دیتاشیت فنی PD70-01B/TR10 - فوتودیود سیلیکونی پلانار PIN - ابعاد 2.0x1.25x0.7mm - ولتاژ معکوس 32V - حساسیت پیک 940nm

1. مرور کلی محصول

PD70-01B/TR10 یک فوتودیود سیلیکونی پلانار PIN است که برای آشکارسازی نور با حساسیت بالا در محدوده طیفی وسیع طراحی شده است. مزایای اصلی آن ناشی از ساختار PIN است که یک ناحیه ذاتی (I) را بین لایه‌های نیمه‌هادی نوع P و N قرار می‌دهد. این ناحیه ذاتی، لایه تخلیه را گسترش می‌دهد که منجر به چندین مزیت عملکردی کلیدی برای کاربردهای اپتوالکترونیک می‌شود.

مزایای اصلی و بازار هدف:این قطعه به دلیل ظرفیت خازنی اتصال کاهش‌یافته و جمع‌آوری کارآمد حامل‌ها در ساختار PIN، حساسیت بالا و زمان‌های سوئیچینگ سریع را ارائه می‌دهد. جریان تاریک پایین، نسبت سیگنال به نویز خوبی را تضمین می‌کند. در ترکیب با اندازه فشرده و فیلتر نور روز یکپارچه (لنز مشکی)، این قطعه برای کاربردهای متنوعی از جمله کنترل‌های از راه دور لوازم الکترونیکی مصرفی (تلویزیون، لوازم خانگی)، سیستم‌های انتقال صدا با مادون قرمز، دستگاه‌های کپی، سنسورهای آسانسور و سیستم‌های مختلف اندازه‌گیری و کنترل صنعتی که نیاز به حس‌گری نوری قابل اطمینان دارند، ایده‌آل است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

این ریتینگ‌ها محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. کارکرد مداوم قطعه در این محدودیت‌ها توصیه نمی‌شود.

• ولتاژ معکوس (V_R):32V. این حداکثر ولتاژی است که می‌توان به صورت بایاس معکوس به پایه‌های فوتودیود اعمال کرد.
• توان تلف شده (P_d):150 mW در دمای 25°C. این مقدار، کل توان الکتریکی قابل تحمل توسط قطعه را محدود می‌کند که عمدتاً توسط جریان نشتی معکوس و هر جریان نوری تحت روشنایی بالا تعیین می‌شود.
• محدوده‌های دمایی:کارکرد: 25- تا 85+ درجه سلسیوس؛ ذخیره‌سازی: 40- تا 85+ درجه سلسیوس. این قطعه برای محدوده دمایی صنعتی وسیع طراحی شده است.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260°C حداکثر به مدت 5 ثانیه. این پارامتر برای فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب حیاتی است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکال (دمای محیط=25°C)

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط کاری معمول تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ_0.5):730 نانومتر تا 1100 نانومتر. این محدوده طول موج‌هایی را تعریف می‌کند که پاسخ‌دهی فوتودیود حداقل نصف مقدار پیک آن است. این قطعه از نور قرمز مرئی تا طیف مادون قرمز نزدیک (NIR) حساس است.
• طول موج حساسیت پیک (λ_P):940 نانومتر (معمول). این قطعه برای حداکثر پاسخ در ناحیه رایج مادون قرمز نزدیک بهینه‌سازی شده است که با تابش بسیاری از LEDهای مادون قرمز هم‌خوانی دارد.
• جریان اتصال کوتاه (I_SC):35 میکروآمپر (معمول) تحت تابش 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در طول موج 875 نانومتر. این پارامتر با ولتاژ بایاس صفر (حالت فوتوولتائیک) اندازه‌گیری می‌شود.
• جریان نوری معکوس (I_L):25 میکروآمپر (معمول) در V_R=5V تحت شرایط یکسان 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، 875 نانومتر. کارکرد در بایاس معکوس (حالت فوتوکانداکتیو) عموماً در مقایسه با حالت فوتوولتائیک، پاسخ بالاتر و سریع‌تری ایجاد می‌کند.
• جریان تاریک معکوس (I_D):5 نانوآمپر (معمول)، 30 نانوآمپر (حداکثر) در V_R=10V. این جریان نشتی در تاریکی کامل است. جریان تاریک پایین برای آشکارسازی سیگنال‌های نور ضعیف ضروری است.
• ولتاژ شکست معکوس (V_BR):170V (معمول)، با حداقل 32V. این ولتاژی است که در آن جریان معکوس به شدت افزایش می‌یابد. ولتاژ معکوس کاری نرمال باید به میزان قابل توجهی کمتر از این مقدار باشد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل منحنی‌های مشخصه معمول است که برای طراحی حیاتی هستند.

• منحنی حساسیت طیفی:این نمودار پاسخ‌دهی نسبی در برابر طول موج را نشان می‌دهد. پیک در حدود 940 نانومتر و پهنای باند تعریف شده از 730 تا 1100 نانومتر را تأیید می‌کند. لنز مشکی یکپارچه به عنوان یک فیلتر نور مرئی عمل می‌کند و حساسیت در محدوده مرئی را برای کاهش نویز از نور محیط (نور روز) تضعیف می‌کند.
• جریان نوری معکوس در مقابل تابندگی (Ee):این منحنی رابطه خطی بین جریان نوری تولید شده (I_L) و چگالی توان نور فرودی را نشان می‌دهد. خطی بودن یک ویژگی کلیدی فوتودیودهای PIN است که آن‌ها را برای کاربردهای اندازه‌گیری نور مناسب می‌سازد.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

PD70-01B/TR10 در یک پکیج سطح‌نشین بسیار کوچک عرضه می‌شود. ابعاد کلیدی (بر حسب میلی‌متر) شامل اندازه بدنه تقریباً 2.0 در 1.25، با ارتفاع 0.7 میلی‌متر است. کاتد معمولاً توسط یک گوشه علامت‌گذاری شده یا یک فرورفتگی روی پکیج شناسایی می‌شود. نقشه‌های ابعادی دقیق با تلرانس ±0.1mm برای طراحی جای پایه PCB ارائه شده است.

4.2 شناسایی قطبیت

علامت‌گذاری واضح قطبیت برای نصب صحیح ضروری است. نمودار پکیج در دیتاشیت، پایه‌های آند و کاتد را نشان می‌دهد. اتصال قطبیت نادرست هنگام اعمال بایاس معکوس، دیود را در بایاس مستقیم قرار می‌دهد که ممکن است باعث جریان بالا و آسیب شود.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح برای قابلیت اطمینان حیاتی است.

5.1 ذخیره‌سازی و حساسیت به رطوبت

این قطعه به رطوبت حساس است. احتیاط‌ها شامل موارد زیر است: ذخیره در کیسه مهر و موم شده اصلی در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤90%؛ استفاده در عرض 1 سال از تاریخ حمل؛ پس از باز کردن، ذخیره در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤70% و استفاده در عرض 168 ساعت (7 روز). در صورت تجاوز از این زمان، قبل از لحیم‌کاری نیاز به عملیات پخت در دمای 60±5°C به مدت 24 ساعت است.

5.2 شرایط لحیم‌کاری

• لحیم‌کاری ریفلو:پروفیل دمایی لحیم بدون سرب توصیه می‌شود، با دمای پیک 260°C حداکثر به مدت 5 ثانیه. عملیات ریفلو نباید بیش از دو بار انجام شود.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت لزوم، از هویه با دمای <350°C و توان <25W استفاده کنید. زمان تماس برای هر پایه باید <3 ثانیه باشد، با فاصله >2 ثانیه بین پایه‌ها برای جلوگیری از تنش حرارتی.
• تعمیر:پس از لحیم‌کاری توصیه نمی‌شود. در صورت اجتناب‌ناپذیری، در هنگام برداشتن قطعه باید از هویه دو سر برای گرم کردن همزمان هر دو پایه استفاده شود تا از تنش مکانیکی روی تراشه نیمه‌هادی جلوگیری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

بسته‌بندی استاندارد به صورت ریل حاوی 1000 عدد (1000PCS/Reel) است. ابعاد ریل برای مدیریت توسط تجهیزات اتوماتیک Pick-and-Place مشخص شده است. برچسب روی ریل شامل اطلاعات حیاتی مانند شماره قطعه (P/N)، شماره بچ (LOT No)، تعداد (QTY) و سایر کدهای ردیابی است.

7. نکات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 مدارهای کاربردی معمول

فوتودیود می‌تواند در دو حالت اصلی استفاده شود:

1. حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر):فوتودیود هنگام روشنایی، بدون اعمال بایاس خارجی، یک ولتاژ/جریان تولید می‌کند. این حالت جریان تاریک و نویز بسیار پایینی ارائه می‌دهد اما سرعت پاسخ کندتر و خطی‌ت کمتری دارد.
2. حالت فوتوکانداکتیو (بایاس معکوس):یک ولتاژ معکوس خارجی اعمال می‌شود (مثلاً 5V مانند شرایط تست I_L). این حالت ناحیه تخلیه را بیشتر گسترش می‌دهد، ظرفیت خازنی اتصال را کاهش می‌دهد و منجر بهزمان‌های سوئیچینگ بسیار سریع‌ترو خطی‌ت بالاتر در محدوده وسیع‌تری از شدت نور می‌شود. این حالت ترجیحی برای آشکارسازی‌های پرسرعت مانند دریافت‌کننده‌های کنترل از راه دور مادون قرمز است.

7.2 احتیاط‌های حیاتی طراحی

• محدودکننده/محافظ جریان:هنگام کار در یک مدار، حتماً باید از یک مقاومت سری برای محدود کردن جریان استفاده شود. همانطور که در احتیاط‌ها ذکر شده است، "تغییر جزئی ولتاژ باعث تغییر بزرگ جریان می‌شود (سوختن رخ خواهد داد)." این به این دلیل است که یک فوتودیود تحت بایاس معکوس، اگر در معرض شدت نور بسیار بالا قرار گیرد یا به اشتباه در بایاس مستقیم قرار گیرد، می‌تواند جریان بیش از حدی را هدایت کند.
• چیدمان برد مدار:ظرفیت خازنی و اندوکتانس پارازیتی در مسیرهای اتصال فوتودیود به تقویت‌کننده یا مقایسه‌گر را به حداقل برسانید. این امر برای حفظ عملکرد پرسرعت حیاتی است.
• حذف نور محیط:لنز مشکی داخلی کمک می‌کند، اما برای بهترین عملکرد در نور محیط، فیلتراسیون نوری (یک فیلتر عبور مادون قرمز اضافی) و فیلتراسیون الکتریکی (آشکارسازی همزمان) ممکن است ضروری باشد.

8. مقایسه و تمایز فنی

PD70-01B/TR10 از طریق ترکیب ویژگی‌های خود در یک پکیج SMD فشرده، خود را متمایز می‌کند:

• در مقابل فوتودیودهای استاندارد:ساختار PIN ظرفیت خازنی پایین‌تر و پاسخ سریع‌تری نسبت به فوتودیودهای استاندارد PN ارائه می‌دهد.
• در مقابل دیودهای PIN بزرگ‌تر:جای پای کوچک 2.0x1.25mm آن امکان طراحی PCB با چگالی بالا را در فضاهای محدود فراهم می‌کند.
• فیلتر یکپارچه:وجود فیلتر نور روز (اپوکسی مشکی) با کاهش نیاز به فیلتر خارجی برای مسدود کردن نویز نور مرئی، طراحی را ساده می‌کند.
• ریتینگ‌های قوی:محدوده دمایی کاری وسیع (25- تا 85+ درجه سلسیوس) و ولتاژ شکست معمول بالا (170V)، حاشیه طراحی و قابلیت اطمینان را فراهم می‌کنند.

9. پرسش‌های متداول (FAQs)

س: هدف "فیلتر نور روز" چیست؟

ج: ماده لنز مشکی، نور در طیف مرئی (تقریباً 400-700 نانومتر) را تضعیف می‌کند در حالی که به نور مادون قرمز نزدیک (700-1100 نانومتر) اجازه عبور می‌دهد. این امر تداخل ناشی از نورپردازی محیط داخلی (فلورسنت، LED، رشته‌ای) که حاوی نور مرئی است را کاهش می‌دهد و نسبت سیگنال به نویز سیستم‌های مبتنی بر مادون قرمز را بهبود می‌بخشد.

س: برای یک دریافت‌کننده کنترل از راه دور مادون قرمز، باید از این قطعه در حالت فوتوولتائیک استفاده کنم یا فوتوکانداکتیو؟

ج> برای کاربردهای کنترل از راه دور مادون قرمز که نیاز به آشکارسازی پالس سریع دارند (معمولاً حامل 38-56 کیلوهرتز)،حالت فوتوکانداکتیو (بایاس معکوس)اجباری است. ظرفیت خازنی کاهش‌یافته در این حالت، امکان پاسخ قطعه به مدولاسیون فرکانس بالا را فراهم می‌کند.

س: چگونه مقدار مقاومت سری مورد نیاز را محاسبه کنم؟

ج: مقاومت، حداکثر جریان را محدود می‌کند. اگر یک بایاس معکوس V_Rاعمال شود و حداکثر جریان نوری مورد انتظار I_maxباشد، یک مقاومت سری ساده R می‌تواند قرار داده شود. افت ولتاژ روی آن نباید به طور قابل توجهی بایاس روی دیود را کاهش دهد. به عنوان مثال، با V_R= 5V و I_max~ 50μA، یک مقاومت 10kΩ تنها 0.5V افت ایجاد می‌کند و 4.5V روی دیود باقی می‌ماند. مقاومت همچنین در برابر بایاس مستقیم تصادفی کمک می‌کند.

10. اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN بر اساس اصل اثر فوتوالکتریک داخلی کار می‌کند. فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گاف نواری نیمه‌هادی در ناحیه ذاتی جذب می‌شوند و جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. میدان الکتریکی قوی موجود در ناحیه تخلیه بایاس معکوس (که توسط لایه ذاتی بزرگ شده است)، این حامل‌ها را به سرعت جدا کرده و باعث می‌شود به سمت پایه‌های مربوطه حرکت کنند. این حرکت بار، یک جریان نوری را تشکیل می‌دهد که متناسب با شدت نور فرودی است. ناحیه ذاتی وسیع کلیدی است: حجم جذب فوتون را افزایش می‌دهد (حساسیت را بهبود می‌بخشد) و ظرفیت خازنی اتصال را کاهش می‌دهد (سرعت بالاتر را ممکن می‌سازد).

11. روندهای صنعت

تقاضا برای آشکارسازهای نوری فشرده، پرسرعت و حساس همچنان در حال رشد است. روندهایی که بر قطعاتی مانند PD70-01B/TR10 تأثیر می‌گذارند عبارتند از:

• کوچک‌سازی:فشار برای کوچک‌تر شدن لوازم الکترونیکی مصرفی و دستگاه‌های اینترنت اشیا، نیاز به سنسورهای نوری هرچه کوچک‌تر با حفظ یا بهبود عملکرد را افزایش می‌دهد.
• افزایش یکپارچگی:در حالی که فوتودیودهای گسسته همچنان ضروری هستند، روندی به سمت یکپارچه کردن فوتودیود با یک تقویت‌کننده ترانس‌امپدانس (TIA) و سایر مدارهای شرط‌سازی سیگنال در یک پکیج واحد وجود دارد که طراحی را ساده می‌کند.
• گسترش کاربردهای مادون قرمز نزدیک:فراتر از کنترل‌های از راه دور سنتی، حس‌گری مادون قرمز نزدیک در حال گسترش به حوزه‌هایی مانند حس‌گری مجاورت، تشخیص حرکات، تحلیل طیفی و پایش زیست‌پزشکی است که همگی نیاز به آشکارسازهای نوری قابل اطمینان دارند.
• افزایش استانداردهای قابلیت اطمینان:رعایت مقررات زیست‌محیطی (RoHS, REACH, Halogen-Free) و درجه‌بندی‌های سختگیرانه قابلیت اطمینان خودرویی/صنعتی در حال تبدیل شدن به استانداردی برای قطعات مورد استفاده در بازارهای مختلف است.