دیتاشیت فوتودیود سیلیکون PIN مدل PD15-21B/TR8 - بسته‌بندی 1206 (1.6x0.8x0.55mm) - محدوده طیفی 730-1100 نانومتر - پیک 940 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD15-21B/TR8 یک فوتودیود سیلیکون PIN با عملکرد بالا است که در یک بسته‌بندی مینیاتوری نصب سطحی (SMD) قرار گرفته است. این قطعه به‌طور خاص برای کاربردهای سنجش در طیف مادون قرمز طراحی شده و راه‌حلی فشرده و قابل اعتماد برای طراحی‌های الکترونیکی مدرن که نیازمند تشخیص نوری هستند، ارائه می‌دهد.

1.1 مزایای اصلی و جایگاه محصول

این قطعه برای ارائه چندین مزیت کلیدی ضروری برای سنجش دقیق طراحی شده است. این قطعه دارایزمان پاسخ سریعاست که امکان تشخیص تغییرات سریع در شدت نور را فراهم می‌کند، امری حیاتی برای کاربردهایی مانند شمارش، مرتب‌سازی و سنجش موقعیت. همچنینحساسیت نوری بالاآن، تشخیص سیگنال قابل اعتماد را حتی در شرایط روشنایی کم تضمین می‌کند. علاوه بر این،ظرفیت پیوند کوچکبه عملکرد پرسرعت آن کمک می‌کند. محصول بر روی قرقره‌های 7 اینچی در نوار استاندارد صنعتی 8 میلی‌متری عرضه می‌شود که فرآیندهای مونتاژ خودکار را تسهیل می‌کند. این محصول کاملاً با مقررات زیست‌محیطی مطابقت دارد، بدون سرب، مطابق با RoHS، مطابق با REACH اتحادیه اروپا و بدون هالوژن (با برم <900 ppm، کلر <900 ppm و مجموع آنها <1500 ppm) است.

1.2 بازار هدف و کاربردها

بازارهای هدف اصلی شامل اتوماسیون صنعتی، الکترونیک مصرفی و سیستم‌های ایمنی می‌شود. اندازه مینیاتوری و فرمت SMD آن، آن را برای کاربردهای با محدودیت فضا ایده‌آل می‌سازد. موارد استفاده معمول عبارتند از:

• سوئیچ‌های نوری مینیاتوری:استفاده در تشخیص شیء، تشخیص کاغذ در پرینترها و سنسورهای شکاف.
• شمارنده‌ها و مرتب‌کننده‌ها:استفاده در خطوط مونتاژ برای شمارش قطعات و مرتب‌سازی بر اساس تشخیص حضور/عدم حضور.
• سنسورهای موقعیت:استفاده برای تشخیص لبه، سوئیچینگ حدی و سیستم‌های انکودر چرخشی.
• سیستم‌های کاربردی مادون قرمز:بخش جدایی‌ناپذیر سیستم‌هایی که از فرستنده‌های مادون قرمز برای انتقال داده، سنجش مجاورت و سنجش نور محیطی استفاده می‌کنند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

درک کامل مشخصات قطعه برای طراحی صحیح مدار و یکپارچه‌سازی سیستم حیاتی است.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. توصیه نمی‌شود قطعه به طور مداوم در این محدودیت‌ها یا نزدیک به آن‌ها کار کند.

• ولتاژ معکوس (V_R):32 ولت. این حداکثر ولتاژی است که می‌توان به صورت بایاس معکوس به پایانه‌های فوتودیود اعمال کرد.
• دمای عملیاتی (T_opr):25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیط برای عملکرد قابل اعتماد.
• دمای ذخیره‌سازی (T_stg):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمایی برای ذخیره‌سازی غیرعملیاتی.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد حداکثر به مدت 5 ثانیه. این دمای پیک پروفایل ریفلو را تعریف می‌کند.
• توان اتلافی (P_d):150 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر. این مقدار کل توان الکتریکی را که قطعه می‌تواند به طور ایمن تحمل کند، محدود می‌کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

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

• پهنای باند طیفی (λ_0.5):730 نانومتر تا 1100 نانومتر. این محدوده طول موجی است که پاسخ‌دهی فوتودیود حداقل نصف مقدار پیک آن است. این نشان‌دهنده حساسیت به نور نزدیک مادون قرمز است.
• طول موج حساسیت پیک (λ_P):940 نانومتر (معمول). قطعه از نظر طیفی با دیودهای ساطع‌کننده مادون قرمز (IRED) معمول که در این طول موج کار می‌کنند، هماهنگ شده است که کارایی سیستم را به حداکثر می‌رساند.
• جریان اتصال کوتاه (I_SC):0.8 میکروآمپر (معمول) تحت تابندگی (E_e) 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر. این جریان نوری تولید شده زمانی است که فوتودیود در حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر) کار می‌کند.
• جریان نور معکوس (I_L):0.2 میکروآمپر (حداقل) تا 0.8 میکروآمپر (معمول) تحت تابندگی 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر با ولتاژ بایاس معکوس (V_R) 5 ولت. این پارامتر مربوط به عملکرد در حالت فوتوهادی است، جایی که یک بایاس معکوس خارجی برای بهبود سرعت و خطی بودن اعمال می‌شود.
• جریان تاریکی (I_D):10 نانوآمپر (حداکثر) با V_R=10 ولت در تاریکی کامل (E_e=0). این جریان نشتی کوچکی است که حتی زمانی که نوری وجود ندارد، جریان می‌یابد. جریان تاریکی پایین برای نسبت سیگنال به نویز خوب، به ویژه در کاربردهای کم‌نور، ضروری است.
• ولتاژ شکست معکوس (BV_R):32 ولت (حداقل)، 170 ولت (معمول) اندازه‌گیری شده در جریان معکوس 100 میکروآمپر. این نشان‌دهنده ولتاژ شکست بسیار بالا است که حاشیه عملیاتی وسیعی زیر مقدار حداکثر مطلق 32 ولت فراهم می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد پارامترهای کلیدی چگونه با شرایط عملیاتی تغییر می‌کنند.

3.1 کاهش توان

شکل 1: اتلاف توان در مقابل دمای محیطنشان می‌دهد که حداکثر توان اتلافی مجاز چگونه با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. طراحان باید توان را بر این اساس کاهش دهند تا از تنش گرمایی بیش از حد جلوگیری شود.

3.2 پاسخ طیفی

شکل 2: حساسیت طیفیبه صورت گرافیکی پاسخ‌دهی نسبی فوتودیود را در سراسر طیف نور به تصویر می‌کشد که پیک آن در 940 نانومتر و پهنای باند تعریف شده 730-1100 نانومتر را تأیید می‌کند.

3.3 وابستگی دمایی

شکل 3: جریان تاریکی در مقابل دمای محیطنشان می‌دهد که جریان تاریکی تقریباً با هر 10 درجه سانتی‌گراد افزایش دما دو برابر می‌شود. این یک رفتار بنیادی نیمه‌هادی است و باید در کاربردهای دمای بالا یا دقیق در نظر گرفته شود.شکل 4: جریان نور معکوس در مقابل تابندگی (E_e)رابطه خطی بین توان نور فرودی و جریان نوری تولید شده را نشان می‌دهد، که یک مشخصه کلیدی فوتودیودهای PIN است.

3.4 پاسخ زاویه‌ای

شکل 5: شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ایحساسیت جهت‌دار قطعه را نشان می‌دهد. بسته‌بندی اپوکسی سیاه با لنز کروی، زاویه دید خاصی را فراهم می‌کند که بر نحوه هم‌راستایی فوتودیود با منبع نور در طراحی سیستم تأثیر می‌گذارد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

قطعه مطابق با فوت‌پرینت استاندارد SMD 1206 (3216 متریک) است: تقریباً 1.6 میلی‌متر طول، 0.8 میلی‌متر عرض و 0.55 میلی‌متر ارتفاع (بدون احتساب گنبد لنز). نقشه‌های ابعادی دقیق با تلرانس ±0.1 میلی‌متر برای طراحی الگوی لند PCB ارائه شده است. یک طرح پد پیشنهادی به عنوان مرجع داده شده است، اما به طراحان توصیه می‌شود که آن را بر اساس فرآیند ساخت PCB خاص خود و نیازهای حرارتی اصلاح کنند.

4.2 شناسایی قطبیت

فوتودیود در اپوکسی سیاه قالب‌گیری شده است. پایانه کاتد معمولاً در نقشه کلی بسته‌بندی علامت‌گذاری یا شناسایی شده است. اتصال صحیح قطبیت برای عملکرد مناسب در حالت بایاس معکوس (فوتوهادی) ضروری است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

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

5.1 ذخیره‌سازی و حساسیت به رطوبت

قطعه به رطوبت حساس است. کیسه محافظ رطوبت نباید تا زمان آمادگی برای استفاده باز شود. پس از باز کردن، "عمر مفید در محیط کار" 168 ساعت (7 روز) است در صورتی که در دمای 10-30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی ≤60% ذخیره شود. قطعات استفاده نشده باید با ماده خشک‌کن دوباره بسته‌بندی شوند. اگر عمر مفید در محیط کار بیش از حد باشد یا ماده خشک‌کن نشان‌دهنده جذب رطوبت باشد، قبل از استفاده نیاز به پخت در دمای 60 درجه سانتی‌گراد ±5 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی <5% به مدت 96 ساعت است.

5.2 لحیم‌کاری ریفلو

پروفایل دمایی لحیم بدون سرب توصیه می‌شود، با دمای پیک 260 درجه سانتی‌گراد حداکثر به مدت 5 ثانیه. لحیم‌کاری ریفلو نباید بیش از دو بار انجام شود. باید از اعمال تنش بر بدنه قطعه در حین گرمایش و تاب برداشتن PCB پس از لحیم‌کاری اجتناب شود.

5.3 لحیم‌کاری دستی و تعمیر

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، از هویه‌ای با دمای نوک زیر 350 درجه سانتی‌گراد و ظرفیت 25 وات یا کمتر استفاده کنید. زمان تماس برای هر پایانه باید کمتر از 3 ثانیه باشد، با فاصله بیش از 2 ثانیه بین لحیم‌کاری هر پایانه. تعمیر به شدت توصیه نمی‌شود. در صورت اجتناب‌ناپذیر بودن، باید از هویه دو سر تخصصی برای گرم کردن همزمان هر دو پایانه استفاده شود و تأثیر آن بر مشخصات قطعه باید از قبل تأیید شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات نوار و قرقره

محصول بر روی قرقره‌های 7 اینچی (178 میلی‌متر) در نوار حامل برجسته به عرض 8 میلی‌متر عرضه می‌شود. هر قرقره حاوی 2000 قطعه است. ابعاد دقیق نوار حامل و قرقره برای اطمینان از سازگاری با تجهیزات اتوماتیک Pick-and-Place ارائه شده است.

6.2 مشخصات برچسب

برچسب قرقره شامل اطلاعات استانداردی مانند شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره قطعه سازنده (P/N)، شماره سری ساخت، تعداد، طول موج پیک (HUE)، رتبه‌ها (CAT)، مرجع (REF)، سطح حساسیت رطوبتی (MSL-X) و کشور سازنده است.

7. ملاحظات طراحی کاربرد

7.1 محافظت مدار

تذکر حیاتی:دیتاشیت به صراحت هشدار می‌دهد که یک مقاومت محدودکننده جریان خارجیبایدبه صورت سری با فوتودیود استفاده شود. بدون این مقاومت، یک تغییر ولتاژ جزئی می‌تواند باعث تغییر جریان بزرگی شود که ممکن است منجر به سوختن فوری قطعه گردد. مقدار مقاومت باید بر اساس ولتاژ تغذیه و حداکثر جریان نوری مورد انتظار محاسبه شود.

7.2 حالت‌های بایاس

فوتودیود می‌تواند در دو حالت اصلی استفاده شود:

1. حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر):فوتودیود هنگام روشنایی، یک ولتاژ/جریان تولید می‌کند، بدون اعمال بایاس خارجی. این حالت جریان تاریکی و نویز بسیار پایینی ارائه می‌دهد اما زمان پاسخ کندتری دارد.
2. حالت فوتوهادی (بایاس معکوس):یک ولتاژ معکوس خارجی اعمال می‌شود (مثلاً 5 ولت مانند شرایط آزمایش). این منطقه تخلیه را گسترش می‌دهد، ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد و در نتیجه سرعت و پهنای باند را افزایش می‌دهد. همچنین خطی بودن را بهبود می‌بخشد اما جریان تاریکی را افزایش می‌دهد.

انتخاب بستگی به نیاز کاربرد به عملکرد سرعت در مقابل نویز دارد.

7.3 ارتباط با تقویت‌کننده‌ها

برای تقویت جریان نوری کوچک (محدوده میکروآمپر)، معمولاً از مدار تقویت‌کننده ترانسیمپدانس (TIA) استفاده می‌شود. این مدار جریان فوتودیود را به یک ولتاژ خروجی متناسب تبدیل می‌کند. ملاحظات کلیدی طراحی برای TIA شامل انتخاب یک تقویت‌کننده عملیاتی با جریان بایاس ورودی پایین و نویز کم، و محاسبه مقاومت فیدبک و خازن برای بهره و پهنای باند مورد نظر در حین حفظ پایداری است.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتوترانزیستورها، این فوتودیود سیلیکون PIN به دلیل منطقه ذاتی خود که ظرفیت را کاهش می‌دهد، سرعت و خطی بودن برتری ارائه می‌دهد. پاسخ آن کاملاً وابسته به نور فرودی است، برخلاف فوتوترانزیستور که بهره جریانی دارد و می‌تواند کندتر و کمتر خطی باشد. در مقایسه با سایر فوتودیودها، بسته‌بندی 1206 آن تعادل خوبی بین مینیاتوری شدن و سهولت مدیریت/مونتاژ ارائه می‌دهد، در حالی که ولتاژ شکست بالا و تطابق طیفی خاص آن با IREDهای 940 نانومتر، مزایای متمایزی برای کاربردهای هدفمند سنجش مادون قرمز هستند.

9. پرسش‌های متداول (FAQ)

9.1 تفاوت بین I_SCو I_L?

I_SC(جریان اتصال کوتاه) با ولتاژ صفر در دو سر دیود (حالت فوتوولتائیک) اندازه‌گیری می‌شود. I_L(جریان نور معکوس) با ولتاژ بایاس معکوس اعمال شده (حالت فوتوهادی) اندازه‌گیری می‌شود. I_Lمعمولاً برای فوتودیودهای PIN بسیار نزدیک به I_SCاست.

9.2 چرا مقاومت سری اجباری است؟

یک فوتودیود، هنگام روشنایی، اساساً به عنوان یک منبع جریان عمل می‌کند. اگر مستقیماً به یک منبع ولتاژ بدون مقاومت سری متصل شود، هیچ مکانیزمی برای محدود کردن جریان وجود ندارد که منجر به اتلاف توان بیش از حد و خرابی فوری می‌شود.

9.3 چگونه ولتاژ معکوس عملیاتی را انتخاب کنم؟

برای حالت فوتوهادی، می‌توان از ولتاژ معکوس بین 5 ولت و مقداری که با اطمینان زیر مقدار حداکثر 32 ولت باشد، استفاده کرد. بایاس معکوس بالاتر، ظرفیت را بیشتر کاهش می‌دهد (افزایش سرعت) اما جریان تاریکی را نیز کمی افزایش می‌دهد. یک نقطه عملیاتی رایج 5 ولت یا 12 ولت است.

10. مطالعه موردی طراحی و استفاده

مورد: شمارش اشیاء روی نوار نقاله

یک LED مادون قرمز (940 نانومتر) در یک طرف نوار نقاله قرار می‌گیرد و فوتودیود PD15-21B/TR8 دقیقاً در مقابل آن قرار می‌گیرد. اشیایی که بین آن‌ها عبور می‌کنند، پرتو مادون قرمز را قطع می‌کنند. فوتودیود در حالت فوتوهادی با بایاس معکوس 5 ولت که از طریق یک مقاومت سری 10 کیلواهم برای محافظت تأمین می‌شود، کار می‌کند. افت ولتاژ در یک مقاومت بار (یا خروجی یک تقویت‌کننده ترانسیمپدانس متصل به فوتودیود) توسط یک میکروکنترلر نظارت می‌شود. افت ناگهانی این ولتاژ نشان‌دهنده حضور یک شیء است که باعث تحریک شمارش می‌شود. زمان پاسخ سریع فوتودیود امکان شمارش دقیق اشیاء در حال حرکت با سرعت بالا را فراهم می‌کند. بسته‌بندی کوچک 1206، یکپارچه‌سازی در یک هد سنسور فشرده را تسهیل می‌کند.

11. اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمه‌هادی با یک منطقه ذاتی (I) وسیع و کم‌دوپ شده است که بین مناطق نوع P و نوع N قرار گرفته است. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گاف نواری نیمه‌هادی به دستگاه برخورد می‌کنند، در منطقه ذاتی جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. تحت تأثیر میدان الکتریکی داخلی (یا یک بایاس معکوس اعمال شده خارجی)، این حامل‌های بار از هم جدا می‌شوند و یک جریان نوری تولید می‌کنند که متناسب با شدت نور فرودی است. منطقه ذاتی، ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد و امکان زمان پاسخ سریع‌تر در مقایسه با فوتودیودهای PN استاندارد را فراهم می‌کند.

12. روندهای صنعت

روند در اپتوالکترونیک به سمت مینیاتوری‌سازی بیشتر، یکپارچه‌سازی بالاتر و بهبود عملکرد ادامه دارد. تقاضا برای سنسورها در الکترونیک مصرفی (تلفن‌های هوشمند، پوشیدنی‌ها)، خودرو (LiDAR، نظارت بر راننده) و اینترنت اشیاء صنعتی در حال رشد است. فوتودیودهایی مانند PD15-21B/TR8 که تعادلی بین عملکرد، اندازه و هزینه ارائه می‌دهند، برای این بازارها موقعیت مناسبی دارند. توسعه‌های آینده ممکن است شامل فوتودیودهای یکپارچه با تقویت روی تراشه و رابط‌های دیجیتال، و همچنین دستگاه‌های حساس به طول‌موج‌های خاص برای کاربردهای تحلیل طیفی باشد.

سلب مسئولیت: اطلاعات ارائه شده در این سند برای مرجع فنی است. طراحان باید تمام پارامترها را تأیید کنند و اطمینان حاصل کنند که کاربرد آن‌ها در محدوده مقادیر حداکثر مطلق مشخص شده عمل می‌کند. عملکرد می‌تواند با شرایط عملیاتی متفاوت باشد.