Техническая документация на кремниевый PIN-фотодиод PD438C/S46 диаметром 4.8 мм - Обратное напряжение 32 В - Пиковая чувствительность 940 нм

1. Обзор продукта

PD438C/S46 — это высокопроизводительный кремниевый PIN-фотодиод, предназначенный для применений, требующих быстрого отклика и высокой чувствительности к инфракрасному излучению. Он размещен в компактном цилиндрическом пластиковом корпусе бокового обзора диаметром 4.8 мм. Ключевой особенностью данного устройства является то, что сам эпоксидный корпус выполняет роль встроенного инфракрасного (ИК) фильтра, спектрально согласованного с распространенными ИК-излучателями, что повышает его производительность в системах ИК-детектирования, отфильтровывая нежелательный видимый свет.

Данный фотодиод характеризуется быстрым временем отклика, высокой фоточувствительностью и малой емкостью перехода, что делает его подходящим для высокоскоростного оптического детектирования. Он изготовлен из бессвинцовых материалов и соответствует соответствующим экологическим нормам.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

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

• Обратное напряжение (V_R):32 В — максимальное напряжение, которое может быть приложено в обратном смещении к выводам фотодиода.
• Рассеиваемая мощность (P_d):150 мВт — максимальная мощность, которую устройство может рассеять, в основном в виде тепла, при заданных условиях.
• Рабочая температура (T_opr):от -40°C до +85°C — диапазон температуры окружающей среды, в котором гарантируется соответствие устройства опубликованным спецификациям.
• Температура хранения (T_stg):от -40°C до +100°C — диапазон температур для безопасного хранения, когда устройство не находится под напряжением.
• Температура пайки (T_sol):260°C в течение времени, не превышающего 5 секунд, что типично для процессов бессвинцовой пайки оплавлением.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры измеряются при температуре окружающей среды (T_a) 25°C и определяют основные характеристики фотодиода.

• Спектральная полоса пропускания (λ_0.5):от 840 нм до 1100 нм. Это определяет диапазон длин волн, в котором чувствительность фотодиода составляет не менее половины от пикового значения. Он чувствителен в основном в ближней инфракрасной области.
• Длина волны пиковой чувствительности (λ_p):940 нм (типичное значение). Длина волны света, на которой фотодиод наиболее чувствителен. Это соответствует распространенной длине волны излучения многих ИК-светодиодов.
• Напряжение холостого хода (V_OC):0.35 В (типичное значение) при облучении с облученностью (E_e) 5 мВт/см² на длине волны 940 нм. Это напряжение, генерируемое фотодиодом без внешней нагрузки.
• Ток короткого замыкания (I_SC):18 мкА (типичное значение) при E_e= 1 мВт/см², λ_p=940 нм. Это фототок при коротком замыкании выхода.
• Обратный световой ток (I_L):18 мкА (типичное значение, мин. 10.2 мкА) при E_e= 1 мВт/см², λ_p=940 нм и напряжении обратного смещения (V_R) 5 В. Это основной рабочий параметр в фотопроводящем режиме.
• Темновой ток (I_d):5 нА (типичное значение, макс. 30 нА) при V_R= 10 В в полной темноте. Это небольшой ток утечки, который протекает даже при отсутствии света, ключевой параметр для отношения сигнал/шум.
• Напряжение обратного пробоя (BV_R):Мин. 32 В, тип. 170 В, измерено при обратном токе 100 мкА. Это указывает на напряжение, при котором происходит пробой перехода.
• Полная емкость (C_t):18 пФ (типичное значение) при V_R= 3 В и частоте тестирования 1 МГц. Меньшая емкость обеспечивает более быстрое время отклика.
• Время нарастания/спада (t_r/t_f):50 нс / 50 нс (типичное значение) при V_R= 10 В и сопротивлении нагрузки (R_L) 1 кОм. Это определяет скорость реакции фотодиода на световой импульс.

Допуски для ключевых параметров указаны как: Световой поток ±10%, Доминирующая длина волны ±1 нм, Прямое напряжение ±0.1 В.

3. Анализ характеристических кривых

В спецификации представлены несколько характеристических кривых, иллюстрирующих работу в различных условиях. Они необходимы для инженеров-проектировщиков.

3.1 Спектральная чувствительность

Кривая, показывающая зависимость относительной чувствительности от длины волны. Она подтверждает пиковую чувствительность примерно на 940 нм и показывает спад спектральной чувствительности к границам диапазона 840-1100 нм. Интегрированная эпоксидная линза действует как фильтр, ослабляя отклик вне целевой ИК-полосы.

3.2 Темновой ток в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая обычно показывает, что темновой ток (I_d) экспоненциально возрастает с повышением температуры. Понимание этой зависимости критически важно для применений, работающих в широком диапазоне температур, так как оно определяет нижний предел обнаруживаемого света (уровень шума).

3.3 Обратный световой ток в зависимости от облученности (E_e)

Этот график демонстрирует линейную зависимость между генерируемым фототоком (I_L) и плотностью мощности падающего света. Фотодиод работает в высоколинейной области при заданных условиях, что жизненно важно для аналоговых приложений измерения света.

3.4 Емкость выводов в зависимости от обратного напряжения

Емкость перехода (C_t) уменьшается с увеличением напряжения обратного смещения. Это фундаментальное свойство PN-переходов. Конструкторы могут использовать более высокое напряжение смещения для уменьшения емкости и, следовательно, улучшения полосы пропускания и скорости отклика, в ущерб небольшому увеличению темнового тока.

3.5 Время отклика в зависимости от сопротивления нагрузки

Эта кривая показывает, как время нарастания/спада зависит от значения внешнего нагрузочного резистора (R_L). Меньшее R_Lобычно приводит к более быстрому отклику, но дает меньший размах выходного напряжения. Этот график помогает оптимизировать компромисс между скоростью и амплитудой при проектировании схемы.

3.6 Рассеиваемая мощность в зависимости от температуры окружающей среды

Иллюстрирует снижение максимально допустимой рассеиваемой мощности с ростом температуры окружающей среды. При температурах выше 25°C устройство не может рассеять полные 150 мВт, и максимальная мощность должна линейно снижаться до нуля при максимальной температуре перехода.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

PD438C/S46 поставляется в цилиндрическом пластиковом корпусе бокового обзора с номинальным диаметром 4.8 мм. Чертеж размеров определяет диаметр корпуса, длину, расстояние между выводами и диаметр выводов. Важное примечание указывает, что все размерные допуски составляют ±0.25 мм, если на чертеже не указано иное. Конфигурация бокового обзора идеальна для применений, где световой путь параллелен поверхности печатной платы.

4.2 Идентификация полярности

Полярность обычно указывается на корпусе или на чертеже. Для фотодиода катод обычно подключается к положительному напряжению питания при работе в режиме обратного смещения (фотопроводящий режим), а анод подключается к общему проводу схемы или входу усилителя тока. Правильная полярность необходима для корректной работы.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Устройство подходит для стандартных процессов поверхностного монтажа.

• Пайка оплавлением:Максимальная рекомендуемая температура пайки составляет 260°C. Время, в течение которого выводы устройства подвергаются воздействию температур на уровне или выше этого пика, не должно превышать 5 секунд. Это соответствует типичным профилям бессвинцовой пайки оплавлением (например, IPC/JEDEC J-STD-020).
• Ручная пайка:Если необходима ручная пайка, следует использовать паяльник с регулировкой температуры. Время контакта на каждый вывод должно быть минимизировано, чтобы предотвратить чрезмерный нагрев чувствительного полупроводникового кристалла.
• Очистка:Можно использовать стандартные процессы очистки печатных плат, но следует проверить совместимость чистящих средств с материалом пластикового корпуса.
• Условия хранения:Устройства должны храниться в оригинальных влагозащитных пакетах при температуре от -40°C до +100°C и низкой влажности для предотвращения окисления выводов и поглощения влаги корпусом.

6. Информация об упаковке и заказе

6.1 Спецификация упаковки

Стандартный процесс упаковки следующий: 500 штук упаковываются в один пакет. Пять пакетов помещаются в одну внутреннюю коробку. Наконец, десять внутренних коробок упаковываются в одну основную (внешнюю) коробку. В результате получается 25 000 штук в основной коробке.

6.2 Спецификация маркировки

Этикетки на упаковке содержат ключевую информацию для прослеживаемости и идентификации:

• CPN:Номер продукта заказчика (если назначен).
• P/N:Номер продукта производителя (например, PD438C/S46).
• QTY:Количество устройств в упаковке.
• CAT, HUE, REF:Коды для ранга светового потока, ранга доминирующей длины волны и ранга прямого напряжения соответственно, указывающие на сортировку по характеристикам.
• LOT No:Номер производственной партии для прослеживаемости.
• REF:Референсный номер для идентификации этикетки.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

• Высокоскоростной фотодетектор:Идеально подходит для оптических линий передачи данных, энкодеров и детектирования импульсов, где время отклика 50 нс является ключевым преимуществом.
• Применения в камерах:Может использоваться в системах автофокусировки, экспонометрах или в качестве ИК-датчика присутствия.
• Оптоэлектронный переключатель:Используется в датчиках обнаружения объектов, щелевых датчиках и концевых выключателях. Встроенный ИК-фильтр помогает подавлять помехи от окружающего света.
• Видеомагнитофоны и видеокамеры:Исторически использовались в датчиках счетчика ленты, приемниках пультов дистанционного управления или других внутренних оптических функциях.

7.2 Особенности проектирования

• Напряжение смещения:Для высокоскоростной и линейной работы рекомендуется использовать фотопроводящий режим (с обратным смещением). Типичное смещение составляет от 5 В до 10 В, что обеспечивает баланс между скоростью (меньшая емкость) и шумом (меньший темновой ток).
• Топология схемы:Для наилучшей скорости и линейности используйте усилитель тока (TIA) для преобразования фототока в напряжение. Резистор и конденсатор обратной связи в TIA должны быть выбраны на основе желаемой полосы пропускания и емкости фотодиода.
• Оптическая юстировка:Корпус бокового обзора требует тщательной механической конструкции для обеспечения правильного совмещения с источником света, которым часто также является ИК-светодиод бокового обзора.
• Подавление окружающего света:Хотя эпоксидная смола действует как ИК-фильтр, для сред с сильными ИК-источниками (например, солнечный свет) могут потребоваться дополнительные оптические фильтры или методы модуляции/демодуляции.

8. Техническое сравнение и отличия

PD438C/S46 предлагает несколько явных преимуществ в своем классе:

• Встроенный ИК-фильтр:В отличие от многих базовых фотодиодов, требующих отдельного фильтра, эпоксидный состав корпуса сформулирован для фильтрации света, что упрощает сборку и сокращает количество компонентов.
• Корпус бокового обзора:Цилиндрический корпус бокового обзора диаметром 4.8 мм — это специфичный форм-фактор, оптимизированный для применений, где световой путь проходит параллельно печатной плате, обеспечивая компактное и направленное поле зрения.
• Сбалансированная производительность:Он обеспечивает хороший баланс между скоростью (50 нс), чувствительностью (18 мкА при 1 мВт/см²) и темновым током (5 нА), что делает его универсальным выбором для общего ИК-детектирования.
• Надежные характеристики:С номинальным обратным напряжением 32 В и широким диапазоном рабочих температур (от -40°C до +85°C) он подходит для промышленных и автомобильных сред (для некритичных к безопасности применений согласно отказу от ответственности).

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: В чем разница между работой в фотогальваническом (нулевое смещение) и фотопроводящем (обратное смещение) режимах?

A: В фотогальваническом режиме (V_R=0 В) фотодиод генерирует собственное напряжение (см. V_OC). Он имеет очень низкий темновой ток, но более высокую емкость и более медленный отклик. Фотопроводящий режим (приложение V_R) расширяет область обеднения, снижая емкость и ускоряя отклик (см. t_r/t_f), ценой небольшого постоянного темнового тока (I_d). Для высокоскоростного детектирования предпочтителен фотопроводящий режим.

В: Как интерпретировать параметр "Обратный световой ток (I_L)"?

A: Это наиболее полезный параметр для проектирования схем. Он говорит о том, что при определенных условиях освещения (1 мВт/см² на 940 нм) и с обратным смещением 5 В можно ожидать фототок, как правило, 18 мкА. Ваша усилительная схема должна быть рассчитана на этот диапазон токов. Минимальное значение 10.2 мкА важно для проектирования в наихудшем случае.

В: Почему важен темновой ток?

A: Темновой ток является основным источником шума в фотодиоде при отсутствии света. Он устанавливает нижний предел обнаруживаемого света. Более низкий темновой ток (5 нА типично для этого устройства) означает, что датчик может обнаруживать более слабые световые сигналы. Обратите внимание, что темновой ток удваивается примерно каждые 10°C повышения температуры.

В: Могу ли я использовать его с источниками света, отличными от 940 нм?

A: Да, но с пониженной чувствительностью. См. кривую спектральной чувствительности. Фотодиод будет реагировать на свет примерно от 840 нм до 1100 нм, но выходной ток при той же оптической мощности будет ниже, если длина волны не близка к пику 940 нм.

10. Практический пример проектирования и использования

Пример: Проектирование ИК-датчика приближения для автоматического крана.

1. Блок-схема системы:ИК-светодиод (излучающий на 940 нм) и фотодиод PD438C/S46 размещены рядом за полупрозрачным окном. Светодиод работает в импульсном режиме. Когда объект отсутствует, большая часть ИК-света рассеивается. Когда рука приближается к крану, отраженный ИК-свет попадает на фотодиод.
2. Обоснование выбора компонента:PD438C/S46 выбран потому, что его пиковая чувствительность 940 нм соответствует светодиоду. Встроенный ИК-фильтр в его корпусе помогает отсеивать окружающий видимый свет от потолочных ламп, снижая ложные срабатывания. Корпус бокового обзора позволяет разместить как излучатель, так и детектор на печатной плате, направленными наружу.
3. Проектирование схемы:Фотодиод смещен в обратном направлении напряжением 5 В. Его выход подключен к усилителю тока. Усиление усилителя (резистор обратной связи) установлено так, чтобы ожидаемый отраженный сигнал (доля от 18 мкА/мВт/см²) создавал полезное напряжение. Компаратор после усилителя определяет, когда это напряжение превышает установленный порог.
4. Оптимизация:Частота и длительность импульсов светодиода выбраны так, чтобы быть вне частоты мерцания окружающего света (например, 100 Гц от сетевого освещения). Система ищет только сигнал, синхронизированный с импульсом светодиода, что обеспечивает отличную помехозащищенность.

11. Введение в принцип работы

PIN-фотодиод — это полупроводниковое устройство с широкой, слаболегированной собственной (I) областью, расположенной между областями P-типа и N-типа. Когда фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника (для кремния — длины волн короче ~1100 нм), попадают на устройство, они могут создавать электрон-дырочные пары в собственной области. Под действием встроенного электрического поля (в фотогальваническом режиме) или приложенного поля обратного смещения (в фотопроводящем режиме) эти носители заряда разделяются, генерируя фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. По сравнению со стандартным PN-фотодиодом, широкая собственная область в структуре PIN уменьшает емкость перехода (обеспечивая более быстрый отклик) и увеличивает объем для поглощения фотонов (повышая чувствительность).

12. Технологические тренды и контекст

Кремниевые PIN-фотодиоды, такие как PD438C/S46, являются зрелыми, надежными и экономически эффективными решениями для детектирования в ближнем инфракрасном диапазоне. Текущие тенденции в этой области включают:

• Интеграция:Движение в сторону интегрированных решений, объединяющих фотодиод, усилитель, а иногда даже драйвер светодиода и цифровую логику в одном корпусе или чипе (например, опто-ASIC).
• Миниатюризация:Разработка фотодиодов в корпусах для поверхностного монтажа меньшего размера (например, корпусах чип-масштаба) для применений с ограниченным пространством, таких как мобильные устройства.
• Специализированные материалы:Для длин волн за пределами отсечки кремния (~1100 нм) используются такие материалы, как InGaAs. Однако кремний остается доминирующим для видимого и ближнего ИК-спектра благодаря своей низкой стоимости и отличной технологичности.
• Повышение производительности:Текущие исследования сосредоточены на дальнейшем снижении емкости и темнового тока для улучшения скорости и чувствительности, часто за счет передовых профилей легирования и структур устройств.

PD438C/S46 представляет собой хорошо оптимизированный, специализированный для применения компонент в рамках этой широкой технологической картины, предлагающий практический баланс производительности, размера и стоимости для широкого спектра промышленных и потребительских задач ИК-сенсорики.