دیتاشیت فنی PD15-22B/TR8 - فوتودیود سیلیکونی PIN با پکیج 3.5x4.0x1.65mm - ولتاژ معکوس 32 ولت - لنز مشکی - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD15-22B/TR8 یک فوتودیود PIN سیلیکونی پرسرعت و با حساسیت بالا است که برای کاربردهای نیازمند آشکارسازی نوری سریع طراحی شده است. این قطعه در یک پکیج سطح‌نصب (SMD) مینیاتوری با قالب‌گیری پلاستیکی مشکی و لنز مشکی قرار دارد. این دستگاه از نظر طیفی با منابع نور مرئی و مادون قرمز نزدیک مطابقت دارد و آن را برای انواع کاربردهای سنسوری مناسب می‌سازد.

مزایای کلیدی این قطعه شامل زمان پاسخ سریع آن است که امکان تشخیص تغییرات سریع در شدت نور را فراهم می‌کند، و حساسیت نوری بالای آن که امکان عملکرد قابل اطمینان حتی در شرایط نور کم را می‌دهد. ظرفیت خازنی کوچک اتصال به عملکرد پرسرعت آن کمک می‌کند. این محصول با استانداردهای محیط‌زیستی مطابقت دارد، بدون سرب (Pb-free)، مطابق با RoHS، مطابق با EU REACH و بدون هالوژن (با برم <900 ppm، کلر <900 ppm، Br+Cl < 1500 ppm) است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این دستگاه برای عملکرد قابل اطمینان در محدوده‌های مشخص شده طراحی شده است. تجاوز از این مقادیر حداکثر مطلق ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• ولتاژ معکوس (VR):32 ولت. این حداکثر ولتاژی است که می‌توان در شرایط بایاس معکوس اعمال کرد بدون آنکه باعث شکست شود.
• دمای عملیاتی (Topr):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. این محدوده دمای محیط برای عملکرد عادی دستگاه را تعریف می‌کند.
• دمای ذخیره‌سازی (Tstg):40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد. دستگاه می‌تواند در این محدوده زمانی که در حال کار نیست ذخیره شود.
• دمای لحیم‌کاری (Tsol):260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه. این برای فرآیندهای لحیم‌کاری رفلو حیاتی است.
• توان اتلافی (Pc):150 میلی‌وات. حداکثر توانی که دستگاه می‌تواند با امنیت اتلاف کند.
• سطح ESD HMB:حداقل 2000 ولت. نشان‌دهنده مقاومت دستگاه در برابر تخلیه الکترواستاتیک با استفاده از مدل بدن انسان است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها در دمای Ta=25°C اندازه‌گیری شده و عملکرد اصلی فوتودیود را تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ):730 نانومتر تا 1100 نانومتر (در 10% حساسیت اوج). دستگاه به نور در این محدوده طول موج پاسخ می‌دهد، با حساسیت اوج در ناحیه مادون قرمز نزدیک.
• طول موج حساسیت اوج (λP):معمولاً 940 نانومتر. طول موجی که در آن فوتودیود بیشترین حساسیت را دارد.
• ولتاژ مدار باز (VOC):معمولاً 0.41 ولت تحت تابندگی (Ee) برابر با 5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در λP=940nm. این ولتاژی است که هنگامی که پایانه‌ها باز هستند تولید می‌شود.
• جریان اتصال کوتاه (ISC):حداقل 4.0 میکروآمپر، معمولاً 6.5 میکروآمپر تحت Ee=1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در λP=875nm. این جریانی است که هنگامی که پایانه‌ها اتصال کوتاه هستند تولید می‌شود.
• جریان نور معکوس (IL):حداقل 4.2 میکروآمپر، معمولاً 6.5 میکروآمپر تحت Ee=1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در λP=875nm و VR=5V. این جریان نوری است که هنگامی که دیود در بایاس معکوس است تولید می‌شود، که حالت عملیاتی معمول برای کاربردهای پرسرعت است.
• جریان تاریک معکوس (ID):حداکثر 10 نانوآمپر در VR=10V در تاریکی کامل. این جریان نشتی کوچکی است که حتی زمانی که نور وجود ندارد جریان می‌یابد.
• ولتاژ شکست معکوس (BVR):حداقل 32 ولت، معمولاً 170 ولت اندازه‌گیری شده در جریان معکوس (IR) برابر با 100 میکروآمپر در تاریکی.
• زمان صعود/سقوط (tr, tf):معمولاً هر کدام 10 نانوثانیه تحت VR=5V و RL=1000 اهم. این سرعت سوئیچینگ فوتودیود را تعریف می‌کند.
• زاویه دید (2θ1/2):معمولاً 130 درجه در VR=5V. این نشان‌دهنده میدان دید گسترده برای آشکارسازی نور است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که برای مهندسان طراحی ضروری است.

3.1 حساسیت طیفی

منحنی پاسخ طیفی حساسیت نسبی فوتودیود را در طول‌موج‌های مختلف نشان می‌دهد. این منحنی حساسیت اوج را در حدود 940 نانومتر تأیید می‌کند، با پاسخ مفید از 730 نانومتر تا 1100 نانومتر. این آن را برای فرستنده‌های مادون قرمز مانند آنهایی با طول‌موج 850nm یا 940nm که معمولاً در کنترل‌های از راه دور، سنسورهای مجاورتی و لینک‌های ارتباط داده استفاده می‌شوند، یک تطابق ایده‌آل می‌سازد.

3.2 جریان تاریک در مقابل دمای محیط

این منحنی نشان می‌دهد که چگونه جریان تاریک (ID) به صورت نمایی با افزایش دمای محیط افزایش می‌یابد. در 25°C، زیر 10 نانوآمپر است، اما می‌تواند در دماهای بالاتر (مثلاً 85°C) به طور قابل توجهی افزایش یابد. طراحان باید این افزایش سطح نویز را در کاربردهای با دمای بالا یا هنگامی که سطوح نور بسیار پایین نیاز به تشخیص دارند، در نظر بگیرند.

3.3 جریان نور معکوس در مقابل تابندگی

این نمودار رابطه خطی بین جریان نور معکوس (IL) و تابندگی نور فرودی (Ee) را نشان می‌دهد. فوتودیود خطی‌بودن خوبی از خود نشان می‌دهد، به این معنی که جریان خروجی مستقیماً با شدت نور در محدوده عملیاتی آن متناسب است. این برای کاربردهای سنسوری نور آنالوگ که اندازه‌گیری دقیق شدت مورد نیاز است، حیاتی است.

3.4 ظرفیت خازنی پایانه در مقابل ولتاژ معکوس

ظرفیت خازنی اتصال با افزایش ولتاژ بایاس معکوس (VR) کاهش می‌یابد. یک ظرفیت خازنی پایین برای عملکرد پرسرعت مطلوب است زیرا ثابت زمانی RC مدار را کاهش می‌دهد. منحنی نشان می‌دهد که اعمال بایاس معکوس بالاتر (مثلاً 10V به جای 5V) می‌تواند ظرفیت خازنی را به طور قابل توجهی کاهش دهد، در نتیجه پهنای باند و زمان پاسخ را بهبود می‌بخشد.

3.5 زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار

این منحنی مبادله بین سرعت پاسخ و دامنه سیگنال را نشان می‌دهد. زمان صعود/سقوط با مقاومت بار بالاتر (RL) افزایش می‌یابد. برای سریع‌ترین پاسخ، باید از یک مقاومت بار با مقدار کم (مثلاً 50 اهم) استفاده کرد، اما این یک سیگنال ولتاژ کوچکتر تولید خواهد کرد. اغلب از یک تقویت‌کننده ترانسی‌پدانس برای غلبه بر این محدودیت استفاده می‌شود که هم سرعت بالا و هم بهره سیگنال خوبی را فراهم می‌کند.

3.6 جریان نور نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار حساسیت زاویه‌ای فوتودیود را مشخص می‌کند. زاویه دید گسترده 130 درجه تأیید شده است، نشان می‌دهد که سیگنال تشخیص داده شده حتی برای نور فرودی در زوایای قابل توجهی خارج از محور مرکزی نسبتاً بالا باقی می‌ماند. این برای کاربردهایی که ترازبندی کامل نیست یا میدان تشخیص گسترده‌ای مورد نیاز است، مفید است.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

PD15-22B/TR8 در یک پکیج SMD فشرده ارائه می‌شود. ابعاد کلیدی به شرح زیر است (همه بر حسب میلی‌متر، تلرانس ±0.1mm مگر خلاف آن مشخص شده باشد):

• طول کلی: 4.0 میلی‌متر
• عرض کلی: 3.5 میلی‌متر
• ارتفاع کلی: 1.65 میلی‌متر (معمولی، از صفحه نشیمن تا بالای لنز)
• عرض پایه: 1.55 میلی‌متر ±0.05 میلی‌متر
• فاصله پایه‌ها: 2.95 میلی‌متر
• توصیه‌هایی برای الگوی لند پایانه‌ها برای چیدمان PCB ارائه شده است.

آند و کاتد به وضوح در نقشه پکیج مشخص شده‌اند. پایه 1 کاتد است.

4.2 ابعاد نوار حامل و قرقره

این دستگاه بر روی نوار و قرقره برای مونتاژ خودکار عرضه می‌شود. قرقره حاوی 2000 قطعه است. ابعاد دقیق برای جیب‌های نوار حامل و قرقره ارائه شده است تا سازگاری با تجهیزات استاندارد Pick-and-Place تضمین شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 ذخیره‌سازی و حساسیت به رطوبت

فوتودیود به رطوبت حساس است. باید اقدامات احتیاطی برای جلوگیری از آسیب در طول ذخیره‌سازی و جابجایی انجام شود.

• کیسه ضد رطوبت را تا زمان آمادگی برای استفاده باز نکنید.
• قبل از باز کردن، در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤90% ذخیره کنید.
• ظرف یک سال از تاریخ حمل استفاده کنید.
• پس از باز کردن، در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤60% ذخیره کنید.
• ظرف 168 ساعت (7 روز) پس از باز کردن کیسه استفاده کنید.
• اگر زمان ذخیره‌سازی بیش از حد باشد یا ماده خشک‌کن نشان‌دهنده رطوبت باشد، قبل از استفاده حداقل به مدت 24 ساعت در دمای 60 ±5°C پخت (بیک) کنید.

5.2 پروفیل لحیم‌کاری رفلو

یک پروفیل دمای لحیم‌کاری رفلو بدون سرب توصیه شده ارائه شده است. پارامترهای کلیدی شامل:

• منطقه پیش‌گرم و خیس‌اندن.
• دمای اوج نباید از 260°C تجاوز کند.
• زمان بالای 240°C باید کنترل شود.
• لحیم‌کاری رفلو نباید بیش از دو بار انجام شود.
• از اعمال تنش مکانیکی بر روی قطعه در حین گرمایش خودداری کنید.
• PCB را پس از لحیم‌کاری تاب ندهید.

5.3 لحیم‌کاری دستی و تعمیر

اگر لحیم‌کاری دستی ضروری است:

• از یک هویه با دمای نوک <350°C استفاده کنید.
• زمان تماس را به ≤3 ثانیه برای هر پایانه محدود کنید.
• از هویه با توان نامی <25W استفاده کنید.
• بین لحیم‌کاری هر پایانه، یک فاصله خنک‌کننده >2 ثانیه در نظر بگیرید.
• تعمیر پس از لحیم‌کاری توصیه نمی‌شود. اگر اجتناب‌ناپذیر است، از یک هویه دو سر برای گرم کردن همزمان هر دو پایانه استفاده کنید تا تنش حرارتی به حداقل برسد. پس از هر تعمیر، عملکرد دستگاه را تأیید کنید.

6. نکات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 کاربردهای متداول

• آشکارساز نوری پرسرعت:به دلیل زمان پاسخ 10 نانوثانیه‌ای آن، برای لینک‌های داده نوری، انکودرها و تشخیص لیزر مناسب است.
• کپی‌کننده‌ها و اسکنرها:برای تشخیص حضور سند، تشخیص لبه و سنجش چگالی تونر استفاده می‌شود.
• دستگاه‌های بازی و الکترونیک مصرفی:در سنجش مجاورتی، تشخیص ژست و گیرنده‌های کنترل از راه دور IR به کار می‌رود.

6.2 ملاحظات حیاتی طراحی

• محدودکننده جریان/محافظت:دیتاشیت به صراحت هشدار می‌دهد که برای محافظت باید از یک مقاومت سری خارجی استفاده شود. یک تغییر ولتاژ جزئی می‌تواند باعث تغییر جریان بزرگی شود که بالقوه منجر به سوختن می‌شود. این مقاومت جریان عبوری از دیود را محدود می‌کند.
• بایاس برای سرعت:برای عملکرد پرسرعت بهینه، فوتودیود را در حالت بایاس معکوس (حالت فوتوکانداکتیو) به کار ببرید. یک ولتاژ معکوس بالاتر (تا حد حداکثر مجاز) ظرفیت خازنی اتصال را کاهش داده و زمان پاسخ را بهبود می‌بخشد، همانطور که در منحنی‌های مشخصه نشان داده شده است.
• توپولوژی مدار:برای تبدیل جریان نوری به ولتاژ، استفاده از یک تقویت‌کننده ترانسی‌پدانس (TIA) را در نظر بگیرید. این پیکربندی امپدانس ورودی پایین (که ولتاژ فوتودیود را ثابت نگه می‌دارد و مدولاسیون ظرفیت خازنی را به حداقل می‌رساند)، پهنای باند بالا و بهره قابل کنترل را فراهم می‌کند. انتخاب مقاومت فیدبک و پهنای باند تقویت‌کننده عملکرد کلی سیستم را تعیین خواهد کرد.
• طراحی نوری:لنز مشکی به کاهش حساسیت به نور پراکنده کمک می‌کند. اطمینان حاصل کنید که مسیر نوری تمیز و عاری از موانع است. زاویه دید گسترده 130 درجه انعطاف‌پذیری در ترازبندی مکانیکی را ارائه می‌دهد.
• مدیریت حرارتی:افزایش جریان تاریک با دما را در نظر بگیرید، به ویژه در کاربردهای با دقت بالا یا دمای بالا. ممکن است مدارهای جبران‌کننده دما ضروری باشند.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

روش استاندارد بسته‌بندی شامل قرار دادن قرقره‌ها در یک کیسه آلومینیومی ضد رطوبت به همراه یک ماده خشک‌کن و برچسب‌های مناسب است. برچسب شامل فیلدهایی برای شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره تولید (P/N)، مقدار (QTY)، رتبه‌ها (CAT)، طول موج اوج (HUE)، مرجع (REF)، شماره لات (LOT No.) و محل تولید است.

راهنمای انتخاب دستگاه تأیید می‌کند که مدل PD15-22B/TR8 از چیپ سیلیکونی استفاده می‌کند و دارای لنز مشکی است.

8. مقایسه و جایگاه فنی

PD15-22B/TR8 خود را به عنوان یک فوتودیود PIN سیلیکونی پرسرعت همه‌کاره در یک پکیج SMD استاندارد معرفی می‌کند. تمایزهای کلیدی آن ترکیب متعادل سرعت (10 نانوثانیه)، حساسیت، زاویه دید گسترده و تطابق محیطی قوی (RoHS، بدون هالوژن) است. در مقایسه با فوتودیودهای کندتر یا فوتوترانزیستورها، عملکرد برتر برای تشخیص نور پالسی ارائه می‌دهد. در مقایسه با فوتودیودهای تخصصی‌تر و فوق‌پرسرعت، یک راه‌حل مقرون‌به‌صرفه برای کاربردهای اصلی که نیازمند زمان پاسخ در محدوده نانوثانیه هستند، فراهم می‌کند. لنز مشکی در محیط‌های دارای نور محیطی نسبت به نسخه‌های با لنز شفاف یک مزیت است، زیرا به سرکوب سیگنال‌های ناخواسته کمک می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (FAQ)

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

ج: ISC با ولتاژ صفر در دو سر دیود (شرایط اتصال کوتاه) اندازه‌گیری می‌شود. IL با اعمال یک ولتاژ بایاس معکوس (مثلاً 5V) اندازه‌گیری می‌شود. IL معمولاً پارامتری است که در طراحی مدار استفاده می‌شود زیرا فوتودیودها معمولاً برای خطی‌بودن و سرعت در بایاس معکوس به کار می‌روند.

س: چرا استفاده از یک مقاومت سری اجباری است؟

ج: مشخصه I-V یک فوتودیود در جهت مستقیم بسیار تند است. یک افزایش کوچک در ولتاژ مستقیم می‌تواند باعث جریان بسیار بزرگی شود که بالقوه مخرب است. مقاومت سری این جریان را به یک مقدار ایمن محدود می‌کند.

س: چگونه ولتاژ معکوس عملیاتی را انتخاب کنم؟

ج: این شامل یک مبادله است. یک ولتاژ معکوس بالاتر (مثلاً 20-10 ولت) ظرفیت خازنی را برای پاسخ سریع‌تر کاهش می‌دهد اما جریان تاریک را کمی افزایش داده و توان بیشتری مصرف می‌کند. یک ولتاژ پایین‌تر (مثلاً 5V) برای بسیاری از کاربردها کافی است و جریان تاریک را در حداقل نگه می‌دارد. به منحنی ظرفیت خازنی در مقابل ولتاژ مراجعه کنید.

س: آیا این فوتودیود می‌تواند نور مرئی را تشخیص دهد؟

ج: بله، محدوده طیفی آن از 730 نانومتر شروع می‌شود که در بخش قرمز عمیق طیف مرئی قرار دارد. با این حال، حساسیت اوج آن در مادون قرمز نزدیک (940 نانومتر) است، بنابراین پاسخ‌دهی آن به نور مرئی (به ویژه آبی و سبز) کمتر از نور IR خواهد بود.

10. اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمه‌هادی است که نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. این قطعه از یک ناحیه ذاتی (I) وسیع و کم‌دوپ شده تشکیل شده که بین یک ناحیه نیمه‌هادی نوع P و نوع N قرار گرفته است (ساختار P-I-N را تشکیل می‌دهد). هنگامی که فوتون‌های با انرژی کافی به ناحیه ذاتی برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. تحت تأثیر یک میدان الکتریکی داخلی (که اغلب توسط یک ولتاژ بایاس معکوس خارجی تقویت می‌شود)، این حامل‌های بار از هم جدا شده و یک جریان نوری تولید می‌کنند که با شدت نور فرودی متناسب است. ناحیه ذاتی وسیع در مقایسه با یک فوتودیود PN استاندارد، امکان بازده کوانتومی بالاتر (جذب نور بیشتر) و ظرفیت خازنی اتصال پایین‌تر را فراهم می‌کند که مستقیماً به حساسیت بالاتر و زمان پاسخ سریع‌تر منجر می‌شود.

11. روندهای صنعت

تقاضا برای فوتودیودهایی مانند PD15-22B/TR8 توسط چندین روند جاری هدایت می‌شود. گسترش اینترنت اشیاء (IoT) و دستگاه‌های هوشمند نیاز به سنسورهای نور محیطی، سنسورهای مجاورتی و لینک‌های ارتباط نوری ساده را افزایش می‌دهد. اتوماسیون در بخش‌های صنعتی و مصرفی به انکودرهای نوری و سنسورهای تشخیص شیء متکی است. فشار مداومی برای کوچک‌سازی وجود دارد که منجر به پکیج‌های SMD کوچکتر می‌شود، و برای یکپارچه‌سازی بالاتر، جایی که فوتودیودها با مدارهای تقویت و شکل‌دهی سیگنال در ماژول‌های تک ترکیب می‌شوند. علاوه بر این، تأکید بر بهره‌وری انرژی و مسئولیت‌پذیری محیط‌زیستی، تطابق با استانداردهایی مانند RoHS و تولید بدون هالوژن را به یک نیاز پایه برای قطعات مورد استفاده در بازارهای جهانی تبدیل کرده است.