Техническая документация на фотодиод PD333-3B/L4 - 5мм полулинза - Кремниевый PIN - Черный корпус

1. Обзор продукта

PD333-3B/L4 — это высокоскоростной, высокочувствительный кремниевый PIN-фотодиод в цилиндрическом пластмассовом корпусе с боковым излучением. Его отличительная особенность — интегрированный эпоксидный корпус, который также выполняет функцию инфракрасного (ИК) фильтра, что обеспечивает спектральное согласование с распространенными ИК-излучателями. Такая интеграция упрощает оптическую конструкцию, снижая потребность во внешних фильтрующих компонентах. Устройство предназначено для применений, требующих быстрого времени отклика и надежного детектирования инфракрасного света, особенно в диапазоне длин волн 940 нм.

Ключевые преимущества включают быстрое время отклика, высокую фоточувствительность и малую емкость перехода, что критически важно для целостности сигнала в высокоскоростных приложениях. Компонент соответствует директивам RoHS и REACH ЕС и производится с использованием бессвинцовых процессов, что соответствует современным экологическим и техническим стандартам для электронных компонентов.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Устройство рассчитано на работу в определенных пределах окружающей среды и электрических параметров для обеспечения надежности и предотвращения повреждений. Максимальное обратное напряжение (VR) составляет 32 В. Допустимая мощность рассеяния (Pd) — 150 мВт. Компонент выдерживает температуру пайки выводов (Tsol) до 260°C в течение не более 5 секунд, что совместимо со стандартными процессами групповой пайки оплавлением. Диапазон рабочих температур (Topr) — от -40°C до +85°C, а диапазон температур хранения (Tstg) — от -40°C до +100°C, что указывает на надежную работу в широком диапазоне условий.

2.2 Электрооптические характеристики

Характеристики фотодиода приведены для стандартных условий (Ta=25°C). Его спектральная полоса пропускания (λ0.5) составляет от 840 нм до 1100 нм с пиком чувствительности (λp) на 940 нм. Это делает его идеальным для использования с ИК-светодиодами на 940 нм. Ключевые электрические параметры включают типичное напряжение холостого хода (VOC) 0,42 В при освещенности 5 мВт/см² на длине волны 940 нм и типичный ток короткого замыкания (ISC) 10 мкА при освещенности 1 мВт/см² на длине волны 940 нм.

Обратный световой ток (IL), то есть фототок, генерируемый при обратном смещении, составляет типично 12 мкА (VR=5 В, Ee=1 мВт/см², λp=940 нм). Темновой ток (Id), критический параметр для чувствительности при слабом освещении, задан максимальным значением 10 нА (VR=10 В). Минимальное напряжение обратного пробоя (BVR) составляет 32 В, типичное значение — 170 В. Полная емкость выводов (Ct) типично равна 5 пФ при VR=5 В и частоте 1 МГц, что является низким значением, способствующим высокоскоростным возможностям устройства.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены несколько характеристических кривых, иллюстрирующих поведение устройства в различных условиях. Эти графики необходимы инженерам-конструкторам для прогнозирования работы в реальных приложениях, выходящих за рамки стандартных испытательных условий.

3.1 Тепловые и оптические характеристики

На Рисунке 1 показана зависимость допустимой мощности рассеяния от температуры окружающей среды. С ростом температуры максимально допустимая мощность рассеяния линейно уменьшается, что является стандартной характеристикой снижения мощности для полупроводниковых приборов. На Рисунке 2 изображена кривая спектральной чувствительности, подтверждающая пик отклика на 940 нм и заданные точки среза на 840 нм и 1100 нм, где чувствительность падает до половины пикового значения.

3.2 Зависимость тока от освещенности и температуры

На Рисунке 3 показано, как темновой ток (Id) возрастает экспоненциально с увеличением температуры окружающей среды. Это фундаментальное свойство полупроводниковых переходов, критически важное для приложений, работающих при повышенных температурах, поскольку увеличение темнового тока повышает уровень собственных шумов. На Рисунке 4 показана линейная зависимость обратного светового тока (IL) от облученности (Ee), демонстрирующая предсказуемое и линейное генерирование фототока фотодиодом.

3.3 Емкость и время отклика

На Рисунке 5 показана зависимость емкости выводов от обратного напряжения. Емкость уменьшается с увеличением обратного смещения, что типично для PIN-фотодиодов. Меньшая емкость обеспечивает более быстрое время отклика. На Рисунке 6 показана зависимость времени отклика от сопротивления нагрузки. Время отклика увеличивается с ростом сопротивления нагрузки из-за постоянной времени RC, образованной емкостью перехода и внешней нагрузкой. Для высокоскоростных приложений обычно используется нагрузочный резистор с малым номиналом (например, 50 Ом), хотя это компромисс между амплитудой сигнала и скоростью.

4. Механические данные и информация о корпусе

PD333-3B/L4 поставляется в цилиндрическом корпусе с боковым излучением. Сам корпус черного цвета, что способствует снижению внутренних отражений и помех от рассеянного света. Конструкция "полулинзы" помогает фокусировать падающий свет на активную кремниевую область, повышая эффективную чувствительность. Подробные размеры корпуса приведены в техническом описании, все измерения указаны в миллиметрах. Критические допуски для механического размещения обычно составляют ±0,25 мм. Ориентация с боковым излучением особенно полезна для применений, где световой путь параллелен поверхности печатной платы, например, в щелевых датчиках или системах обнаружения кромок.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Компонент подходит для стандартных процессов сборки печатных плат. Максимально допустимая температура пайки выводов составляет 260°C. Крайне важно, чтобы время пайки при этой температуре не превышало 5 секунд, чтобы предотвратить повреждение пластмассового корпуса или внутреннего полупроводникового кристалла. Стандартные профили групповой пайки оплавлением или волной, используемые для бессвинцовых сборок, как правило, применимы. Правильное обращение для предотвращения загрязнения поверхности линзы необходимо для сохранения оптических характеристик. Хранение должно осуществляться в пределах указанного диапазона температур от -40°C до +100°C в сухой среде.

6. Упаковка и информация для заказа

Стандартная спецификация упаковки: 500 штук в пакете, 5 пакетов в коробке и 10 коробок в картонной коробке. Такая групповая упаковка типична для автоматизированных сборочных линий. На этикетке упаковки указана критически важная информация для прослеживаемости и проверки: производственный номер заказчика (CPN), производственный номер (P/N), количество в упаковке (QTY), категории качества (CAT), пиковая длина волны (HUE), справочный код (REF) и номер производственной партии. Также указан месяц производства. Пользователям следует сверить информацию на этикетке со своими внутренними записями и спецификациями технического описания.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

PD333-3B/L4 хорошо подходит для нескольких ключевых применений. В качествевысокоскоростного фотодетектора, он может использоваться в каналах передачи данных с использованием инфракрасного света, сканерах штрих-кодов или системах детектирования импульсов. Его интеграция вфотоаппаратыможет быть предназначена для систем помощи автофокусировки или экспонометрии. Воптоэлектронных переключателях, он образует приемную часть оптического прерывателя или отражательного датчика, часто встречающегося в принтерах, энкодерах и световых завесах. Его использование ввидеомагнитофонах и видеокамерахисторически относилось к датчикам конца ленты или приемникам пультов дистанционного управления, хотя аналогичные принципы применимы к современной бытовой электронике.

7.2 Особенности проектирования

При проектировании с использованием этого фотодиода необходимо учитывать несколько факторов. Длясмещения, он обычно работает в режиме обратного смещения (фотопроводящий режим) для повышения скорости и линейности, хотя фотогальванический режим (нулевое смещение) может использоваться для малошумящих приложений. Выбороперационного усилителяв схеме преобразователя ток-напряжение (TIA) критически важен; он должен иметь малый входной ток смещения и низкий уровень шума, чтобы не ухудшать сигнал от фотодиода с низким темновым током.Свойство ИК-фильтрациикорпуса является полезным, но разработчики должны убедиться, что длина волны источника (например, 940 нм) соответствует пику чувствительности. Для высокоскоростной работы критически важно тщательное проектирование топологии печатной платы для минимизации паразитной емкости и индуктивности в узле фотодиода.

8. Техническое сравнение и отличия

По сравнению со стандартными фотодиодами без интегрированной линзы или фильтра, PD333-3B/L4 предлагает более компактное и упрощенное оптическое решение. Встроенный ИК-фильтр устраняет необходимость в отдельном фильтрующем компоненте, экономя место, стоимость и сложность сборки. Его корпус с боковым излучением предлагает явное механическое преимущество перед корпусами с верхним излучением для определенных геометрий оптического пути. Сочетание относительно высокого напряжения пробоя (мин. 32 В, тип. 170 В) и низкого темнового тока представляет собой благоприятный баланс для многих промышленных сенсорных применений, требующих хорошего отношения сигнал/шум и надежной работы.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Каково значение пиковой чувствительности на 940 нм?

О: 940 нм — очень распространенная длина волны для инфракрасных светодиодов, потому что она невидима для человеческого глаза и имеет хорошую атмосферную проницаемость. Согласование пика отклика фотодиода с длиной волны излучателя максимизирует силу сигнала и эффективность системы.

В: Как спецификация темнового тока влияет на мой проект?

О: Темновой ток является основным источником шума в фотодиоде при отсутствии света. Низкий темновой ток (макс. 10 нА для данного устройства) означает, что датчик может обнаруживать очень слабые световые сигналы, не будучи подавленным собственным внутренним шумом, что улучшает чувствительность и динамический диапазон.

В: Могу ли я использовать его для детектирования видимого света?

О: Интегрированный эпоксидный корпус действует как ИК-фильтр, значительно ослабляя видимый свет. Следовательно, эта конкретная модификация не подходит для применений, требующих чувствительности в видимом спектре. Для детектирования видимого света потребуется корпус с прозрачным или иным фильтром.

В: Какое сопротивление нагрузки следует использовать для оптимальной скорости?

О: Ссылаясь на Рисунок 6, для самого быстрого времени отклика (в наносекундном диапазоне) необходимо низкое сопротивление нагрузки (например, от 50 Ом до 100 Ом). Однако это создает меньший сигнал напряжения. Схема преобразователя ток-напряжение часто является лучшим решением, обеспечивая как высокую скорость, так и хорошее усиление сигнала.

10. Практический пример проектирования

Пример: Проектирование инфракрасного датчика приближения

В типичном датчике приближения ИК-светодиод излучает импульсы света, а PD333-3B/L4 детектирует отраженный свет от объекта. Встроенный ИК-фильтр здесь критически важен, так как он блокирует окружающий видимый свет (например, от комнатного освещения), который может насытить датчик или вызвать ложные срабатывания. Быстрое время отклика позволяет осуществлять быстрое импульсное излучение светодиода, обеспечивая быстрое обнаружение и потенциально позволяя измерять расстояние методами времени пролета или фазового сдвига в более сложных системах. Корпус с боковым излучением позволяет монтировать как светодиод, так и фотодиод на одной плоскости печатной платы, обращенными в одном направлении, что идеально для отражательного зондирования. Простая схема может включать смещение фотодиода обратным напряжением 5 В через резистор большого номинала и использование высокоскоростного компаратора или усилителя для детектирования импульса тока, генерируемого при наличии отраженного света.

11. Введение в принцип работы

PIN-фотодиод — это полупроводниковый прибор с широкой, слаболегированной собственной (I) областью, расположенной между p-типом (P) и n-типом (N). При обратном смещении эта структура создает большую область обеднения. Фотоны, падающие на прибор с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, создают электрон-дырочные пары в этой области обеднения. Сильное электрическое поле, присутствующее из-за обратного смещения, быстро разделяет эти носители, заставляя их дрейфовать к соответствующим контактам, генерируя фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. Широкая собственная область уменьшает емкость перехода (обеспечивая высокую скорость) и увеличивает объем для поглощения фотонов (повышая чувствительность), особенно для более длинных волн, таких как инфракрасный свет, где глубина проникновения больше.

12. Тенденции развития технологий

Тенденция в технологии фотодиодов продолжается в направлении большей интеграции, более низкого уровня шума и большей функциональности. Это включает интеграцию схем усиления и обработки сигналов на одном кристалле или в одном корпусе (например, комбинации фотодиод-усилитель). Также наблюдается стремление к созданию устройств с еще более низкими темновыми токами и емкостями для применений в научных приборах, медицинской визуализации и лидарах. Использование материалов, отличных от кремния, таких как InGaAs, расширяет чувствительность дальше в инфракрасную область для телекоммуникаций и газового анализа. Кроме того, инновации в области корпусов направлены на обеспечение более точных оптических характеристик, таких как линзы с определенным полем зрения (FOV) и еще более эффективная фильтрация непосредственно в корпусе, как это видно на примере PD333-3B/L4.