دیتاشیت فوتودیود سیلیکونی PD438B/S46 - لنز نیمه‌قطر 4.8 میلی‌متر - بسته‌بندی مشکی - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD438B/S46 یک فوتودیود سیلیکونی PIN با عملکرد بالا است که برای کاربردهای نیازمند پاسخ سریع و حساسیت بالا طراحی شده است. این قطعه در یک بسته‌بندی پلاستیکی استوانه‌ای فشرده با نمای جانبی و دارای یک لنز نیمه‌قطر 4.8 میلی‌متر قرار گرفته است. یک ویژگی کلیدی این دستگاه، اپوکسی بسته‌بندی آن است که به عنوان یک فیلتر مادون‌قرمز (IR) یکپارچه عمل می‌کند. این فیلتر از نظر طیفی با فرستنده‌های IR متداول مطابقت دارد و با کاهش حساسیت به نور مرئی ناخواسته، عملکرد آن را در کاربردهای حسگری مادون‌قرمز بهبود می‌بخشد.

مزایای اصلی این فوتودیود شامل زمان‌های پاسخ سریع آن است که برای کاربردهای انتقال داده‌های پرسرعت و سوئیچینگ حیاتی هستند، و همچنین حساسیت نوری بالای آن که امکان تشخیص سطوح نور کم را به طور مؤثر فراهم می‌کند. ظرفیت پیوند کوچک آن به پاسخ سریع کمک می‌کند و آن را برای مدارهای فرکانس بالا مناسب می‌سازد. این دستگاه با استفاده از مواد بدون سرب ساخته شده و با مقررات زیست‌محیطی مرتبط مانند RoHS و EU REACH مطابقت دارد که آن را برای استفاده در محصولات با الزامات سخت‌گیرانه انطباق محیطی مناسب می‌سازد.

بازارها و کاربردهای اصلی هدف برای PD438B/S46 در الکترونیک مصرفی، اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های ارتباطی است. مشخصات فنی آن، این قطعه را به یک جزء ایده‌آل برای طراحانی تبدیل می‌کند که بر روی پیوندهای داده نوری پرسرعت، سیستم‌های تشخیص حضور و تجهیزات اندازه‌گیری نور دقیق کار می‌کنند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این دستگاه برای تحمل حداکثر ولتاژ معکوس (VR) 32 ولت درجه‌بندی شده است. حداکثر اتلاف توان (Pd) 150 میلی‌وات است که محدودیت‌های حرارتی عملکرد را تعریف می‌کند. پایه‌ها را می‌توان در دمای حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد به مدت حداکثر 5 ثانیه لحیم کرد که با فرآیندهای استاندارد لحیم‌کاری رفلو سازگار است. محدوده دمای عملیاتی از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد مشخص شده است و می‌تواند در محیط‌هایی با دمای 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود. این درجه‌بندی‌ها عملکرد قابل اطمینان را در انواع گسترده‌ای از شرایط محیطی تضمین می‌کنند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکال

پاسخ طیفی فوتودیود توسط محدوده پهنای باند طیفی آن (λ0.5) تعریف می‌شود که از 840 نانومتر تا 1100 نانومتر گسترده است. طول موج حساسیت اوج (λp) در 940 نانومتر قرار دارد که آن را به طور مستقیم در ناحیه مادون‌قرمز نزدیک قرار می‌دهد که معمولاً برای کنترل‌های از راه دور، سنسورهای نوری و ارتباط فضای آزاد استفاده می‌شود.

در تابش 5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر، ولتاژ مدار باز معمولی (VOC) 0.35 ولت است. جریان اتصال کوتاه (ISC)، که در 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع و 940 نانومتر اندازه‌گیری می‌شود، معمولاً 18 میکروآمپر است. این پارامتر یک اندازه‌گیری مستقیم از قابلیت تولید جریان دستگاه تحت تابش نور است.

جریان نور معکوس (IL)، جریان فوتویی است که وقتی دیود بایاس معکوس دارد تولید می‌شود. در VR=5V و Ee=1 mW/cm² (λp=940nm)، مقدار معمولی 18 میکروآمپر است، با مقدار حداقل تضمین شده 10.2 میکروآمپر. جریان تاریک (Id)، که جریان نشتی در شرایط بدون نور در VR=10V است، معمولاً 5 نانوآمپر با حداکثر 30 نانوآمپر است. یک جریان تاریک پایین برای دستیابی به نسبت سیگنال به نویز خوب، به ویژه در سناریوهای تشخیص نور کم، ضروری است.

ولتاژ شکست معکوس (BVR) حداقل 32 ولت هنگامی که جریان 100 میکروآمپر جاری می‌شود مشخص شده است، با مقدار معمولی تا 170 ولت. ظرفیت ترمینال کل (Ct) در VR=5V و 1 مگاهرتز معمولاً 18 پیکوفاراد است. این ظرفیت پایین یک عامل کلیدی است که زمان‌های صعود و فرود سریع را ممکن می‌سازد. زمان‌های صعود و فرود (tr/tf) هر دو معمولاً 50 نانوثانیه هستند وقتی دستگاه در VR=10V با مقاومت بار (RL) 1 کیلواهم کار می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که بینش عمیق‌تری از رفتار دستگاه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهد.

شکل 1: اتلاف توان در مقابل دمای محیطکاهش مجاز حداکثر اتلاف توان را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. این نمودار برای طراحی مدیریت حرارتی برای جلوگیری از گرمای بیش از حد و اطمینان از قابلیت اطمینان بلندمدت حیاتی است.

شکل 2: حساسیت طیفیحساسیت نسبی فوتودیود را در سراسر طیف طول موج از حدود 600 نانومتر تا 1200 نانومتر نشان می‌دهد. منحنی در 940 نانومتر به اوج می‌رسد و عمل فیلتر کردن مؤثر بسته‌بندی اپوکسی را نشان می‌دهد که پاسخ خارج از باند IR هدف را تضعیف می‌کند.

شکل 3: جریان تاریک در مقابل دمای محیطنشان می‌دهد که چگونه جریان نشتی (Id) به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد. این رابطه برای کاربردهایی که در دمای بالا کار می‌کنند حیاتی است، زیرا سطح نویز پایه سنسور را تعریف می‌کند.

شکل 4: جریان نور معکوس در مقابل تابندگی (Ee)رابطه خطی بین جریان فوتوی تولید شده و چگالی توان نور فرودی را به تصویر می‌کشد. این خطی بودن یک ویژگی اساسی فوتودیودهای PIN است و برای کاربردهای اندازه‌گیری نور آنالوگ ضروری است.

شکل 5: ظرفیت ترمینال در مقابل ولتاژ معکوسنشان می‌دهد که ظرفیت پیوند با افزایش ولتاژ بایاس معکوس کاهش می‌یابد. طراحان می‌توانند از این رابطه برای بهینه‌سازی سرعت مدار خود با انتخاب نقطه بایاس مناسب استفاده کنند.

شکل 6: زمان پاسخ در مقابل مقاومت بارنشان می‌دهد که چگونه زمان صعود/فرود سیگنال خروجی فوتودیود تحت تأثیر مقاومت بار متصل به آن قرار می‌گیرد. پاسخ سریع‌تر با مقاومت‌های بار پایین‌تر حاصل می‌شود، اگرچه این ممکن است با کاهش دامنه ولتاژ خروجی همراه باشد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

PD438B/S46 در یک بسته‌بندی استوانه‌ای با نمای جانبی عرضه می‌شود. ابعاد کلیدی شامل قطر بدنه و ارتفاع لنز نیمه‌قطر همانطور که در نقشه بسته‌بندی تعریف شده است، می‌باشد. تمام تلرانس‌های نامشخص برای ابعاد خطی ±0.25 میلی‌متر است. بسته‌بندی به رنگ مشکی است که به کاهش تداخل نور سرگردان کمک می‌کند. پیکربندی نمای جانبی امکان حس کردن نور از جهتی موازی با صفحه PCB را فراهم می‌کند که در کاربردهایی مانند تشخیص کاغذ در پرینترها یا حسگری لبه مفید است.

4.2 شناسایی قطبیت

کاتد معمولاً توسط یک پایه بلندتر، یک شکاف یا یک نقطه صاف روی بدنه بسته‌بندی شناسایی می‌شود. قطبیت صحیح باید در طول مونتاژ رعایت شود، زیرا بایاس معکوس شرایط عملیاتی استاندارد برای فوتودیودهای مورد استفاده در حالت فوتوهادی است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این دستگاه برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی و رفلو مناسب است. درجه حداکثر مطلق برای دمای لحیم‌کاری پایه‌ها 260 درجه سانتی‌گراد است، با این نکته که زمان لحیم‌کاری نباید از 5 ثانیه تجاوز کند. توصیه می‌شود دستورالعمل‌های استاندارد IPC برای لحیم‌کاری قطعات الکترونیکی دنبال شود. دستگاه باید در یک محیط خشک و ضد استاتیک در محدوده دمای ذخیره‌سازی مشخص شده خود از 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود تا از جذب رطوبت و آسیب الکترواستاتیک جلوگیری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

مشخصات بسته‌بندی استاندارد به شرح زیر است: 200 تا 500 قطعه در یک کیسه مانع رطوبت بسته‌بندی می‌شوند. شش عدد از این کیسه‌ها در یک کارتن داخلی قرار می‌گیرند. سپس ده کارتن داخلی در یک کارتن حمل اصلی بسته‌بندی می‌شوند. برچسب روی بسته‌بندی شامل فیلدهایی برای شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره قطعه سازنده (P/N)، تعداد بسته‌بندی (QTY) و شماره لات (LOT No.) است. سایر فیلدها مانند CAT، HUE و REF که برای LEDها برای نشان دادن شدت، طول موج و دسته‌های ولتاژ متداول هستند، برای این فوتودیود قابل اعمال نیستند زیرا به همان روش دسته‌بندی نشده است؛ این فیلدها ممکن است خالی بمانند یا برای اطلاعات ردیابی دیگر استفاده شوند.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

• تشخیص نور پرسرعت:ایده‌آل برای انکودرهای نوری، ارتباط داده از طریق فیبر نوری پلاستیکی (POF) و تشخیص پرتو لیزر که در آن پاسخ نانوثانیه‌ای مورد نیاز است.
• کاربردهای دوربین:می‌تواند برای حسگری نور محیط (ALS) یا تشخیص مجاورت مادون‌قرمز در تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها و دوربین‌های دیجیتال استفاده شود. فیلتر IR داخلی به اندازه‌گیری دقیق سطوح IR کمک می‌کند.
• سوئیچ‌های نوری:مناسب برای تشخیص شیء، شمارش و حسگری موقعیت در دستگاه‌های فروش خودکار، اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های امنیتی.
• الکترونیک مصرفی:در دستگاه‌های VCR و دوربین‌های فیلمبرداری برای تشخیص پایان نوار یا دریافت سیگنال کنترل استفاده می‌شود.

7.2 ملاحظات طراحی

هنگام طراحی یک مدار با PD438B/S46، موارد زیر را در نظر بگیرید:

• ولتاژ بایاس:یک ولتاژ بایاس معکوس (معمولاً 5V تا 10V مطابق با شرایط دیتاشیت) اعمال می‌شود تا ناحیه تخلیه گسترش یابد، ظرفیت کاهش یابد و سرعت بهبود یابد. اطمینان حاصل کنید که ولتاژ از حداکثر درجه‌بندی 32V تجاوز نکند.
• مقاومت بار (RL):مقدار RL در پیکربندی ترانس‌امپدانس به طور مستقیم بر پهنای باند و ولتاژ خروجی تأثیر می‌گذارد. یک RL کوچکتر پاسخ سریع‌تر اما سیگنال خروجی پایین‌تری می‌دهد. شکل 6 در دیتاشیت یک مرجع کلیدی است.
• تقویت:جریان فوتو کوچک است (میکروآمپر). تقریباً همیشه از یک تقویت کننده ترانس‌امپدانس (TIA) برای تبدیل این جریان به یک سیگنال ولتاژ قابل استفاده استفاده می‌شود. یک آپ‌امپ با جریان بایاس ورودی کم و پهنای باند کافی انتخاب کنید.
• کاهش نویز:فوتودیود و مسیرهای اتصال آن را از نویز الکتریکی محافظت کنید. اگر از یک مدار بایاس فعال استفاده می‌شود، از یک خازن بای‌پس نزدیک به پایه‌های تغذیه دستگاه استفاده کنید. جریان تاریک پایین به حفظ نسبت سیگنال به نویز خوب کمک می‌کند.
• ملاحظات نوری:اطمینان حاصل کنید که لنز تمیز و بدون مانع است. بسته‌بندی نمای جانبی ممکن است نیاز به طراحی مکانیکی دقیق برای همترازی صحیح مسیر نور داشته باشد.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتودیودهای استاندارد PN، ساختار PIN در PD438B/S46 مزایای متمایزی ارائه می‌دهد. ناحیه ذاتی (I) بین لایه‌های P و N یک ناحیه تخلیه بزرگتر ایجاد می‌کند. این منجر به دو مزیت اصلی می‌شود:1) ظرفیت پیوند پایین‌تر:ناحیه تخلیه بزرگتر مانند یک دی‌الکتریک پهن‌تر عمل می‌کند و به طور قابل توجهی ظرفیت را کاهش می‌دهد (معمولاً 18 pF)، که عامل اصلی اصلی برای عملکرد پرسرعت است.2) بهبود خطی بودن و حساسیت:ناحیه ذاتی پهن امکان جمع‌آوری کارآمدتر حامل‌های فوتوژنریک در حجم وسیع‌تری را فراهم می‌کند که منجر به خطی بودن بهتر جریان فوتو در مقابل تابندگی و کارایی کوانتومی بالقوه بالاتر در طول موج اوج آن می‌شود.

علاوه بر این، یکپارچه‌سازی اپوکسی فیلترکننده IR مستقیماً در بسته‌بندی یک ویژگی متمایزکننده است. این نیاز به یک فیلتر IR خارجی جداگانه را از بین می‌برد، در فضا صرفه‌جویی می‌کند، هزینه را کاهش می‌دهد و مونتاژ را ساده می‌سازد. این امر آن را به ویژه برای طراحی‌های الکترونیک مصرفی فشرده سودمند می‌سازد.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت بین جریان اتصال کوتاه (ISC) و جریان نور معکوس (IL) چیست؟

پ: ISC با صفر ولت در دو سر دیود (شرایط اتصال کوتاه) اندازه‌گیری می‌شود. IL زمانی اندازه‌گیری می‌شود که دیود بایاس معکوس دارد (مثلاً در VR=5V). در عمل، برای یک فوتودیود PIN، این مقادیر بسیار مشابه هستند زیرا جریان فوتو تا حد زیادی مستقل از ولتاژ بایاس معکوس در محدوده عملیاتی عادی است.

س: چرا زمان صعود/فرود با بار 1 کیلواهم مشخص شده است؟

پ: بار 1 کیلواهم یک شرایط بار متداول برای آزمایش و مدارهای ساده را نشان می‌دهد. زمان پاسخ واقعی در کاربرد شما به مقاومت بار مدار خاص شما و ظرفیت‌های پارازیتی بستگی دارد، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است.

س: آیا این فوتودیود می‌تواند برای تشخیص نور مرئی استفاده شود؟

پ: در حالی که ماده سیلیکون خود به نور مرئی حساس است (همانطور که در منحنی طیفی که تا حدود 600 نانومتر گسترش می‌یابد دیده می‌شود)، بسته‌بندی اپوکسی مشکی به عنوان یک فیلتر قوی عمل می‌کند. حساسیت آن در طیف مرئی در مقایسه با اوج آن در 940 نانومتر به شدت تضعیف خواهد شد. این قطعه در درجه اول برای کاربردهای مادون‌قرمز نزدیک طراحی شده است.

س: چگونه مقادیر "Typ." در جدول مشخصات را تفسیر کنم؟

پ: "Typ." مخفف مقدار معمولی است که میانگین مورد انتظار تحت شرایط مشخص شده است. تضمین شده نیست. برای اهداف طراحی، به ویژه برای پارامترهای حیاتی، باید از مقادیر "Min." یا "Max." استفاده کنید تا اطمینان حاصل شود که مدار شما در تمامی تغییرات و شرایط تولید به درستی عمل خواهد کرد.

10. مثال‌های عملی طراحی و استفاده

مثال 1: سوئیچ ساده تشخیص شیء

یک سوئیچ نوری پایه را می‌توان با جفت کردن PD438B/S46 با یک LED مادون‌قرمز (مثلاً تابش در 940 نانومتر) ساخت. فوتودیود با یک مقاومت بالا‌کش به Vcc (مثلاً 5V) در بایاس معکوس متصل می‌شود. گره خروجی بین مقاومت و کاتد فوتودیود به یک مقایسه‌گر یا یک پین ورودی دیجیتال میکروکنترلر تغذیه می‌شود. هنگامی که یک شیء پرتو IR بین LED و فوتودیود را قطع می‌کند، جریان فوتو کاهش می‌یابد، باعث افزایش ولتاژ در گره خروجی می‌شود و سیگنال تشخیص را فعال می‌کند. زمان پاسخ سریع امکان تشخیص اجسام متحرک سریع را فراهم می‌کند.

مثال 2: سنسور نور محیط با میکروکنترلر

برای اندازه‌گیری سطح نور آنالوگ، فوتودیود می‌تواند به یک تقویت کننده ترانس‌امپدانس متصل شود. ولتاژ خروجی TIA، که متناسب با شدت نور IR فرودی است، سپس به ورودی مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) یک میکروکنترلر تغذیه می‌شود. MCU می‌تواند از این قرائت برای تنظیم خودکار روشنایی یک نمایشگر یا برای تعیین حضور سیگنال کنترل از راه دور IR استفاده کند. فیلتر IR یکپارچه کمک می‌کند تا اطمینان حاصل شود که قرائت مخصوص به جزء IR نور محیط است.

11. معرفی اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمه‌هادی است که نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. این قطعه از یک لایه ماده نیمه‌هادی ذاتی (بدون دوپ یا با دوپ کم) (ناحیه "I") تشکیل شده است که بین یک لایه نوع P و یک لایه نوع N قرار گرفته است. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گپ باند نیمه‌هادی (برای سیلیکون، نور با طول موج کمتر از حدود 1100 نانومتر) به دستگاه برخورد می‌کنند، می‌توانند جفت‌های الکترون-حفره را در ناحیه ذاتی ایجاد کنند. هنگامی که یک ولتاژ بایاس معکوس اعمال می‌شود، یک میدان الکتریکی قوی در سراسر ناحیه ذاتی ایجاد می‌کند. این میدان به سرعت حامل‌های فوتوژنریک را به سمت ترمینال‌های مربوطه می‌راند - الکترون‌ها به سمت طرف N و حفره‌ها به سمت طرف P - و یک جریان فوتوی قابل اندازه‌گیری در مدار خارجی ایجاد می‌کند. عرض ناحیه ذاتی کلیدی است: این امکان تولید و جمع‌آوری کارآمد حامل را فراهم می‌کند در حالی که ظرفیت دستگاه را پایین نگه می‌دارد.

12. روندها و زمینه فناوری

فوتودیودهای سیلیکونی PIN مانند PD438B/S46 نمایانگر یک فناوری بالغ و بسیار قابل اطمینان هستند. روندهای فعلی در این زمینه بر چندین حوزه متمرکز است:کوچک‌سازی:توسعه ردپای بسته‌بندی کوچکتر (مانند بسته‌بندی‌های در مقیاس تراشه) برای کاربردهای با محدودیت فضا مانند دستگاه‌های پوشیدنی و تلفن‌های همراه.یکپارچه‌سازی:ترکیب فوتودیود با مدارهای تقویت، دیجیتالی‌سازی و پردازش سیگنال روی یک تراشه واحد برای ایجاد سنسورهای نوری هوشمند.عملکرد بهبود یافته:تحقیق در مورد ساختارهایی مانند فوتودیودهای بهمنی (APDs) برای کاربردهای نیازمند حساسیت شدید، اگرچه اینها پیچیده‌تر و گران‌تر هستند.مواد جدید:اکتشاف موادی مانند ژرمانیوم یا ترکیبات III-V (مانند InGaAs) برای تشخیص در طول‌موج‌های مادون‌قرمز بلندتر، که با سیلیکون استاندارد قابل دسترسی نیستند. برای کاربردهای اصلی مادون‌قرمز نزدیک تا 1100 نانومتر، سیلیکون به دلیل قابلیت ساخت عالی و عملکرد خود، همچنان ماده غالب و مقرون‌به‌صرفه انتخابی باقی می‌ماند.