Техническая документация на кремниевый PIN-фотодиод PD438B с диаметром 4.8 мм и черной линзой

1. Обзор продукта

PD438B — это высокопроизводительный кремниевый PIN-фотодиод, предназначенный для применений, требующих быстрого отклика и высокой чувствительности к инфракрасному излучению. Он размещен в компактном цилиндрическом пластмассовом корпусе с боковым обзором диаметром 4.8 мм. Ключевой особенностью устройства является его эпоксидный корпус, который выполняет функцию встроенного инфракрасного (ИК) фильтра. Этот встроенный фильтр спектрально согласован с распространенными ИК-излучателями, что повышает отношение сигнал/шум, избирательно пропуская целевую ИК-длину волны и ослабляя нежелательный видимый свет.

Основные преимущества PD438B включают быстрое время отклика, высокую фоточувствительность и малую емкость перехода, что делает его подходящим для высокоскоростных схем детектирования. Устройство изготовлено из бессвинцовых материалов и соответствует соответствующим экологическим нормам, таким как RoHS и EU REACH, что обеспечивает его пригодность для современного электронного производства.

Основными целевыми рынками и областями применения этого фотодиода являются потребительская электроника и промышленные датчики. Он идеально подходит для использования в качестве высокоскоростного фотодетектора в таких системах, как камеры, видеомагнитофоны и видеокамеры. Его характеристики также делают его надежным компонентом в различных оптоэлектронных переключателях и сенсорных модулях, где критически важна точная детекция ИК-сигналов.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

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

• Обратное напряжение (VR):32 В. Это максимальное напряжение, которое может быть приложено в обратном смещении к выводам фотодиода.
• Рассеиваемая мощность (Pd):150 мВт. Этот параметр учитывает общую мощность, которую может выдержать устройство, в основном от тока обратной утечки при смещении.
• Рабочая температура (Topr):от -40°C до +85°C. Гарантированный диапазон рабочих характеристик фотодиода при нормальной работе.
• Температура хранения (Tstg):от -40°C до +100°C. Безопасный температурный диапазон для устройства при отсутствии питания.
• Температура пайки (Tsol):260°C в течение максимум 5 секунд. Это определяет ограничения профиля пайки оплавлением для предотвращения повреждения корпуса.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры, измеренные при стандартной температуре 25°C, определяют основные характеристики фотодетектирования PD438B.

• Спектральная полоса пропускания (λ0.5):от 400 нм до 1100 нм. Это определяет диапазон длин волн, где чувствительность фотодиода составляет не менее половины от пикового значения. Это подтверждает чувствительность от видимого синего света до ближнего инфракрасного диапазона.
• Длина волны пиковой чувствительности (λp):940 нм (тип.). Фотодиод наиболее чувствителен к инфракрасному свету на этой длине волны, что является стандартом для многих ИК-светодиодов и систем дистанционного управления.
• Напряжение холостого хода (VOC):0.35 В (тип.) при облученности (Ee) 5 мВт/см² на длине волны 940 нм. Это напряжение, генерируемое фотодиодом в фотогальваническом режиме (без внешнего смещения) при заданных условиях освещения.
• Ток короткого замыкания (ISC):18 мкА (тип.) при 1 мВт/см² на длине волны 940 нм. Это фототок, генерируемый при закороченных выводах диода, представляющий его максимальный выходной ток для заданного уровня освещенности.
• Обратный световой ток (IL):18 мкА (тип.) при VR=5В и 1 мВт/см² на длине волны 940 нм. Это фототок, измеряемый при обратном смещении диода, что является стандартным режимом работы для высокоскоростного и линейного отклика.
• Темновой ток (Id):5 нА (тип.), 30 нА (макс.) при VR=10В в полной темноте. Это небольшой ток утечки, который протекает даже при отсутствии света. Низкий темновой ток имеет решающее значение для обнаружения слабых световых сигналов.
• Напряжение пробоя при обратном смещении (BVR):170 В (тип.), 32 В (мин.). Напряжение, при котором обратный ток резко возрастает. Рабочее обратное напряжение всегда должно быть значительно ниже этого значения.
• Полная емкость (Ct):25 пФ (тип.) при VR=3В и частоте 1 МГц. Эта емкость перехода напрямую влияет на скорость устройства; меньшая емкость обеспечивает более быстрое время отклика.
• Время нарастания/спада (tr/tf):50 нс / 50 нс (тип.) при VR=10В и нагрузочном резисторе (RL) 1 кОм. Эти параметры определяют, насколько быстро выходной ток фотодиода может изменяться в ответ на световой импульс, определяя его высокоскоростные возможности.

Указаны допуски для ключевых параметров: Световой поток (±10%), Доминирующая длина волны (±1нм) и Прямое напряжение (±0.1В), что обеспечивает стабильность в производственных партиях.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании представлены несколько характеристических кривых, иллюстрирующих, как ключевые параметры изменяются в зависимости от условий эксплуатации. Они необходимы для разработчиков схем.

3.1 Спектральная чувствительность

Кривая спектральной чувствительности показывает относительную чувствительность фотодиода на разных длинах волн. Она будет иметь резкий пик около 940 нм из-за встроенного эпоксидного ИК-фильтра, с существенно сниженной чувствительностью в видимом спектре (400-700 нм). Эта кривая критически важна для обеспечения соответствия детектора длине волны излучателя.

3.2 Темновой ток в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая обычно показывает экспоненциальный рост темнового тока (Id) с повышением температуры окружающей среды. Разработчики должны учитывать этот повышенный уровень собственных шумов в высокотемпературных приложениях или при обнаружении очень слабых световых сигналов.

3.3 Обратный световой ток в зависимости от облученности (Ee)

Этот график демонстрирует линейную зависимость между мощностью падающего света (облученностью) и генерируемым фототоком (IL) при обратном смещении диода. Линейность является ключевой особенностью PIN-фотодиодов, что делает их подходящими для приложений измерения света.

3.4 Емкость перехода в зависимости от обратного напряжения

Емкость перехода (Ct) уменьшается с увеличением напряжения обратного смещения (VR). Эта кривая позволяет разработчикам выбрать рабочее напряжение смещения, которое оптимизирует компромисс между скоростью (меньшая емкость при более высоком напряжении) и потребляемой мощностью/нагревом.

3.5 Время отклика в зависимости от сопротивления нагрузки

Время нарастания/спада (tr/tf) зависит от постоянной времени RC, образованной емкостью перехода фотодиода и внешним нагрузочным сопротивлением (RL). Эта кривая показывает, как время отклика увеличивается с увеличением нагрузочных резисторов, что помогает в выборе RL для достижения желаемой скорости в схемах усилителей тока в напряжение.

3.6 Рассеиваемая мощность в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая снижения номинальных значений указывает максимально допустимую рассеиваемую мощность как функцию температуры окружающей среды. По мере роста температуры максимальная безопасная мощность, которую может выдержать устройство, линейно уменьшается, что важно для теплового управления в конструкции системы.

4. Механическая и корпусная информация

4.1 Габаритные размеры корпуса

PD438B размещен в цилиндрическом корпусе с боковым обзором номинальным диаметром 4.8 мм. Подробный механический чертеж в техническом описании предоставляет все критические размеры, включая диаметр корпуса, длину, расстояние между выводами и диаметр выводов. Стандартный допуск ±0.25 мм применяется ко всем размерам корпуса, если не указано иное. Конфигурация с боковым обзором предназначена для применений, где световой путь параллелен поверхности печатной платы.

4.2 Идентификация полярности

Фотодиод является поляризованным компонентом. Катод обычно идентифицируется более длинным выводом, плоской меткой на корпусе или специальной маркировкой. Схема корпуса в техническом описании четко указывает подключения анода и катода, которые необходимо соблюдать во время сборки для обеспечения правильного смещения (обратное смещение для нормальной работы).

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Для обеспечения надежности и предотвращения повреждений в процессе сборки необходимо соблюдать определенные условия пайки.

• Пайка оплавлением:Компонент подходит для поверхностного монтажа с использованием технологии пайки оплавлением. Пиковая температура пайки не должна превышать 260°C, а время выше этой температуры должно быть ограничено 5 секундами или менее, чтобы предотвратить термическое повреждение эпоксидного корпуса и полупроводникового кристалла.
• Ручная пайка:Если необходима ручная пайка, следует использовать паяльник с регулируемой температурой. Время контакта с выводами должно быть сведено к минимуму, рекомендуется теплоотвод на выводе между местом пайки и корпусом.
• Условия хранения:Устройства должны храниться в оригинальных влагозащитных пакетах в среде, контролируемой в пределах диапазона температур хранения от -40°C до +100°C и при низкой влажности для предотвращения окисления выводов.

6. Информация об упаковке и заказе

6.1 Спецификация упаковки

Стандартный процесс упаковки для PD438B следующий: 500 штук упаковываются в один антистатический пакет. Шесть таких пакетов помещаются в одну внутреннюю коробку. Наконец, десять внутренних коробок упаковываются в одну транспортную (внешнюю) коробку, в результате чего получается всего 30 000 штук на одну основную коробку.

6.2 Спецификация маркировки

Маркировка на упаковке содержит несколько ключевых идентификаторов:

• CPN:Номер продукта заказчика (если назначен).
• P/N:Номер продукта производителя (PD438B).
• QTY:Количество устройств в упаковке.
• CAT, HUE, REF:Коды, представляющие соответственно ранг светового потока, ранг доминирующей длины волны и ранг прямого напряжения для продуктов, прошедших сортировку.
• LOT No:Отслеживаемый номер производственной партии.

Такая маркировка обеспечивает прослеживаемость и правильное обращение с материалами на протяжении всей цепочки поставок.

7. Примечания по применению и рекомендации по проектированию

7.1 Типовые схемы включения

PD438B чаще всего используется в одной из двух конфигураций схем:

1. Фотогальванический режим (нулевое смещение):Фотодиод подключен непосредственно к высокоимпедансной нагрузке (например, входу операционного усилителя). Этот режим обеспечивает минимальный темновой ток и шум, но имеет более медленный отклик и меньшую линейность. Он подходит для низкоскоростных прецизионных измерений света.
2. Фотопроводящий режим (обратное смещение):Фотодиод подключен катодом к положительному напряжению, а анодом к виртуальной земле (например, инвертирующему входу усилителя тока в напряжение). Это рекомендуемый режим для PD438B для использования его высокоскоростных возможностей. Обратное смещение уменьшает емкость перехода (увеличивая скорость) и улучшает линейность. Значение резистора обратной связи в усилителе тока в напряжение устанавливает коэффициент усиления (Vout = Iphoto * Rfeedback).

7.2 Рекомендации по проектированию

• Выбор напряжения смещения:Выберите напряжение обратного смещения (например, от 5В до 10В), которое обеспечивает хороший компромисс между скоростью (меньшая емкость) и потребляемой мощностью. Не превышайте максимальное обратное напряжение 32В.
• Выбор усилителя:Для высокоскоростных применений используйте PD438B в паре с малошумящим операционным усилителем с высокой полосой пропускания, сконфигурированным как усилитель тока в напряжение. Входной ток смещения и шум напряжения усилителя должны быть низкими, чтобы не ухудшать сигнал фотодиода.
• Разводка печатной платы:Располагайте фотодиод и связанный с ним усилитель близко друг к другу, чтобы минимизировать паразитную емкость и наводки на чувствительном высокоимпедансном узле. Используйте охранное кольцо, подключенное к точке с низким импедансом (например, выходу усилителя или земляной плоскости), вокруг подключения анода фотодиода для уменьшения токов утечки.
• Оптическое выравнивание:Обеспечьте правильное механическое выравнивание между ИК-излучателем и фотодиодом. Корпус с боковым обзором предназначен для этого. Рассмотрите возможность использования трубки или барьера для блокировки окружающего света и перекрестных помех.

8. Техническое сравнение и отличительные особенности

PD438B выделяется на рынке благодаря нескольким ключевым особенностям:

• Встроенный ИК-фильтр:Сам эпоксидный корпус действует как фильтр, устраняя необходимость в отдельном фильтрующем компоненте, сокращая количество деталей, стоимость и упрощая сборку.
• Корпус с боковым обзором:Цилиндрический форм-фактор с боковым обзором идеально подходит для применений, где световой путь проходит параллельно печатной плате, например, в щелевых датчиках, системах краевого обнаружения и некоторых типах энкодеров.
• Сбалансированная производительность:Он предлагает хорошо сбалансированное сочетание скорости (50 нс), чувствительности (18 мкА при 1 мВт/см²) и низкого темнового тока, что делает его универсальным выбором для широкого спектра средне- и высокоскоростных задач ИК-детектирования.
• Соответствие экологическим нормам:Его бессвинцовая конструкция и соответствие RoHS и REACH делают его подходящим для мировых рынков со строгими экологическими нормами.

По сравнению с более крупными фотодиодами он имеет меньшие габариты. По сравнению с фотодиодами без фильтра он обеспечивает лучшее подавление шумов от окружающего видимого света.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Какова цель черной эпоксидной линзы?

О1: Черная эпоксидная смола предназначена не только для внешнего вида; она разработана как эффективный инфракрасный фильтр. Она пропускает целевую ИК-длину волны (пик на 940 нм), поглощая большую часть видимого света, что значительно снижает помехи от источников окружающего света, таких как комнатное освещение.

В2: Следует ли эксплуатировать PD438B с обратным смещением или без него?

О2: Для высокоскоростной работы (как указано временем нарастания 50 нс) настоятельно рекомендуется эксплуатировать PD438B в фотопроводящем режиме с обратным смещением, обычно от 5В до 10В. Это уменьшает емкость перехода и улучшает линейность и скорость.

В3: Как преобразовать фототок в полезный сигнал напряжения?

О3: Наиболее распространенный и эффективный метод — использование схемы усилителя тока в напряжение (TIA). Фотодиод подключается между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, а резистор обратной связи определяет коэффициент усиления (Vout = -Iphoto * Rf). Часто параллельно резистору добавляется небольшой конденсатор обратной связи для стабилизации схемы и ограничения полосы пропускания.

В4: Каково значение параметра "Темновой ток"?

О4: Темновой ток — это небольшой ток, протекающий через фотодиод, когда он находится в полной темноте и под обратным смещением. Он действует как источник шума. Более низкий темновой ток (5 нА, тип. для PD438B) означает, что устройство может обнаруживать более слабые световые сигналы без маскировки сигнала собственным шумом.

В5: Можно ли использовать этот фотодиод для детектирования видимого света?

О5: Хотя его спектральный диапазон начинается с 400 нм (фиолетовый), его чувствительность в видимом спектре значительно ослаблена ИК-фильтрующей эпоксидной линзой. Его пиковая чувствительность находится строго в инфракрасной области на 940 нм. Для детектирования преимущественно видимого света более подходящим был бы фотодиод без ИК-фильтрующего корпуса.

10. Принцип работы

PIN-фотодиод — это полупроводниковое устройство с широкой, слаболегированной собственной (I) областью, зажатой между областями P-типа и N-типа. Когда фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, попадают на устройство, они создают электрон-дырочные пары в собственной области. Под действием внешнего электрического поля обратного смещения эти носители заряда разделяются, генерируя фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. Широкая собственная область обеспечивает несколько преимуществ: она создает большую область обеднения для поглощения фотонов (повышая чувствительность), уменьшает емкость перехода (повышая скорость) и позволяет работать при более высоких обратных напряжениях. PD438B использует кремний, ширина запрещенной зоны которого подходит для детектирования света от видимого до ближнего инфракрасного спектра.

11. Отказ от ответственности и условия использования

Информация, содержащаяся в данном техническом документе, может быть изменена без предварительного уведомления. Предоставленные графики и типичные значения предназначены для руководства при проектировании и не являются гарантированными спецификациями. При использовании этого компонента разработчики должны строго соблюдать Предельные эксплуатационные характеристики, чтобы предотвратить отказ устройства. Производитель не несет ответственности за любой ущерб, возникший в результате использования этого продукта вне указанных рабочих условий. Данный продукт не предназначен для использования в критически важных для безопасности, жизнеобеспечивающих, военных, автомобильных или аэрокосмических приложениях без предварительной консультации и специальной квалификации.