Техническая документация на фотодиод PD333-3C/H0/L2 диаметром 5 мм - Обратное напряжение 32 В - Пиковая чувствительность 940 нм

1. Обзор продукта

PD333-3C/H0/L2 — это высокоскоростной, высокочувствительный кремниевый PIN-фотодиод в стандартном пластиковом корпусе диаметром 5 мм. Устройство предназначено для применений, требующих быстрого оптического детектирования, благодаря малой емкости перехода и быстрому времени отклика. Использование прозрачной эпоксидной смолы в качестве материала линзы делает его чувствительным к широкому спектру, включая видимое и инфракрасное излучение, с пиковой чувствительностью в ближней инфракрасной области. Основные цели разработки — обеспечение надежной работы в компактных и экономичных сенсорных решениях.

2. Подробный анализ технических параметров

В этом разделе представлен объективный анализ ключевых электрических и оптических параметров, указанных в спецификации.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Максимальное обратное напряжение (VR) для устройства составляет 32 В, что определяет верхний предел напряжения смещения, который можно приложить без риска необратимого повреждения. Диапазон рабочих температур (Topr) составляет от -25°C до +85°C, что подходит для большинства коммерческих и промышленных сред. Хранение возможно в более широком диапазоне от -40°C до +100°C. Температура пайки (Tsol) указана как 260°C, что является стандартной пиковой температурой для процессов бессвинцовой пайки оплавлением. Рассеиваемая мощность (Pc) составляет 150 мВт при температуре окружающей среды 25°C или ниже, что является критическим параметром для теплового режима в схеме применения.

2.2 Электрооптические характеристики

Спектральный отклик широкий, охватывает полосу пропускания (λ0.5) от 400 нм до 1100 нм, с типичной пиковой длиной волны чувствительности (λP) на 940 нм. Это делает его идеальным для инфракрасных сенсорных применений, например, с ИК-светодиодами на 850 нм или 940 нм. Ключевые параметры чувствительности включают типичное напряжение холостого хода (VOC) 0,39 В и ток короткого замыкания (ISC) 40 мкА, измеренные при облучении (Ee) 1 мВт/см² на длине волны 940 нм. При обратном смещении 5 В типичный обратный фототок (IL) составляет 40 мкА при тех же условиях облучения. Обратный темновой ток (ID), критический параметр для работы при слабом освещении, типично равен 5 нА при VR=10 В, максимум — 30 нА. Общая емкость перехода (Ct) типично составляет 18 пФ при VR=5 В и 1 МГц, что напрямую влияет на скорость устройства. Время нарастания и спада (tr/tf) типично составляет 45 нс каждое при измерении с VR=10 В и нагрузочным резистором (RL) 100 Ом, что подтверждает его высокоскоростные возможности. Угол обзора (2θ1/2) составляет 80 градусов.

3. Анализ характеристических кривых

В спецификации приведены несколько типовых характеристических кривых, иллюстрирующих, как ключевые параметры изменяются в зависимости от условий эксплуатации. Эти кривые необходимы инженерам-проектировщикам для прогнозирования реальной производительности.

3.1 Спектральная чувствительность

Кривая спектральной чувствительности показывает относительную чувствительность фотодиода в диапазоне длин волн примерно от 400 нм до 1100 нм. Кривая имеет резкий пик около 940 нм, подтверждая его оптимизацию для ближнего инфракрасного света. Чувствительность значительно падает в глубокой видимой области и за пределами 1100 нм.

3.2 Зависимость от температуры

Две кривые подчеркивают температурные эффекты: "Рассеиваемая мощность в зависимости от температуры окружающей среды" и "Обратный темновой ток в зависимости от температуры окружающей среды". Кривая снижения мощности показывает, как максимально допустимая мощность уменьшается с ростом температуры окружающей среды выше 25°C. Кривая темнового тока демонстрирует, что ID экспоненциально возрастает с температурой, что является общей характеристикой полупроводниковых переходов. Это критически важно для применений, работающих при повышенных температурах, так как увеличение темнового тока повышает уровень шума.

3.3 Линейность и динамический отклик

Кривая "Обратный фототок в зависимости от Ee" иллюстрирует линейность фотодиода. В указанном диапазоне облучения фототок (IL) должен линейно возрастать с увеличением падающей оптической мощности. Кривая "Время отклика в зависимости от сопротивления нагрузки" показывает, как время нарастания/спада (tr/tf) увеличивается с ростом сопротивления нагрузки (RL). Для высокоскоростных применений необходим резистор нагрузки с малым номиналом (например, 100 Ом, как указано в спецификации), хотя он дает меньший размах выходного напряжения.

3.4 Зависимость емкости от напряжения

Кривая "Емкость вывода в зависимости от обратного напряжения" показывает, что емкость перехода (Ct) уменьшается с увеличением напряжения обратного смещения. Это связано с расширением области обеднения. Таким образом, применение более высокого обратного смещения (в пределах нормы) может повысить скорость за счет снижения емкости, ценой потенциально более высокого темнового тока.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство использует стандартный корпус с радиальными выводами диаметром 5 мм (T-1 3/4). Подробный чертеж размеров определяет диаметр, расстояние между выводами, длину выводов и форму линзы. Важное примечание: допуски размеров составляют ±0,25 мм, если не указано иное. Анод и катод идентифицированы, причем более длинный вывод обычно является анодом (положительной стороной в фотогальваническом режиме).

4.2 Определение полярности

Полярность указывается длиной вывода. Более длинный вывод — это анод (P-сторона), более короткий — катод (N-сторона). При работе в фотопроводящем режиме (с обратным смещением) катод должен быть подключен к положительному напряжению питания.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Абсолютное максимальное значение температуры пайки составляет 260°C. Это соответствует типичным профилям бессвинцовой пайки оплавлением. При ручной пайке следует минимизировать время воздействия тепла, чтобы предотвратить повреждение пластикового корпуса и эпоксидной линзы. Устройство должно храниться в условиях, соответствующих указанному диапазону температур хранения (-40°C до +100°C), и в сухой среде для предотвращения поглощения влаги, что может повлиять на надежность во время пайки оплавлением.

6. Информация об упаковке и заказе

6.1 Спецификация упаковки

Стандартный метод упаковки: 200-500 штук в пакете, 5 пакетов во внутренней коробке и 10 внутренних коробок в основной (внешней) коробке.

6.2 Спецификация маркировки

Маркировка на упаковке содержит несколько полей: CPN (номер продукта заказчика), P/N (номер продукта), QTY (количество в упаковке), LOT No. (номер партии для прослеживаемости) и коды дат. Это облегчает управление запасами и прослеживаемость.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

В спецификации перечислены: Высокоскоростное фотодетектирование, Системы безопасности и Камеры. В частности, этот фотодиод хорошо подходит для:

• Приемники инфракрасных пультов дистанционного управления:В паре с ИК-светодиодом на 940 нм и демодулирующей микросхемой.
• Оптические энкодеры:Для измерения скорости и положения в принтерах, двигателях или промышленном оборудовании.
• Датчики внешней освещенности (ALS):Для управления подсветкой дисплеев в устройствах, хотя его чувствительность к ИК-излучению может потребовать фильтрации для точного измерения видимого света.
• Простое обнаружение объектов:В сочетании с ИК-источником для датчиков приближения или прерывания луча.
• Пульсоксиметрия (в медицинских устройствах, при наличии соответствующих сертификатов):Детектирование красного и ИК-света, хотя требуется медицинская сертификация.

7.2 Особенности проектирования

Конфигурация смещения:Для высокоскоростного или линейного отклика используйте фотодиод в фотопроводящем режиме (с обратным смещением). Схема с транс-импедансным усилителем (TIA) обычно используется для преобразования фототока в напряжение. Резистор и конденсатор обратной связи в TIA должны быть выбраны на основе требуемой полосы пропускания и емкости фотодиода (типично 18 пФ).

Минимизация шума:Держите выводы фотодиода короткими и используйте экранированную компоновку для минимизации паразитной емкости и наводок электромагнитных помех. Для применений со слабым освещением рассмотрите возможность охлаждения устройства для снижения шума темнового тока.

Оптические аспекты:Прозрачная линза пропускает видимый и ИК-свет. Если требуется только ИК-детектирование, можно добавить ИК-фильтр, чтобы блокировать видимый свет и снизить шум от внешних видимых источников. Угол обзора 80 градусов обеспечивает широкое поле зрения; при необходимости его можно сузить с помощью оптических диафрагм или линз.

8. Техническое сравнение и отличия

По сравнению со стандартным PN-фотодиодом, PIN-фотодиод, такой как PD333-3C/H0/L2, имеет собственную (I) область между P- и N-слоями. Эта собственная область создает большую область обеднения, что дает два ключевых преимущества:1) Меньшая емкость перехода:Емкость 18 пФ относительно мала для устройства диаметром 5 мм, что обеспечивает более быстрое время отклика.2) Улучшенная линейность:Более широкая область обеднения позволяет более эффективно собирать носители заряда в более широком диапазоне напряжений смещения и интенсивности света. По сравнению с фототранзисторами, фотодиоды, как правило, быстрее и имеют более линейный выходной сигнал, но генерируют гораздо меньший токовый сигнал, требующий более сложного усиления.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

9.1 В чем разница между током короткого замыкания (ISC) и обратным фототоком (IL)?

ISC измеряется при нулевом смещении на диоде (фотогальванический режим), тогда как IL измеряется при заданном обратном смещении (фотопроводящий режим). IL обычно очень близок к ISC, но не точно равен ему. В спецификации оба значения указаны как типичные 40 мкА при одинаковых условиях испытаний.

9.2 Почему важен темновой ток?

Темновой ток — это небольшой ток, который протекает даже при отсутствии света. Он определяет уровень шума сенсора. В применениях со слабым освещением низкий темновой ток (здесь типично 5 нА) необходим для достижения хорошего отношения сигнал/шум.

9.3 Как выбрать нагрузочный резистор (RL) для моего применения?

Выбор представляет собой компромисс между скоростью и амплитудой выходного сигнала. Малое RL (например, 50 Ом) дает быстрый отклик (см. кривую tr/tf от RL), но малое выходное напряжение (Vout = IL * RL). Большое RL дает большее напряжение, но более медленный отклик из-за постоянной времени RC, образованной емкостью фотодиода и RL. Для детектирования цифровых импульсов часто приоритет отдается скорости.

9.4 Можно ли использовать его с источником видимого света, например, красным светодиодом?

Да, кривая спектральной чувствительности показывает значительную чувствительность вплоть до 400 нм. Однако его чувствительность на 650 нм (красный) будет ниже, чем на пике 940 нм. Вы получите меньший сигнал по сравнению с использованием ИК-источника той же оптической мощности.

10. Пример проектирования и использования

Пример: Проектирование приемника инфракрасного канала передачи данных.Разработчику необходимо принимать модулированные данные от ИК-светодиода на 940 нм с частотой 38 кГц (частая частота пультов ДУ). Он выбирает PD333-3C/H0/L2 за его высокую чувствительность на 940 нм и быстрый отклик (время нарастания 45 нс более чем достаточно для 38 кГц). Фотодиод смещен в обратном направлении напряжением 5 В. Выход подключен к специализированной микросхеме приемника ИК-сигналов (которая включает TIA, полосовой фильтр, настроенный на 38 кГц, и демодулятор). Разработчик размещает фотодиод близко к входному выводу микросхемы, использует короткие проводники и добавляет небольшой развязывающий конденсатор рядом с источником смещения для минимизации шума. Перед фотодиодом устанавливается ИК-прозрачное окно, чтобы блокировать видимый свет и снижать помехи от люминесцентных ламп, которые могут мерцать с частотой 100/120 Гц.

11. Принцип работы

PIN-фотодиод — это полупроводниковое устройство, преобразующее свет в электрический ток. Когда фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, попадают на устройство, они генерируют электрон-дырочные пары в собственной области. Под действием встроенного электрического поля (в фотогальваническом режиме) или приложенного обратного смещения (в фотопроводящем режиме) эти носители заряда разделяются, создавая измеримый фототок, пропорциональный падающей оптической мощности. Слой "I" (собственный) является ключевым: он слабо легирован, создавая широкую область обеднения, которая снижает емкость для повышения скорости и улучшает квантовую эффективность, предоставляя больший объем для поглощения фотонов.

12. Технологические тренды

Общая тенденция в технологии фотодиодов — движение в сторону большей интеграции, меньшего шума и большей специфичности применения. Это включает разработку фотодиодов со встроенным усилением (комбинации фотодиод-усилитель на кристалле), матриц для формирования изображений или многоканального детектирования, а также устройств с настроенным спектральным откликом или встроенными оптическими фильтрами. Также продолжаются исследования материалов, отличных от кремния (таких как InGaAs), для детектирования в расширенном инфракрасном диапазоне. Для стандартных коммерческих компонентов, таких как 5-мм PIN-фотодиод, основное внимание уделяется снижению стоимости, повышению надежности и достижению более узкого разброса параметров при сохранении ключевых показателей производительности, таких как скорость и чувствительность.