Техническая документация на фотодиод PD204-6B/L3 - Корпус 3мм - Пиковая чувствительность 940нм

1. Обзор продукта

PD204-6B/L3 — это высокоскоростной, высокочувствительный кремниевый PIN-фотодиод в стандартном пластиковом корпусе диаметром 3 мм. Спектральные характеристики устройства согласованы с видимыми и инфракрасными светодиодами, а пиковая чувствительность оптимизирована для длины волны 940 нм, что делает его подходящим для различных сенсорных применений, требующих быстрого отклика и надежной работы.

Ключевые преимущества этого компонента включают быстрое время отклика, высокую фоточувствительность и малую емкость перехода, что способствует эффективному обнаружению сигнала. Продукт соответствует директивам RoHS и REACH ЕС и производится как бессвинцовое (Pb-free) устройство.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Устройство предназначено для надежной работы в пределах указанных экологических и электрических ограничений. Превышение этих характеристик может привести к необратимому повреждению.

• Обратное напряжение (VR):32 В — максимальное напряжение, которое может быть приложено в обратном смещении к выводам фотодиода.
• Рабочая температура (Topr):от -25°C до +85°C — диапазон температуры окружающей среды для нормальной работы устройства.
• Температура хранения (Tstg):от -40°C до +100°C — диапазон температур для безопасного хранения, когда устройство не находится под напряжением.
• Температура пайки (Tsol):260°C в течение максимум 5 секунд, в соответствии со стандартными профилями пайки оплавлением.
• Рассеиваемая мощность (Pc):150 мВт при температуре окружающего воздуха 25°C или ниже.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры определяют основные рабочие характеристики фотодиода в стандартных условиях испытаний (Ta=25°C).

• Спектральная полоса пропускания (λ0.5):от 760 нм до 1100 нм. Это определяет диапазон длин волн, в котором устройство сохраняет не менее половины своей пиковой чувствительности.
• Длина волны пиковой чувствительности (λP):940 нм (типовое значение). Устройство наиболее чувствительно к свету на этой инфракрасной длине волны.
• Напряжение холостого хода (VOC):0,42 В (типовое значение) при облученности (Ee) 1 мВт/см² на длине волны 940 нм.
• Ток короткого замыкания (ISC):4,3 мкА (типовое значение) при тех же условиях испытаний (Ee=1 мВт/см², λp=940 нм).
• Обратный световой ток (IL):3,9 мкА (мин.), 6 мкА (тип.) при VR=5 В, Ee=1 мВт/см², λp=940 нм. Это фототок, генерируемый при освещении диода в режиме обратного смещения.
• Обратный темновой ток (ID):10 нА (макс.) при VR=10 В в полной темноте (Ee=0 мВт/см²). Это небольшой ток утечки, который протекает даже при отсутствии света.
• Напряжение обратного пробоя (VBR):32 В (мин.), измеренное при обратном токе (IR) 100 мкА в темноте.
• Общая емкость (Ct):10 пФ (тип.) при VR=5 В и частоте 1 МГц. Меньшая емкость обеспечивает более высокие скорости переключения.
• Время нарастания/спада (tr/tf):10 нс / 10 нс (тип.) при VR=10 В и сопротивлении нагрузки (RL) 100 Ом, что указывает на очень быстрый отклик, подходящий для обнаружения импульсного света.
• Угол обзора (2θ1/2):45° (тип.). Это определяет угловое поле зрения, в пределах которого устройство сохраняет чувствительность.

Допуски указаны как ±10% для силы света, ±1 нм для доминирующей длины волны и ±0,1 В для прямого напряжения в соответствующих применениях.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании представлены несколько характеристических кривых, иллюстрирующих поведение устройства в различных условиях. Они необходимы инженерам-конструкторам для прогнозирования работы в реальных условиях.

3.1 Рассеиваемая мощность в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая показывает, как максимально допустимая рассеиваемая мощность уменьшается с ростом температуры окружающей среды выше 25°C. Конструкторы должны соответствующим образом снижать номинальную мощность, чтобы обеспечить долгосрочную надежность.

3.2 Спектральная чувствительность

Кривая спектральной чувствительности подтверждает пиковую чувствительность устройства на длине волны 940 нм и его полезный диапазон примерно от 760 нм до 1100 нм. Она подчеркивает пригодность устройства для применений с использованием распространенных инфракрасных светодиодов.

3.3 Обратный темновой ток в зависимости от температуры окружающей среды

Темновой ток экспоненциально возрастает с температурой. Эта кривая критически важна для применений, работающих при повышенных температурах, так как более высокий темновой ток увеличивает уровень шума и может повлиять на отношение сигнал/шум в условиях слабой освещенности.

3.4 Обратный световой ток в зависимости от облученности (Ee)

Этот график демонстрирует линейную зависимость между генерируемым фототоком (IL) и интенсивностью падающего света (облученностью) в указанном диапазоне. Он подтверждает предсказуемый и линейный фотометрический отклик устройства.

3.5 Емкость выводов в зависимости от обратного напряжения

Емкость перехода (Ct) уменьшается с увеличением напряжения обратного смещения. Меньшая емкость желательна для высокоскоростных применений, и эта кривая помогает выбрать оптимальную точку рабочего смещения.

3.6 Время отклика в зависимости от сопротивления нагрузки

Эта кривая показывает, как время нарастания и спада (tr/tf) зависит от значения внешнего нагрузочного резистора (RL). Более быстрый отклик достигается при меньших сопротивлениях нагрузки, но это происходит в ущерб амплитуде сигнала.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство использует стандартный радиальный корпус диаметром 3 мм с выводами. Чертеж размеров определяет диаметр корпуса, расстояние между выводами и их размеры. Все неуказанные допуски составляют ±0,25 мм. Цвет линзы — черный.

4.2 Идентификация полярности

Катод (отрицательный вывод) обычно обозначается плоской гранью на корпусе или более длинным выводом. Правильную полярность необходимо соблюдать во время сборки схемы для корректной работы в режиме обратного смещения.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Компонент подходит для стандартных процессов сборки печатных плат.

• Пайка оплавлением:Максимальная температура пайки составляет 260°C, а время нахождения при этой температуре или выше не должно превышать 5 секунд, чтобы предотвратить термическое повреждение пластикового корпуса и полупроводникового кристалла.
• Ручная пайка:При необходимости ручной пайки следует использовать паяльник с регулировкой температуры с минимальным временем контакта (обычно менее 3 секунд на вывод).
• Очистка:Используйте чистящие средства, совместимые с материалом пластикового корпуса.
• Хранение:Храните в сухой антистатической среде в пределах указанного диапазона температур хранения от -40°C до +100°C.

6. Упаковка и информация для заказа

6.1 Спецификация количества в упаковке

Стандартная упаковка следующая: 200-1000 штук в пакете, 4 пакета в коробке и 10 коробок в картонной коробке. Это обеспечивает гибкость как для прототипирования, так и для серийного производства.

6.2 Спецификация формы этикетки

Этикетка продукта содержит ключевую информацию для прослеживаемости и идентификации:

• CPN:Номер продукта заказчика
• P/N:Номер продукта (например, PD204-6B/L3)
• QTY:Количество в упаковке
• CAT, HUE, REF:Ранги для силы света, доминирующей длины волны и прямого напряжения (если сортировка произведена).
• LOT No:Номер производственной партии для прослеживаемости.
• X:Месяц производства.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типичные сценарии применения

PD204-6B/L3 хорошо подходит для различных оптоэлектронных сенсорных применений, включая:

• Датчики автоматических дверей:Обнаружение прерывания инфракрасного луча для активации механизмов открытия/закрытия дверей.
• Копировальные аппараты и принтеры:Используются для обнаружения бумаги, определения края или контроля уровня тонера.
• Игровые автоматы/аркадные системы:Для обнаружения объектов, интерактивного управления или определения положения.
• Универсальное инфракрасное сенсирование:Приемники пультов дистанционного управления, датчики приближения и промышленная автоматизация, где требуется быстрое и надежное обнаружение ИК-света с длиной волны 940 нм.

7.2 Вопросы проектирования

• Цепь смещения:Для оптимальной скорости и линейности работайте с фотодиодом в режиме обратного смещения (фотопроводящий режим). Типичное обратное напряжение составляет от 5 В до 10 В, как показано в спецификациях.
• Нагрузочный резистор (RL):Выбирайте RL на основе необходимого компромисса между скоростью отклика (полосой пропускания) и размахом выходного напряжения. Для преобразования малого фототока в полезное напряжение при сохранении высокой скорости и низкого уровня шума рекомендуется использовать схему с транс-импедансным усилителем (TIA).
• Оптические соображения:Обеспечьте правильное выравнивание с источником света (обычно ИК-светодиодом на 940 нм). Угол обзора 45° следует учитывать для поля зрения. Использование оптического фильтра может помочь блокировать нежелательный окружающий свет, особенно видимый свет.
• Подавление шума:Для чувствительных применений экранируйте устройство и его схему от электрических помех. Делайте дорожки короткими, используйте блокировочные конденсаторы и учитывайте влияние темнового тока при высоких рабочих температурах.

8. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению со стандартными фотодиодами или фототранзисторами с более медленным временем отклика, PD204-6B/L3 предлагает явные преимущества:

• Высокая скорость:Времена нарастания/спада 10 нс делают его значительно быстрее многих универсальных фототранзисторов, что позволяет обнаруживать быстро модулированные сигналы.
• PIN-структура:Конструкция PIN-фотодиода обеспечивает более широкую область обеднения, чем у стандартного PN-фотодиода, что приводит к меньшей емкости перехода (10 пФ) и более высокой скорости.
• Оптимизированный спектр:Пиковая чувствительность 940 нм точно согласована с выходом распространенных, недорогих инфракрасных светодиодов, максимизируя эффективность системы.
• Стандартный корпус:Радиальный корпус диаметром 3 мм является распространенным форм-фактором в отрасли, что упрощает интеграцию в существующие конструкции и совместимость со стандартными посадочными местами на печатной плате.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

9.1 В чем разница между работой в фотогальваническом (с нулевым смещением) и фотопроводящем (с обратным смещением) режимах?

В фотогальваническом режиме (V_R=0 В) фотодиод генерирует напряжение (V_OC). В этом режиме темновой ток отсутствует, но отклик медленнее, а линейность хуже. В спецификациях PD204-6B/L3 указано VOC=0,42 В. В фотопроводящем режиме (с обратным смещением, например, V_R=5 В) прикладывается внешнее напряжение. Это уменьшает емкость перехода (обеспечивая более быстрый отклик, как видно по tr/tf=10 нс), улучшает линейность и позволяет использовать большую активную область, но вносит темновой ток (I_D). Для высокоскоростных применений, для которых предназначено это устройство, рекомендуется фотопроводящий режим.

9.2 Как преобразовать фототок (I_L) в измеряемое напряжение?

Самый простой метод — использовать нагрузочный резистор (R_L) последовательно. Выходное напряжение равно V_out = I_L * R_L. Однако с увеличением R_L постоянная времени RC (с емкостью диода) увеличивается, замедляя отклик (как показано на кривой "Время отклика в зависимости от сопротивления нагрузки"). Для оптимальной производительности, особенно при малых токах и необходимости высокой скорости, предпочтительной схемой является транс-импедансный усилитель (TIA). Он обеспечивает стабильное низкоимпедансное выходное напряжение (V_out = -I_L * R_f), удерживая фотодиод на виртуальной земле и сводя к минимуму влияние емкости.

9.3 Почему важен темновой ток и как температура влияет на него?

Темновой ток (I_D) — это шумовой ток, который протекает при отсутствии света. Он устанавливает нижний предел обнаруживаемого света. В техническом описании указано максимальное значение 10 нА при 25°C. Этот ток удваивается примерно каждые 10°C повышения температуры. Следовательно, в условиях высоких температур или при обнаружении очень слабого света темновой ток может стать значительным источником шума, и его необходимо учитывать при проектировании схемы (например, с помощью температурной компенсации или методов синхронного детектирования).

9.4 Можно ли использовать этот датчик с источниками света, отличными от 940нм?

Да, но с пониженной чувствительностью. Кривая спектральной чувствительности показывает значительную чувствительность в диапазоне от 760 нм до 1100 нм. Например, он будет реагировать на светодиоды с длиной волны 850 нм, но генерируемый фототок при той же интенсивности света будет ниже, чем с источником 940 нм. Всегда обращайтесь к кривой относительной спектральной чувствительности (если она предоставлена полностью) или рассчитывайте чувствительность на желаемой длине волны для точного проектирования.

10. Практический пример проектирования

Пример проекта: Датчик прерывания инфракрасного луча для охранных ворот.

Цель:Создать надежный, быстрый датчик для обнаружения прерывания невидимого инфракрасного луча объектом с последующей активацией охранной сигнализации.

Реализация:

1. Передатчик:Инфракрасный светодиод с длиной волны 940 нм управляется импульсным током (например, импульсы 20 мА на частоте 38 кГц) для обеспечения устойчивости к окружающему свету и снижения среднего энергопотребления.
2. Приемник:PD204-6B/L3 размещается напротив передатчика, выравниваясь в пределах его угла обзора 45°. На него подается обратное смещение 5 В через нагрузочный резистор.
3. Обработка сигнала:Малый сигнал переменного фототока с фотодиода (наложенный на постоянный темновой ток) подается на высокоусилительный полосовой усилитель, настроенный на 38 кГц. Это отфильтровывает постоянную составляющую окружающего света и низкочастотные шумы.
4. Детектирование:Затем усиленный сигнал выпрямляется и сравнивается с пороговым значением. Когда луч не прерывается, присутствует сильный сигнал 38 кГц, и выход компаратора имеет высокий уровень. Когда объект прерывает луч, сигнал исчезает, заставляя компаратор переключиться в низкий уровень и активировать сигнализацию.

Почему PD204-6B/L3 подходит:Его быстрое время отклика 10 нс легко обрабатывает модулированный сигнал 38 кГц. Высокая чувствительность на длине волны 940 нм обеспечивает хорошее отношение сигнал/шум от согласованного ИК-светодиода. Низкая емкость позволяет создать отзывчивую схему даже с необходимыми фильтрующими компонентами.

11. Принцип работы

PIN-фотодиод, такой как PD204-6B/L3, работает на принципе внутреннего фотоэлектрического эффекта. Структура устройства состоит из широкой, слаболегированной собственной (I) полупроводниковой области, зажатой между областями P-типа и N-типа. Когда фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника (например, инфракрасный свет с длиной волны 940 нм для кремния), попадают в собственную область, они генерируют электрон-дырочные пары. Когда диод находится под обратным смещением, встроенное электрическое поле в области обеднения (которая простирается через собственную область) направляет эти носители заряда к соответствующим выводам, создавая фототок (I_L), пропорциональный интенсивности падающего света. Широкая собственная область уменьшает емкость и позволяет эффективно собирать носители, генерируемые в большем объеме, что способствует как скорости, так и чувствительности.

12. Тенденции и контекст в отрасли

Фотодетекторы, такие как PD204-6B/L3, являются фундаментальными компонентами в растущей области оптоэлектроники и сенсорики. Текущие тенденции, стимулирующие спрос на такие устройства, включают:

• Автоматизация и Индустрия 4.0:Увеличение использования бесконтактных датчиков для определения положения, наличия и контроля качества в производстве.
• Потребительская электроника:Интеграция в устройства для определения приближения (например, отключение экрана смартфона во время разговора), датчиков внешней освещенности для управления яркостью дисплея и распознавания жестов.
• Интернет вещей (IoT):Энергоэффективные, надежные датчики для устройств умного дома, систем безопасности и мониторинга окружающей среды.
• Достижения:Общая тенденция направлена на более высокую степень интеграции (например, фотодиоды со встроенными усилителями), меньшие корпуса (компоненты для поверхностного монтажа), более низкое энергопотребление и улучшенные характеристики на определенных длинах волн для применений, таких как LiDAR, биомедицинское зондирование и оптическая связь. Устройства, подобные PD204-6B/L3, представляют собой зрелое, надежное и экономически эффективное решение для основных потребностей в инфракрасном сенсировании.

13. Отказ от ответственности и примечания по использованию

Критические рекомендации по использованию, вытекающие из отказа от ответственности в техническом описании, включают:

1. Спецификации могут быть изменены. Всегда обращайтесь к последней официальной версии технического описания при проектировании.
2. Продукт соответствует опубликованным спецификациям в течение 12 месяцев с даты отгрузки при нормальных условиях хранения.
3. Характеристические кривые показывают типичные характеристики, а не гарантированные минимальные или максимальные значения. Проектируйте с соответствующими запасами.
4. Строго соблюдайте Предельные эксплуатационные характеристики. Работа за этими пределами может вызвать немедленный или скрытый отказ. Производитель не несет ответственности за ущерб, возникший в результате неправильного использования.
5. Информация является собственностью. Воспроизведение без разрешения запрещено.
6. Этот компонентнепредназначен и не сертифицирован для критически важных для безопасности применений, таких как медицинские системы поддержания жизни, автомобильное управление, авиация или военные системы. Для таких применений обратитесь к производителю для получения специально сертифицированных продуктов.