 کیلواهم باشد. یک مقدار شروع متداول 100 کیلواهم است که پهنای باند را نیز در ارتباط با ظرفیت پیوند تعیین می‌کند.

9.3 آیا از این قطعه می‌توان برای تشخیص نور مرئی استفاده کرد؟

محدوده طیفی آن از 730 نانومتر شروع می‌شود که در محدوده مادون قرمز نزدیک است. حساسیت بسیار کمی به نور مرئی (طول موج‌های زیر 700 نانومتر) دارد. برای نور مرئی، یک فوتودیود با حساسیت پیک در محدوده 550-650 نانومتر مناسب‌تر خواهد بود.

10. مثال کاربردی عملی

سناریو: سنسور مجاورتی مادون قرمز در یک کنترلر بازی.

1. جفت‌سازی قطعات:PD42-21C/TR8 با یک LED مادون قرمز 940 نانومتری جفت می‌شود.
2. طراحی مدار:فوتودیود با 3.3 ولت از طریق یک مقاومت 100 کیلواهم بایاس معکوس می‌شود. خروجی آن به ورودی معکوس‌کننده یک آپ‌امپ متصل شده که به عنوان یک TIA با یک مقاومت فیدبک 1 مگااهم و یک خازن فیدبک کوچک (مثلاً 1 پیکوفاراد) برای تثبیت پاسخ پیکربندی شده است.
3. عملکرد:LED مادون قرمز یک سیگنال پالسی ساطع می‌کند. هنگامی که یک شی (مانند دست کاربر) نزدیک می‌شود، نور IR را به فوتودیود بازتاب می‌دهد. TIA جریان نوری افزایش یافته را به یک اسپایک ولتاژ قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند.
4. مزایا:زمان پاسخ سریع فوتودیود امکان تشخیص سریع حرکات سریع دست را فراهم می‌کند. اندازه کوچک آن به راحتی در محفظه فشرده کنترلر جای می‌گیرد. حساسیت بالا حتی با سیگنال‌های بازتابی ضعیف نیز عملکرد قابل اطمینانی را تضمین می‌کند.

11. اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN از یک ناحیه ذاتی (I) وسیع و کم‌دوپ شده تشکیل شده که بین ناحیه‌های نیمه‌هادی نوع P و نوع N قرار گرفته است. هنگامی که بایاس معکوس اعمال می‌شود، ناحیه ذاتی کاملاً تخلیه شده و یک میدان الکتریکی بزرگ ایجاد می‌کند. فوتون‌های فرودی با انرژی بیشتر از گپ انرژی نیمه‌هادی جذب شده و جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. میدان الکتریکی قوی این حامل‌ها را به سرعت جدا کرده و یک جریان نوری تولید می‌کند که متناسب با شدت نور است. ناحیه ذاتی وسیع در مقایسه با یک فوتودیود PN استاندارد، ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد (امکان سرعت بالا را فراهم می‌کند) و حجم جذب فوتون را افزایش می‌دهد (حساسیت را بهبود می‌بخشد).

12. روندهای صنعت

تقاضا برای آشکارسازهای نوری مینیاتوری و پرسرعت به دلیل کاربردها در الکترونیک مصرفی (تلفن‌های هوشمند، پوشیدنی‌ها)، خودرو (LiDAR، حسگری درون کابین) و اتوماسیون صنعتی همچنان در حال رشد است. روندها شامل مینیاتوری‌سازی بیشتر، ادغام فوتودیودها با مدارهای تقویت و دیجیتالی‌سازی روی یک تراشه (مانند سنسورهای نوری مجتمع) و بهبود عملکرد در باندهای طول موج خاص برای کاربردهای نوظهور مانند تشخیص ژست و حسگری سه‌بعدی است. دستگاه‌هایی مانند PD42-21C/TR8 نمایانگر یک راه‌حل بالغ و قابل اطمینان برای کاربردهای حجیم و حساس به هزینه هستند که نیازمند تشخیص قوی مادون قرمز می‌باشند.