Техническая документация на кремниевый PIN-фотодиод PD438B/S46 - 4.8 мм полулинза - Черный корпус

1. Обзор продукта

PD438B/S46 — это высокопроизводительный кремниевый PIN-фотодиод, предназначенный для применений, требующих быстрого отклика и высокой чувствительности. Он размещен в компактном цилиндрическом пластиковом корпусе бокового обзора с полулинзой 4.8 мм. Ключевой особенностью устройства является его эпоксидный корпус, состав которого действует как встроенный инфракрасный (ИК) фильтр. Этот фильтр спектрально согласован с распространенными ИК-излучателями, что повышает его производительность в ИК-сенсорных приложениях за счет снижения чувствительности к нежелательному видимому свету.

Основные преимущества этого фотодиода включают быстрое время отклика, что критически важно для высокоскоростной передачи данных и коммутационных приложений, а также высокую фоточувствительность, позволяющую эффективно обнаруживать низкие уровни освещенности. Его малая емкость перехода способствует быстрому отклику и делает его подходящим для высокочастотных схем. Устройство изготовлено из бессвинцовых материалов и соответствует соответствующим экологическим нормам, таким как RoHS и EU REACH, что делает его пригодным для использования в продуктах со строгими требованиями экологического соответствия.

Основные целевые рынки и области применения для PD438B/S46 — это потребительская электроника, промышленная автоматизация и системы связи. Его характеристики делают его идеальным компонентом для разработчиков, работающих над высокоскоростными оптическими каналами передачи данных, системами обнаружения присутствия и прецизионным оборудованием для измерения света.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Устройство рассчитано на максимальное обратное напряжение (VR) 32 В. Максимальная рассеиваемая мощность (Pd) составляет 150 мВт, что определяет тепловые пределы работы. Выводы можно паять при температуре до 260°C в течение не более 5 секунд, что совместимо со стандартными процессами пайки оплавлением. Рабочий температурный диапазон указан от -40°C до +85°C, а хранение возможно в средах от -40°C до +100°C. Эти характеристики обеспечивают надежную работу в самых различных условиях окружающей среды.

2.2 Электрооптические характеристики

Спектральная чувствительность фотодиода определяется его диапазоном спектральной полосы пропускания (λ0.5), который простирается от 840 нм до 1100 нм. Пиковая длина волны чувствительности (λp) находится на 940 нм, что помещает его прямо в ближнюю инфракрасную область, обычно используемую для пультов дистанционного управления, оптических датчиков и беспроводной оптической связи.

При облучении 5 мВт/см² на длине волны 940 нм типичное напряжение холостого хода (VOC) составляет 0.35 В. Ток короткого замыкания (ISC), измеренный при 1 мВт/см² и 940 нм, обычно равен 18 мкА. Этот параметр является прямой мерой способности устройства генерировать ток под воздействием света.

Обратный световой ток (IL) — это фототок, генерируемый при обратном смещении диода. При VR=5 В и Ee=1 мВт/см² (λp=940 нм) типичное значение составляет 18 мкА с гарантированным минимальным значением 10.2 мкА. Темновой ток (Id), который представляет собой ток утечки при отсутствии освещения при VR=10 В, обычно равен 5 нА с максимумом 30 нА. Низкий темновой ток необходим для достижения хорошего отношения сигнал/шум, особенно в сценариях обнаружения при слабом освещении.

Обратное напряжение пробоя (BVR) указано как минимум 32 В при токе 100 мкА, с типичным значением до 170 В. Общая емкость выводов (Ct) при VR=5 В и 1 МГц обычно составляет 18 пФ. Эта низкая емкость является ключевым фактором, обеспечивающим быстрое время нарастания и спада. Время нарастания и спада (tr/tf) обычно составляет 50 наносекунд при работе устройства с VR=10 В и сопротивлением нагрузки (RL) 1 кОм.

3. Анализ характеристических кривых

В технической документации представлены несколько характеристических кривых, которые дают более глубокое представление о поведении устройства в различных условиях.

Рисунок 1: Рассеиваемая мощность в зависимости от температуры окружающей средыиллюстрирует снижение максимально допустимой рассеиваемой мощности с ростом температуры окружающей среды. Этот график имеет решающее значение для проектирования теплового режима, чтобы предотвратить перегрев и обеспечить долгосрочную надежность.

Рисунок 2: Спектральная чувствительностьпоказывает относительную чувствительность фотодиода в спектральном диапазоне от приблизительно 600 нм до 1200 нм. Кривая достигает пика на 940 нм и демонстрирует эффективное фильтрующее действие эпоксидного корпуса, которое ослабляет отклик за пределами целевой ИК-полосы.

Рисунок 3: Темновой ток в зависимости от температуры окружающей средыдемонстрирует, как ток утечки (Id) экспоненциально возрастает с температурой. Эта зависимость жизненно важна для приложений, работающих при повышенных температурах, поскольку она определяет уровень собственных шумов датчика.

Рисунок 4: Обратный световой ток в зависимости от облученности (Ee)изображает линейную зависимость между генерируемым фототоком и плотностью мощности падающего света. Эта линейность является фундаментальным свойством PIN-фотодиодов и необходима для аналоговых приложений измерения света.

Рисунок 5: Емкость выводов в зависимости от обратного напряженияпоказывает, что емкость перехода уменьшается с увеличением напряжения обратного смещения. Разработчики могут использовать эту зависимость для оптимизации скорости своей схемы, выбрав соответствующую точку смещения.

Рисунок 6: Время отклика в зависимости от сопротивления нагрузкиуказывает, как на время нарастания/спада выходного сигнала фотодиода влияет подключенное к нему сопротивление нагрузки. Более быстрый отклик достигается при меньших сопротивлениях нагрузки, хотя это может происходить в ущерб размаху выходного напряжения.

4. Механическая и упаковочная информация

4.1 Габаритные размеры корпуса

PD438B/S46 поставляется в цилиндрическом корпусе бокового обзора. Ключевые размеры включают диаметр корпуса и высоту полулинзы, как определено в чертеже корпуса. Все неуказанные допуски для линейных размеров составляют ±0.25 мм. Корпус окрашен в черный цвет, что помогает снизить влияние паразитной засветки. Конфигурация бокового обзора позволяет воспринимать свет с направления, параллельного плоскости печатной платы, что полезно в таких приложениях, как обнаружение бумаги в принтерах или датчики края.

4.2 Идентификация полярности

Катод обычно идентифицируется по более длинному выводу, выемке или плоскому месту на корпусе. Правильную полярность необходимо соблюдать во время сборки, поскольку обратное смещение является стандартным рабочим условием для фотодиодов, используемых в фотопроводящем режиме.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Устройство подходит для процессов волновой пайки и пайки оплавлением. Предельная характеристика для температуры пайки выводов составляет 260°C, с примечанием, что время пайки не должно превышать 5 секунд. Рекомендуется следовать стандартным рекомендациям IPC по пайке электронных компонентов. Устройство должно храниться в сухой антистатической среде в пределах указанного диапазона температур хранения от -40°C до +100°C для предотвращения поглощения влаги и электростатических повреждений.

6. Информация об упаковке и заказе

Стандартная спецификация упаковки следующая: от 200 до 500 штук упаковываются в один влагозащитный пакет. Шесть таких пакетов помещаются в одну внутреннюю коробку. Затем десять внутренних коробок упаковываются в одну основную транспортную коробку. На этикетке упаковки указаны поля для номера детали заказчика (CPN), номера детали производителя (P/N), количества упаковки (QTY) и номера партии (LOT No.). Другие поля, такие как CAT, HUE и REF, которые обычно используются для светодиодов для обозначения интенсивности, длины волны и групп напряжения, не применимы для этого фотодиода, так как он не сортируется таким же образом; эти поля могут оставаться пустыми или использоваться для другой информации о прослеживаемости.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

• Высокоскоростное фотодетектирование:Идеально подходит для оптических энкодеров, передачи данных по пластиковому оптическому волокну (POF) и обнаружения лазерного луча, где требуется наносекундный отклик.
• Применения в камерах:Может использоваться для датчиков внешней освещенности (ALS) или ИК-датчиков приближения в смартфонах, планшетах и цифровых камерах. Встроенный ИК-фильтр помогает точно измерять уровни ИК-излучения.
• Оптоэлектронные переключатели:Подходит для обнаружения объектов, подсчета и определения положения в торговых автоматах, промышленной автоматизации и системах безопасности.
• Потребительская электроника:Используется в видеомагнитофонах и видеокамерах для обнаружения конца ленты или приема управляющих сигналов.

7.2 Вопросы проектирования

При проектировании схемы с PD438B/S46 учитывайте следующее:

• Напряжение смещения:Прикладывается обратное напряжение смещения (обычно от 5 В до 10 В согласно условиям в документации) для расширения области обеднения, уменьшения емкости и повышения скорости. Убедитесь, что напряжение не превышает максимальное значение 32 В.
• Нагрузочный резистор (RL):Значение RL в конфигурации с преобразованием тока в напряжение напрямую влияет на полосу пропускания и выходное напряжение. Меньшее RL дает более быстрый отклик, но меньший выходной сигнал. Рисунок 6 в документации является ключевым справочным материалом.
• Усиление:Фототок мал (микроамперы). Преобразователь тока в напряжение (TIA) почти всегда используется для преобразования этого тока в полезный сигнал напряжения. Выберите операционный усилитель с низким входным током смещения и достаточной полосой пропускания.
• Подавление шума:Защитите фотодиод и его соединительные дорожки от электрических помех. Используйте блокировочный конденсатор рядом с выводами питания устройства, если используется активная схема смещения. Низкий темновой ток помогает поддерживать хорошее отношение сигнал/шум.
• Оптические соображения:Убедитесь, что линза чистая и ничем не загорожена. Для корпуса бокового обзора может потребоваться тщательная механическая конструкция для правильного выравнивания светового пути.

8. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению со стандартными PN-фотодиодами, PIN-структура PD438B/S46 предлагает явные преимущества. Собственная (I) область между P- и N-слоями создает большую область обеднения. Это дает два основных преимущества:1) Меньшая емкость перехода:Большая область обеднения действует как более широкий диэлектрик, значительно снижая емкость (обычно 18 пФ), что является основным фактором, обеспечивающим высокоскоростную работу.2) Улучшенная линейность и чувствительность:Широкая собственная область позволяет более эффективно собирать фотосгенерированные носители в большем объеме, что приводит к лучшей линейности зависимости фототока от облученности и потенциально более высокой квантовой эффективности на пиковой длине волны.

Кроме того, интеграция эпоксидной смолы, фильтрующей ИК-излучение, непосредственно в корпус является отличительной особенностью. Это устраняет необходимость в отдельном внешнем ИК-фильтре, экономя место, снижая стоимость и упрощая сборку. Это делает его особенно выгодным для компактных конструкций потребительской электроники.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: В чем разница между током короткого замыкания (ISC) и обратным световым током (IL)?

О: ISC измеряется при нулевом напряжении на диоде (условие короткого замыкания). IL измеряется, когда диод находится под обратным смещением (например, при VR=5 В). На практике для PIN-фотодиода эти значения очень похожи, потому что фототок в значительной степени не зависит от напряжения обратного смещения в нормальном рабочем диапазоне.

В: Почему время нарастания/спада указано с нагрузкой 1 кОм?

О: Нагрузка 1 кОм представляет собой типичное условие нагрузки для тестирования и простых схем. Фактическое время отклика в вашем приложении будет зависеть от сопротивления нагрузки вашей конкретной схемы и паразитных емкостей, как показано на Рисунке 6.

В: Можно ли использовать этот фотодиод для обнаружения видимого света?

О: Хотя сам кремниевый материал чувствителен к видимому свету (как видно из спектральной кривой, простирающейся до ~600 нм), черный эпоксидный корпус действует как сильный фильтр. Его чувствительность в видимом спектре будет значительно ослаблена по сравнению с пиком на 940 нм. Он в первую очередь предназначен для ближних ИК-приложений.

В: Как интерпретировать значения "Тип." в таблице характеристик?

О: "Тип." означает типичное значение, которое является ожидаемым средним значением в указанных условиях. Оно не гарантируется. Для целей проектирования, особенно для критических параметров, вы должны использовать значения "Мин." или "Макс.", чтобы гарантировать, что ваша схема будет работать правильно при всех производственных вариациях и условиях.

10. Практические примеры проектирования и использования

Пример 1: Простой переключатель обнаружения объекта

Базовый опто-переключатель можно построить, объединив PD438B/S46 с ИК-светодиодом (например, излучающим на 940 нм). Фотодиод подключен с обратным смещением с подтягивающим резистором к Vcc (например, 5 В). Выходной узел между резистором и катодом фотодиода подается на компаратор или цифровой входной вывод микроконтроллера. Когда объект прерывает ИК-луч между светодиодом и фотодиодом, фототок падает, вызывая повышение напряжения на выходном узле, что запускает сигнал обнаружения. Быстрое время отклика позволяет обнаруживать быстро движущиеся объекты.

Пример 2: Датчик внешней освещенности с микроконтроллером

Для аналогового измерения уровня освещенности фотодиод можно подключить к преобразователю тока в напряжение. Выходное напряжение TIA, пропорциональное интенсивности падающего ИК-света, затем подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера. МК может использовать это показание для автоматической регулировки яркости дисплея или для определения наличия сигнала ИК-пульта дистанционного управления. Встроенный ИК-фильтр помогает гарантировать, что показание относится именно к ИК-компоненте окружающего света.

11. Введение в принцип работы

PIN-фотодиод — это полупроводниковое устройство, преобразующее свет в электрический ток. Он состоит из слоя собственного (нелегированного или слаболегированного) полупроводникового материала (область "I"), зажатого между P-типом и N-типом. Когда фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника (для кремния — свет с длиной волны менее ~1100 нм), попадают на устройство, они могут создавать электрон-дырочные пары в собственной области. При приложении обратного напряжения смещения создается сильное электрическое поле в собственной области. Это поле быстро перемещает фотосгенерированные носители к соответствующим выводам — электроны к N-стороне, дырки к P-стороне — генерируя измеримый фототок во внешней цепи. Ширина собственной области является ключевой: она позволяет эффективно генерировать и собирать носители, сохраняя при этом низкую емкость устройства.

12. Технологические тренды и контекст

Кремниевые PIN-фотодиоды, такие как PD438B/S46, представляют собой зрелую и высоконадежную технологию. Текущие тенденции в этой области сосредоточены на нескольких направлениях:Миниатюризация:Разработка корпусов с меньшей площадью (например, корпуса чипового масштаба) для применений с ограниченным пространством, таких как носимые устройства и мобильные телефоны.Интеграция:Объединение фотодиода с усилительными, цифровыми и схемами обработки сигналов на одном кристалле для создания интеллектуальных оптических датчиков.Повышение производительности:Исследование структур, таких как лавинные фотодиоды (APD), для применений, требующих экстремальной чувствительности, хотя они более сложны и дороги.Новые материалы:Исследование материалов, таких как германий или соединения III-V (например, InGaAs), для детектирования в более длинных инфракрасных волнах, недоступных для стандартного кремния. Для основных ближних ИК-приложений до 1100 нм кремний остается доминирующим, экономически эффективным материалом выбора благодаря своей превосходной технологичности и производительности.