دیتاشیت فنی فوتودیود سیلیکونی PIN زیرمینی‌اتور گرد 1.8 میلی‌متری PD42-21B/TR8 - قطر 1.8 میلی‌متر - لنز مشکی - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD42-21B/TR8 یک فوتودیود سیلیکونی PIN با سرعت و حساسیت بالا است که برای کاربردهای آشکارسازی مادون قرمز طراحی شده است. این قطعه در یک بسته‌بندی سطح‌نصب (SMD) با قطر 1.8 میلی‌متر و لنز گرد مشکی قرار دارد و از نظر طیفی برای تطابق با دیودهای ساطع‌کننده مادون قرمز معمول بهینه شده است. عملکرد اصلی آن تبدیل نور تابشی، به ویژه در طیف مادون قرمز، به جریان الکتریکی است.

مزایای اصلی این قطعه ناشی از زمان پاسخ سریع، حساسیت نوری بالا و ظرفیت پیوند کوچک آن است که آن را برای کاربردهای نیازمند آشکارسازی سریع و قابل اعتماد نور مناسب می‌سازد. این قطعه در قالب نوار و قرقره (Tape-and-Reel) عرضه می‌شود که با فرآیندهای مونتاژ خودکار سازگار است و با رعایت استانداردهای زیست‌محیطی مدرن، بدون سرب (Pb-free)، مطابق با RoHS، مطابق با REACH اتحادیه اروپا و بدون هالوژن است.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود.

• ولتاژ معکوس (VR):32 ولت - حداکثر ولتاژی که می‌توان به صورت بایاس معکوس به پایه‌های فوتودیود اعمال کرد.
• دمای عملیاتی (Topr):25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمای محیط برای عملکرد عادی قطعه.
• دمای انبارداری (Tstg):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمایی برای انبار کردن قطعه در حالت غیرفعال.
• دمای لحیم‌کاری (Tsol):260 درجه سانتی‌گراد حداکثر به مدت 5 ثانیه - حد دمای اوج در طی فرآیند لحیم‌کاری ریفلو.
• توان اتلافی (Pd):150 میلی‌وات در دمای 25 درجه سانتی‌گراد - حداکثر توانی که قطعه می‌تواند تلف کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها که در دمای 25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شده‌اند، عملکرد فوتودیود را تحت شرایط آزمایش مشخص‌شده تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ0.5):730 نانومتر تا 1100 نانومتر - محدوده طول موجی که در آن پاسخ‌دهی فوتودیود حداقل نصف مقدار پیک آن است. این محدوده پنجره حساسیت آن را تعریف می‌کند.
• طول موج حساسیت پیک (λP):940 نانومتر (مقدار معمول) - طول موج نوری که فوتودیود در آن بیشترین حساسیت را دارد. این ویژگی آن را با LEDهای مادون قرمز معمول 940 نانومتری هماهنگ می‌سازد.
• ولتاژ مدار باز (VOC):0.42 ولت (مقدار معمول) در Ee=5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، λP=940 نانومتر - ولتاژ تولیدشده در پایه‌های فوتودیود تحت تابش نور در حالتی که هیچ جریانی کشیده نمی‌شود (مدار باز).
• جریان اتصال کوتاه (ISC):4.0 میکروآمپر (مقدار معمول) در Ee=1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، λP=875 نانومتر - جریانی که از فوتودیود در حالتی که پایه‌های آن تحت تابش نور اتصال کوتاه شده‌اند، می‌گذرد.
• جریان نوری معکوس (IL):4.0 میکروآمپر (مقدار معمول) در Ee=1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، λP=875 نانومتر، VR=5 ولت - جریان نوری تولیدشده هنگامی که قطعه تحت بایاس معکوس قرار دارد. این پارامتر اصلی عملیاتی برای بیشتر مدارهای آشکارساز است.
• جریان تاریک (ID):10 نانوآمپر (حداکثر) در VR=10 ولت - جریان نشتی معکوس کوچکی که در حالت تاریکی کامل از قطعه می‌گذرد. مقادیر پایین‌تر نشان‌دهنده نسبت سیگنال به نویز بهتر است.
• ولتاژ شکست معکوس (VBR):32 ولت (حداقل)، 170 ولت (مقدار معمول) در IR=100 میکروآمپر - ولتاژی که در آن جریان معکوس به شدت افزایش می‌یابد. کارکرد نزدیک یا بالاتر از این ولتاژ می‌تواند باعث آسیب شود.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل منحنی‌های مشخصه معمول است که بینش بصری از رفتار قطعه فراتر از مشخصات تک‌نقطه‌ای ارائه می‌دهد.

3.1 حساسیت طیفی (شکل 1)

این منحنی پاسخ‌دهی نسبی فوتودیود را در برابر طول موج نور تابشی ترسیم می‌کند. این منحنی به صورت گرافیکی پهنای باند طیفی و حساسیت پیک در 940 نانومتر را تأیید می‌کند. منحنی افزایش تندی در حساسیت از حدود 700 نانومتر نشان می‌دهد که در 940 نانومتر به اوج می‌رسد و سپس به تدریج به سمت 1100 نانومتر کاهش می‌یابد. این شکل مشخصه آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون است.

3.2 جریان نوری معکوس در برابر تابندگی (شکل 2)

این نمودار رابطه بین جریان نوری تولیدشده (IL) و چگالی توان نور تابشی (Ee) را نشان می‌دهد. برای یک فوتودیود PIN که در حالت فوتوهادی (بایاس معکوس) کار می‌کند، این رابطه معمولاً در محدوده وسیعی خطی است. این خطی‌بودن برای کاربردهای حس‌گری نور آنالوگ که در آن سیگنال خروجی باید مستقیماً متناسب با شدت نور باشد، حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

PD42-21B/TR8 یک قطعه زیرمینی‌اتور گرد با قطر بدنه 1.8 میلی‌متر است. نقشه مکانیکی دقیق تمام ابعاد حیاتی از جمله ارتفاع کلی، شکل لنز، فاصله پایه‌ها و توصیه‌های پد را ارائه می‌دهد. طرح پد پیشنهادی برای مرجع است؛ طراحان باید بر اساس قوانین طراحی PCB خاص خود و نیازهای حرارتی/مکانیکی تنظیم کنند. تمام تلرانس‌های ابعادی معمولاً ±0.1 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

4.2 شناسایی قطبیت

این قطعه دو پایه دارد. اتصال صحیح قطبیت برای عملکرد مناسب در یک مدار بایاس معکوس ضروری است. نقشه دیتاشیت کاتد و آند را نشان می‌دهد. معمولاً پایه بلندتر یا یک علامت خاص روی بسته‌بندی نشان‌دهنده کاتد است. اتصال کاتد به ولتاژ مثبت‌تر (در بایاس معکوس) شرایط عملیاتی استاندارد است.

4.3 مشخصات بسته‌بندی

قطعه بر روی نوار حامل برجسته‌دار و قرقره‌های 7 اینچی عرضه می‌شود. ابعاد نوار (اندیز جیب، گام و غیره) مشخص شده‌اند تا سازگاری با تجهیزات استاندارد Pick-and-Place SMD تضمین شود. هر قرقره حاوی 1000 قطعه است که مقدار متداولی برای تولید با حجم متوسط است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو

این قطعه برای فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب مناسب است. حداکثر دمای اوج نباید از 260 درجه سانتی‌گراد تجاوز کند و زمان بالای 260 درجه سانتی‌گراد باید محدود شود. تعداد کل سیکل‌های ریفلو نباید از دو بار بیشتر شود تا از آسیب تنش حرارتی به بسته‌بندی پلاستیکی و اتصال داخلی تراشه جلوگیری شود.

5.2 لحیم‌کاری دستی

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، باید نهایت دقت به کار رود. دمای نوک هویه باید زیر 350 درجه سانتی‌گراد باشد و زمان تماس برای هر پایه باید به 3 ثانیه یا کمتر محدود شود. استفاده از هویه کم‌توان (≤25 وات) توصیه می‌شود. بین لحیم‌کاری هر پایه باید فاصله خنک‌کننده در نظر گرفته شود تا از گرمایش موضعی بیش از حد جلوگیری شود.

5.3 تعمیر و بازسازی

تعمیر پس از لحیم‌کاری اولیه به شدت توصیه نمی‌شود. در صورت اجتناب‌ناپذیر بودن، باید از یک هویه دو سر تخصصی استفاده شود تا هر دو پایه به طور همزمان گرم شوند و امکان برداشتن ایمن بدون اعمال تنش مکانیکی بیش از حد فراهم شود. تأثیر بالقوه تعمیر بر عملکرد قطعه باید از قبل ارزیابی شود.

6. احتیاط‌های انبارداری و جابه‌جایی

• حساسیت به رطوبت:این قطعه به رطوبت حساس است. کیسه نباید تا زمان آماده‌سازی برای استفاده باز شود. شرایط انبارداری پیش‌شرط باید در دمای ≤30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی ≤90% باشد.
• عمر مفید در محیط تولید:پس از باز کردن کیسه محافظ رطوبت، قطعات باید در صورت انبار شدن در دمای ≤30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی ≤60%، حداکثر ظرف 168 ساعت (7 روز) استفاده شوند.
• پخت (بیکینگ):اگر زمان انبارداری بیش از حد مجاز باشد یا ماده خشک‌کن نشان‌دهنده رطوبت بالا باشد، نیاز به عملیات پخت در دمای 60±5 درجه سانتی‌گراد به مدت 24 ساعت است تا رطوبت جذب‌شده حذف و از پدیده \"پاپ کورن\" در حین ریفلو جلوگیری شود.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 مدارهای کاربردی معمول

کاربرد اصلی به عنوان یک آشکارساز نوری پرسرعت است. در یک مدار معمول، فوتودیود با یک ولتاژ زیر حداکثر مقدار مجاز (مثلاً 5 ولت مانند شرایط آزمایش) بایاس معکوس می‌شود. جریان نوری (IL) از یک مقاومت بار (RL) می‌گذرد. افت ولتاژ روی RL که متناسب با شدت نور است، سپس توسط یک تقویت‌کننده ترانس‌امپدانس (TIA) یا تقویت‌کننده ولتاژ بعدی تقویت می‌شود. زمان پاسخ سریع آن را برای آشکارسازی نور پالسی و ارتباطات داده مناسب می‌سازد.

7.2 ملاحظات طراحی

• ولتاژ بایاس:یک ولتاژ بایاس معکوس (مثلاً 5 ولت) برای بهینه‌سازی سرعت و خطی‌بودن توصیه می‌شود. بایاس بالاتر می‌تواند ظرفیت پیوند را بیشتر کاهش دهد و پهنای باند را افزایش دهد، اما باید زیر V_R.
• محدودکننده جریان/محافظت:همانطور که در احتیاط‌ها ذکر شد، فوتودیود خود به خود جریان را محدود نمی‌کند. در مدارهایی که ممکن است در معرض نور شدید قرار گیرد یا به اشتباه متصل شود، ممکن است یک مقاومت سری برای جلوگیری از جریان بیش از حد که می‌تواند به پیوند آسیب برساند، ضروری باشد.
• طراحی نوری:لنز مشکی به کاهش حساسیت به نور پراکنده کمک می‌کند. برای عملکرد بهینه، فوتودیود باید با یک منبع مادون قرمز (مانند یک LED با طول موج 850 یا 940 نانومتر) و در صورت امکان یک فیلتر نوری برای مسدود کردن نور محیط ناخواسته، به ویژه نور مرئی که تا حدی نیز می‌تواند آن را آشکار کند، جفت شود.

7.3 سناریوهای کاربردی

• آشکارسازی نوری پرسرعت:مناسب برای سیستم‌های موانع نوری، شمارش اشیاء و انکودرهایی که نیاز به آشکارسازی انتقال‌های سریع روشن/خاموش نور دارند.
• کپی‌برها و اسکنرها:می‌تواند به عنوان سنسور برای تشخیص وجود سند، گیرکردن کاغذ یا به عنوان بخشی از آرایه حس‌گری تصویر در سنسورهای تصویر تماسی (CIS) استفاده شود.
• دستگاه‌های بازی و لوازم الکترونیکی مصرفی:در گیرنده‌های کنترل از راه دور مادون قرمز، سنسورهای مجاورتی و سیستم‌های تشخیص حرکت استفاده می‌شود.
• سیستم‌های کاربردی مادون قرمز:هر سیستمی که از نور مادون قرمز مدوله‌شده یا پالسی برای انتقال داده، اندازه‌گیری فاصله (زمان پرواز) یا آشکارسازی ساده حضور استفاده می‌کند.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتودیودهای استاندارد PN، ساختار PIN مزایای کلیدی ارائه می‌دهد: یک ناحیه تخلیه وسیع‌تر (لایه \"I\" یا ذاتی) که منجر بهظرفیت پیوند پایین‌تر(امکان پاسخ سریع‌تر) می‌شود و به آن اجازه می‌دهد در ولتاژهای بایاس معکوس پایین‌تر به طور کارآمد عمل کند. بسته‌بندی کوچک 1.8 میلی‌متری آن را برای طراحی‌های با محدودیت فضا ایده‌آل می‌سازد. لنز مشکی در مقایسه با انواع لنز شفاف، تا حدی سرکوب نور مرئی داخلی را فراهم می‌کند که در کاربردهای خاص مادون قرمز مفید است.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت بین جریان اتصال کوتاه (I_SC) و جریان نوری معکوس (I_L) چیست؟

پ: I_SCدر حالتی اندازه‌گیری می‌شود که ولتاژ دو سر دیود صفر است (حالت فوتوولتائیک). I_Lدر حالتی اندازه‌گیری می‌شود که بایاس معکوس اعمال شده است (حالت فوتوهادی). I_Lمعمولاً پارامتری است که در طراحی مدار استفاده می‌شود زیرا پایدارتر و خطی‌تر است و بایاس معکوس سرعت پاسخ را افزایش می‌دهد.

س: چرا جریان تاریک مهم است؟

پ: جریان تاریک سطح نویز پایه فوتودیود است. در کاربردهای کم‌نور، جریان تاریک بالا می‌تواند سیگنال جریان نوری کوچک را پنهان کند و حساسیت و نسبت سیگنال به نویز را کاهش دهد. مقدار حداکثر 10 نانوآمپر برای یک فوتودیود سیلیکونی کاملاً پایین است.

س: آیا می‌توانم این قطعه را با یک منبع نور مرئی استفاده کنم؟

پ: بله، اما با بازدهی کاهش‌یافته. منحنی پاسخ طیفی نشان می‌دهد که از حدود 730 نانومتر حساس است، بنابراین نور قرمز و نزدیک به مادون قرمز را به خوبی آشکار می‌کند. برای عملکرد بهینه با نور مرئی (مثلاً آبی یا سبز)، یک فوتودیود با پیک طیفی متفاوت مناسب‌تر خواهد بود.

10. اصول عملیاتی

یک فوتودیود PIN یک دستگاه نیمه‌هادی با یک ناحیه نوع p، یک ناحیه ذاتی (بدون آلایش) و یک ناحیه نوع n است. هنگامی که بایاس معکوس اعمال می‌شود، یک ناحیه تخلیه وسیع عمدتاً در سراسر لایه ذاتی تشکیل می‌شود. فوتون‌های تابشی با انرژی بیشتر از شکاف باند نیمه‌هادی جذب شده و جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. میدان الکتریکی قوی در ناحیه تخلیه به سرعت این جفت‌ها را جدا کرده و باعث می‌شود به سمت پایه‌های مربوطه حرکت کنند و در نتیجه یک جریان نوری تولید کنند که متناسب با شدت نور تابشی است. لایه ذاتی ظرفیت را کاهش می‌دهد و امکان جمع‌آوری کارآمد حامل‌ها در یک ناحیه وسیع‌تر را فراهم می‌کند که سرعت و بازده کوانتومی را افزایش می‌دهد.