Dokumen Teknikal PD438B/S46 - Fotodioda Silikon PIN 4.8mm Semi-Lens - Pakej Hitam

1. Gambaran Keseluruhan Produk

PD438B/S46 ialah fotodioda silikon PIN berprestasi tinggi yang direka untuk aplikasi yang memerlukan tindak balas pantas dan sensitiviti tinggi. Ia dibungkus dalam pakej plastik silinder pandangan sisi padat dengan semi-lens 4.8mm. Ciri utama peranti ini ialah pakej epoksinya, yang diformulasikan untuk bertindak sebagai penapis inframerah (IR) bersepadu. Penapis ini dipadankan secara spektrum dengan pemancar IR biasa, meningkatkan prestasinya dalam aplikasi pengesanan IR dengan mengurangkan sensitiviti kepada cahaya tampak yang tidak diingini.

Kelebihan teras fotodioda ini termasuk masa tindak balas pantas, yang kritikal untuk aplikasi penghantaran data dan pensuisan berkelajuan tinggi, serta fotosensitiviti tingginya, membolehkannya mengesan tahap cahaya rendah dengan berkesan. Kapasitan simpangnya yang kecil menyumbang kepada tindak balas pantas dan menjadikannya sesuai untuk litar frekuensi tinggi. Peranti ini dibina menggunakan bahan bebas plumbum dan mematuhi peraturan alam sekitar yang relevan seperti RoHS dan EU REACH, menjadikannya sesuai untuk digunakan dalam produk yang mempunyai keperluan pematuhan alam sekitar yang ketat.

Pasaran sasaran utama dan aplikasi untuk PD438B/S46 adalah dalam elektronik pengguna, automasi perindustrian, dan sistem komunikasi. Spesifikasinya menjadikannya komponen yang ideal untuk pereka bentuk yang bekerja pada pautan data optik berkelajuan tinggi, sistem pengesanan kehadiran, dan peralatan pengukuran cahaya tepat.

2. Analisis Parameter Teknikal Mendalam

2.1 Penarafan Maksimum Mutlak

Peranti ini dinilai untuk menahan voltan songsang maksimum (VR) 32V. Penyerakan kuasa maksimum (Pd) ialah 150 mW, yang mentakrifkan had terma operasi. Wayar boleh dipateri pada suhu sehingga 260°C untuk tempoh tidak melebihi 5 saat, yang serasi dengan proses pateri alir semula standard. Julat suhu operasi ditetapkan dari -40°C hingga +85°C, dan ia boleh disimpan dalam persekitaran dari -40°C hingga +100°C. Penarafan ini memastikan prestasi yang boleh dipercayai dalam pelbagai keadaan persekitaran.

2.2 Ciri Elektro-Optik

Tindak balas spektrum fotodioda ditakrifkan oleh julat lebar jalur spektrumnya (λ0.5), yang merangkumi dari 840 nm hingga 1100 nm. Panjang gelombang sensitiviti puncak (λp) adalah pada 940 nm, meletakkannya di kawasan inframerah dekat, yang biasa digunakan untuk kawalan jauh, sensor optik, dan komunikasi ruang bebas.

Di bawah sinaran 5 mW/cm² pada 940 nm, voltan litar terbuka biasa (VOC) ialah 0.35V. Arus litar pintas (ISC), diukur pada 1 mW/cm² dan 940 nm, biasanya 18 µA. Parameter ini adalah ukuran langsung keupayaan menjana arus peranti di bawah pencahayaan.

Arus cahaya songsang (IL) ialah fotokarus yang dihasilkan apabila diod dibias songsang. Pada VR=5V dan Ee=1 mW/cm² (λp=940nm), nilai biasa ialah 18 µA, dengan nilai minimum terjamin 10.2 µA. Arus gelap (Id), iaitu arus bocor tanpa pencahayaan pada VR=10V, biasanya 5 nA dengan maksimum 30 nA. Arus gelap rendah adalah penting untuk mencapai nisbah isyarat-ke-bunyi yang baik, terutamanya dalam senario pengesanan cahaya rendah.

Voltan pecah songsang (BVR) ditetapkan minimum 32V apabila arus 100 µA mengalir, dengan nilai biasa setinggi 170V. Kapasitan terminal keseluruhan (Ct) pada VR=5V dan 1 MHz biasanya 18 pF. Kapasitan rendah ini adalah faktor utama yang membolehkan masa naik dan turun yang pantas. Masa naik dan turun (tr/tf) kedua-duanya biasanya 50 nanosaat apabila peranti dikendalikan pada VR=10V dengan rintangan beban (RL) 1 kΩ.

3. Analisis Keluk Prestasi

Dokumen teknikal menyediakan beberapa keluk ciri yang menawarkan pandangan yang lebih mendalam tentang tingkah laku peranti di bawah keadaan yang berbeza.

Rajah 1: Penyerapan Kuasa vs Suhu Ambienmenggambarkan penurunan penyerapan kuasa maksimum yang dibenarkan apabila suhu ambien meningkat. Graf ini adalah penting untuk reka bentuk pengurusan terma untuk mengelakkan terlalu panas dan memastikan kebolehpercayaan jangka panjang.

Rajah 2: Sensitiviti Spektrummenunjukkan responsiviti relatif fotodioda merentasi spektrum panjang gelombang dari kira-kira 600 nm hingga 1200 nm. Keluk memuncak pada 940 nm dan menunjukkan tindakan penapisan berkesan pakej epoksi, yang melemahkan tindak balas di luar jalur IR sasaran.

Rajah 3: Arus Gelap vs Suhu Ambienmenunjukkan bagaimana arus bocor (Id) meningkat secara eksponen dengan suhu. Hubungan ini adalah penting untuk aplikasi yang beroperasi pada suhu tinggi, kerana ia mentakrifkan paras bunyi sensor.

Rajah 4: Arus Cahaya Songsang vs Sinaran (Ee)menggambarkan hubungan linear antara fotokarus yang dihasilkan dan ketumpatan kuasa cahaya tuju. Kelinearan ini adalah sifat asas fotodioda PIN dan penting untuk aplikasi pengukuran cahaya analog.

Rajah 5: Kapasitan Terminal vs Voltan Songsangmenunjukkan bahawa kapasitan simpang berkurangan dengan peningkatan voltan bias songsang. Pereka bentuk boleh menggunakan hubungan ini untuk mengoptimumkan kelajuan litar mereka dengan memilih titik bias yang sesuai.

Rajah 6: Masa Tindak Balas vs Rintangan Bebanmenunjukkan bagaimana masa naik/turun isyarat keluaran fotodioda dipengaruhi oleh rintangan beban yang disambungkan kepadanya. Tindak balas lebih pantas dicapai dengan rintangan beban yang lebih rendah, walaupun ini mungkin bertukar dengan ayunan voltan keluaran.

4. Maklumat Mekanikal dan Pembungkusan

4.1 Dimensi Pakej

PD438B/S46 datang dalam pakej silinder pandangan sisi. Dimensi utama termasuk diameter badan dan ketinggian semi-lens seperti yang ditakrifkan dalam lukisan pakej. Semua toleransi tidak ditentukan untuk dimensi linear adalah ±0.25mm. Pakej ini berwarna hitam, yang membantu mengurangkan gangguan cahaya sesat. Konfigurasi pandangan sisi membolehkan pengesanan cahaya dari arah selari dengan satah PCB, yang berguna dalam aplikasi seperti pengesanan kertas dalam pencetak atau pengesanan tepi.

4.2 Pengenalpastian Polarity

Katod biasanya dikenal pasti oleh wayar yang lebih panjang, takuk, atau titik rata pada badan pakej. Polarity yang betul mesti diperhatikan semasa pemasangan, kerana bias songsang adalah keadaan operasi standard untuk fotodioda yang digunakan dalam mod fotokonduktif.

5. Garis Panduan Pateri dan Pemasangan

Peranti ini sesuai untuk proses pateri gelombang dan pateri alir semula. Penarafan maksimum mutlak untuk suhu pateri wayar ialah 260°C, dengan nota bahawa masa pateri tidak boleh melebihi 5 saat. Adalah disyorkan untuk mengikuti garis panduan IPC standard untuk pateri komponen elektronik. Peranti ini harus disimpan dalam persekitaran kering, anti-statik dalam julat suhu penyimpanan yang ditetapkan dari -40°C hingga +100°C untuk mengelakkan penyerapan kelembapan dan kerosakan elektrostatik.

6. Maklumat Pembungkusan dan Pesanan

Spesifikasi pembungkusan standard adalah seperti berikut: 200 hingga 500 keping dibungkus dalam satu beg penghalang kelembapan. Enam beg sedemikian diletakkan ke dalam satu kotak dalaman. Sepuluh kotak dalaman kemudian dibungkus ke dalam satu kotak penghantaran utama. Label pada pembungkusan termasuk medan untuk nombor bahagian pelanggan (CPN), nombor bahagian pengilang (P/N), kuantiti pembungkusan (QTY), dan nombor lot (LOT No.). Medan lain seperti CAT, HUE, dan REF, yang biasa untuk LED untuk menandakan keamatan, panjang gelombang, dan tong voltan, tidak terpakai untuk fotodioda ini kerana ia tidak dikelaskan dengan cara yang sama; medan ini boleh dibiarkan kosong atau digunakan untuk maklumat kebolehjejakan lain.

7. Cadangan Aplikasi

7.1 Senario Aplikasi Biasa

• Pengesanan Foto Berkelajuan Tinggi:Ideal untuk pengekod optik, komunikasi data melalui gentian optik plastik (POF), dan pengesanan pancaran laser di mana tindak balas nanosaat diperlukan.
• Aplikasi Kamera:Boleh digunakan untuk pengesanan cahaya ambien (ALS) atau pengesanan jarak IR dalam telefon pintar, tablet, dan kamera digital. Penapis IR terbina dalam membantu mengukur tahap IR dengan tepat.
• Suis Optoelektronik:Sesuai untuk pengesanan objek, pengiraan, dan pengesanan kedudukan dalam mesin layan diri, automasi perindustrian, dan sistem keselamatan.
• Elektronik Pengguna:Digunakan dalam VCR dan kamera video untuk pengesanan hujung pita atau penerimaan isyarat kawalan.

7.2 Pertimbangan Reka Bentuk

Apabila mereka bentuk litar dengan PD438B/S46, pertimbangkan perkara berikut:

• Voltan Bias:Voltan bias songsang (biasanya 5V hingga 10V mengikut keadaan dokumen teknikal) digunakan untuk melebarkan kawasan susutan, mengurangkan kapasitan dan meningkatkan kelajuan. Pastikan voltan tidak melebihi penarafan maksimum 32V.
• Perintang Beban (RL):Nilai RL dalam konfigurasi transimpedans secara langsung mempengaruhi lebar jalur dan voltan keluaran. RL yang lebih kecil memberikan tindak balas lebih pantas tetapi isyarat keluaran lebih rendah. Rajah 6 dalam dokumen teknikal adalah rujukan utama.
• Penguatan:Fotokarus adalah kecil (mikroampere). Penguat transimpedans (TIA) hampir selalu digunakan untuk menukar arus ini kepada isyarat voltan yang boleh digunakan. Pilih op-amp dengan arus bias input rendah dan lebar jalur yang mencukupi.
• Pengurangan Bunyi:Lindungi fotodioda dan jejak penyambungnya dari bunyi elektrik. Gunakan kapasitor pintas dekat dengan pin kuasa peranti jika litar bias aktif digunakan. Arus gelap rendah membantu mengekalkan nisbah isyarat-ke-bunyi yang baik.
• Pertimbangan Optik:Pastikan lens bersih dan tidak terhalang. Pakej pandangan sisi mungkin memerlukan reka bentuk mekanikal yang teliti untuk menyelaraskan laluan cahaya dengan betul.

8. Perbandingan dan Pembezaan Teknikal

Berbanding dengan fotodioda PN standard, struktur PIN PD438B/S46 menawarkan kelebihan yang berbeza. Kawasan intrinsik (I) antara lapisan P dan N mewujudkan kawasan susutan yang lebih besar. Ini menghasilkan dua faedah utama:1) Kapasitan Simpang Lebih Rendah:Kawasan susutan yang lebih besar bertindak seperti dielektrik yang lebih lebar, mengurangkan kapasitan dengan ketara (biasanya 18 pF), yang merupakan pemacu utama untuk operasi berkelajuan tinggi.2) Kelinearan dan Sensitiviti yang Lebih Baik:Kawasan intrinsik yang luas membolehkan pengumpulan pembawa fotogenerasi yang lebih cekap merentasi isipadu yang lebih luas, membawa kepada kelinearan yang lebih baik dalam fotokarus vs sinaran dan potensi kecekapan kuantum yang lebih tinggi pada panjang gelombang puncaknya.

Selain itu, integrasi epoksi penapis IR terus ke dalam pakej adalah ciri pembezaan. Ia menghapuskan keperluan untuk penapis IR luaran yang berasingan, menjimatkan ruang, mengurangkan kos, dan memudahkan pemasangan. Ini menjadikannya sangat berfaedah untuk reka bentuk elektronik pengguna padat.

9. Soalan Lazim (Berdasarkan Parameter Teknikal)

S: Apakah perbezaan antara arus litar pintas (ISC) dan arus cahaya songsang (IL)?

J: ISC diukur dengan sifar volt merentasi diod (keadaan litar pintas). IL diukur apabila diod dibias songsang (contohnya, pada VR=5V). Dalam praktiknya, untuk fotodioda PIN, nilai-nilai ini sangat serupa kerana fotokarus sebahagian besarnya tidak bergantung pada voltan bias songsang dalam julat operasi biasa.

S: Mengapakah masa naik/turun ditentukan dengan beban 1 kΩ?

J: Beban 1 kΩ mewakili keadaan beban biasa untuk ujian dan litar mudah. Masa tindak balas sebenar dalam aplikasi anda akan bergantung pada rintangan beban dan kapasitan parasit litar khusus anda, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6.

S: Bolehkah fotodioda ini digunakan untuk pengesanan cahaya tampak?

J: Walaupun bahan silikon itu sendiri sensitif kepada cahaya tampak (seperti yang dilihat dalam keluk spektrum yang memanjang ke ~600nm), pakej epoksi hitam bertindak sebagai penapis yang kuat. Sensitivitinya dalam spektrum tampak akan dilemahkan dengan ketara berbanding puncaknya pada 940 nm. Ia terutamanya direka untuk aplikasi inframerah dekat.

S: Bagaimanakah saya mentafsir nilai "Typ." dalam jadual ciri?

J: "Typ." bermaksud nilai biasa, iaitu purata yang dijangkakan di bawah keadaan yang ditentukan. Ia tidak dijamin. Untuk tujuan reka bentuk, terutamanya untuk parameter kritikal, anda harus menggunakan nilai "Min." atau "Maks." untuk memastikan litar anda berfungsi dengan betul merentasi semua variasi dan keadaan pengeluaran.

10. Contoh Reka Bentuk dan Penggunaan Praktikal

Contoh 1: Suis Pengesanan Objek Mudah

Suis opto asas boleh dibina dengan memasangkan PD438B/S46 dengan LED IR (contohnya, memancar pada 940 nm). Fotodioda disambungkan dalam bias songsang dengan perintang tarik ke Vcc (contohnya, 5V). Nod keluaran antara perintang dan katod fotodioda dihantar ke perbanding atau pin input digital pengawal mikro. Apabila objek mengganggu pancaran IR antara LED dan fotodioda, fotokarus turun, menyebabkan voltan pada nod keluaran meningkat, mencetuskan isyarat pengesanan. Masa tindak balas pantas membolehkan pengesanan objek yang bergerak pantas.

Contoh 2: Sensor Cahaya Ambien dengan Pengawal Mikro

Untuk pengukuran tahap cahaya analog, fotodioda boleh disambungkan ke penguat transimpedans. Voltan keluaran TIA, yang berkadar dengan keamatan cahaya IR tuju, kemudian dihantar ke input penukar analog-ke-digital (ADC) pengawal mikro. MCU boleh menggunakan bacaan ini untuk melaraskan kecerahan paparan secara automatik atau untuk menentukan sama ada isyarat kawalan jauh IR hadir. Penapis IR bersepadu membantu memastikan bacaan khusus kepada komponen IR cahaya ambien.

11. Pengenalan Prinsip Operasi

Fotodioda PIN ialah peranti semikonduktor yang menukar cahaya kepada arus elektrik. Ia terdiri daripada lapisan bahan semikonduktor intrinsik (tidak didop atau didop ringan) (kawasan "I") yang diapit antara lapisan jenis-P dan lapisan jenis-N. Apabila foton dengan tenaga lebih besar daripada jurang jalur semikonduktor (untuk silikon, cahaya dengan panjang gelombang kurang daripada ~1100 nm) menghentam peranti, ia boleh mencipta pasangan elektron-lubang dalam kawasan intrinsik. Apabila voltan bias songsang dikenakan, ia mencipta medan elektrik yang kuat merentasi kawasan intrinsik. Medan ini dengan pantas menyapu pembawa fotogenerasi ke arah terminal masing-masing—elektron ke sisi-N dan lubang ke sisi-P—menjana fotokarus yang boleh diukur dalam litar luaran. Lebar kawasan intrinsik adalah kunci: ia membolehkan penjanaan dan pengumpulan pembawa yang cekap sambil mengekalkan kapasitan peranti rendah.

12. Trend dan Konteks Teknologi

Fotodioda PIN silikon seperti PD438B/S46 mewakili teknologi yang matang dan sangat boleh dipercayai. Trend semasa dalam bidang ini memberi tumpuan kepada beberapa bidang:Pengecilan:Membangunkan jejak pakej yang lebih kecil (contohnya, pakej skala cip) untuk aplikasi yang terhad ruang seperti peranti boleh pakai dan telefon bimbit.Integrasi:Menggabungkan fotodioda dengan penguatan, pendigitan, dan litar pemprosesan isyarat pada cip tunggal untuk mencipta sensor optik pintar.Prestasi Dipertingkatkan:Penyelidikan ke dalam struktur seperti fotodioda runtuhan (APD) untuk aplikasi yang memerlukan sensitiviti melampau, walaupun ini lebih kompleks dan mahal.Bahan Baharu:Penerokaan bahan seperti germanium atau sebatian III-V (contohnya, InGaAs) untuk pengesanan dalam panjang gelombang inframerah yang lebih panjang, yang tidak boleh dicapai dengan silikon standard. Untuk aplikasi inframerah dekat arus perdana sehingga 1100 nm, silikon kekal sebagai bahan pilihan yang dominan dan kos efektif kerana kebolehpengeluarannya yang cemerlang dan prestasi.