Техническая документация на кремниевый PIN-фотодиод PD15-22B/TR8 - Корпус 3.5x4.0x1.65мм - Обратное напряжение 32В - Черная линза

1. Обзор продукта

PD15-22B/TR8 — это высокоскоростной, высокочувствительный кремниевый PIN-фотодиод, предназначенный для применений, требующих быстрого оптического детектирования. Он размещен в миниатюрном корпусе для поверхностного монтажа (SMD) с плоским верхом, черной пластиковой оболочкой и черной линзой. Спектральные характеристики устройства соответствуют видимым и ближним инфракрасным источникам света, что делает его подходящим для различных сенсорных применений.

Ключевые преимущества этого компонента включают его быстрое время отклика, что позволяет обнаруживать быстрые изменения интенсивности света, и высокую фоточувствительность, обеспечивающую надежную работу даже в условиях низкой освещенности. Малая емкость перехода способствует его высокоскоростным характеристикам. Продукт соответствует экологическим стандартам: не содержит свинца (Pb-free), соответствует директиве RoHS, регламенту ЕС REACH и не содержит галогенов (содержание брома <900 ppm, хлора <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm).

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

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

• Обратное напряжение (VR):32 В. Это максимальное напряжение, которое может быть приложено в режиме обратного смещения без пробоя.
• Рабочая температура (Topr):от -40°C до +85°C. Это определяет диапазон температуры окружающей среды для нормальной работы устройства.
• Температура хранения (Tstg):от -40°C до +100°C. Устройство может храниться в этом диапазоне, когда не используется.
• Температура пайки (Tsol):260°C максимум в течение 5 секунд. Это критически важно для процессов пайки оплавлением.
• Рассеиваемая мощность (Pc):150 мВт. Максимальная мощность, которую устройство может безопасно рассеивать.
• Уровень ЭСР по модели HBM:Минимум 2000В. Указывает на устойчивость устройства к электростатическому разряду по модели человеческого тела.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры измерены при Ta=25°C и определяют основные рабочие характеристики фотодиода.

• Спектральная полоса пропускания (λ):от 730 нм до 1100 нм (при 10% от пиковой чувствительности). Устройство реагирует на свет в этом диапазоне длин волн, с пиковой чувствительностью в ближнем инфракрасном диапазоне.
• Длина волны пиковой чувствительности (λP):Обычно 940 нм. Длина волны, на которой фотодиод наиболее чувствителен.
• Напряжение холостого хода (VOC):Обычно 0.41 В при облученности (Ee) 5 мВт/см² на λP=940нм. Это напряжение, генерируемое при разомкнутых выводах.
• Ток короткого замыкания (ISC):Минимум 4.0 мкА, обычно 6.5 мкА при Ee=1 мВт/см² на λP=875нм. Это ток, генерируемый при замкнутых выводах.
• Обратный световой ток (IL):Минимум 4.2 мкА, обычно 6.5 мкА при Ee=1 мВт/см² на λP=875нм и VR=5В. Это фототок, генерируемый при обратном смещении диода, что является типичным режимом работы для высокоскоростных применений.
• Темновой обратный ток (ID):Максимум 10 нА при VR=10В в полной темноте. Это небольшой ток утечки, который протекает даже при отсутствии света.
• Напряжение обратного пробоя (BVR):Минимум 32 В, обычно 170 В, измерено при обратном токе (IR) 100 мкА в темноте.
• Время нарастания/спада (tr, tf):Обычно по 10 нс каждое при VR=5В и RL=1000 Ом. Это определяет скорость переключения фотодиода.
• Угол обзора (2θ1/2):Обычно 130 градусов при VR=5В. Это указывает на широкое поле зрения для детектирования света.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены несколько характеристических кривых, которые необходимы для инженеров-проектировщиков.

3.1 Спектральная чувствительность

Кривая спектральной отклика показывает относительную чувствительность фотодиода на разных длинах волн. Она подтверждает пиковую чувствительность около 940 нм с полезным откликом от 730 нм до 1100 нм. Это делает его идеально подходящим для инфракрасных излучателей, таких как излучатели с длинами волн 850 нм или 940 нм, обычно используемые в пультах дистанционного управления, датчиках приближения и каналах передачи данных.

3.2 Темновой ток в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая иллюстрирует, как темновой ток (ID) экспоненциально возрастает с увеличением температуры окружающей среды. При 25°C он ниже 10 нА, но может значительно возрасти при более высоких температурах (например, 85°C). Конструкторам необходимо учитывать этот повышенный уровень шума в высокотемпературных применениях или при необходимости детектирования очень низких уровней освещенности.

3.3 Обратный световой ток в зависимости от облученности

Этот график показывает линейную зависимость между обратным световым током (IL) и падающей световой облученностью (Ee). Фотодиод демонстрирует хорошую линейность, что означает, что выходной ток прямо пропорционален интенсивности света в его рабочем диапазоне. Это критически важно для аналоговых применений измерения света, где требуется точное измерение интенсивности.

3.4 Емкость выводов в зависимости от обратного напряжения

Емкость перехода уменьшается с увеличением напряжения обратного смещения (VR). Меньшая емкость желательна для высокоскоростной работы, так как она уменьшает постоянную времени RC цепи. Кривая показывает, что применение более высокого обратного смещения (например, 10В вместо 5В) может значительно снизить емкость, тем самым улучшив полосу пропускания и время отклика.

3.5 Время отклика в зависимости от сопротивления нагрузки

Эта кривая демонстрирует компромисс между скоростью отклика и амплитудой сигнала. Время нарастания/спада увеличивается с увеличением сопротивления нагрузки (RL). Для максимально быстрого отклика следует использовать резистор нагрузки с малым номиналом (например, 50 Ом), но это даст меньшее напряжение сигнала. Для преодоления этого ограничения часто используется транс-импедансный усилитель, обеспечивающий как высокую скорость, так и хорошее усиление сигнала.

3.6 Относительный световой ток в зависимости от углового смещения

Этот график характеризует угловую чувствительность фотодиода. Подтвержден широкий угол обзора 130 градусов, показывающий, что детектируемый сигнал остается относительно высоким даже для света, падающего под значительными углами относительно центральной оси. Это полезно для применений, где точное выравнивание невозможно или требуется широкое поле детектирования.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

PD15-22B/TR8 поставляется в компактном SMD-корпусе. Ключевые размеры следующие (все в мм, допуск ±0.1 мм, если не указано иное):

• Общая длина: 4.0 мм
• Общая ширина: 3.5 мм
• Общая высота: 1.65 мм (типично, от плоскости установки до верха линзы)
• Ширина вывода: 1.55 мм ±0.05 мм
• Шаг выводов: 2.95 мм
• Для разводки печатной платы предоставлены рекомендации по посадочному месту выводов.

Анод и катод четко обозначены на чертеже корпуса. Вывод 1 — катод.

4.2 Размеры транспортной ленты и катушки

Устройство поставляется на ленте в катушке для автоматизированного монтажа. Катушка содержит 2000 штук. Предоставлены детальные размеры ячеек транспортной ленты и катушки для обеспечения совместимости со стандартным оборудованием для установки компонентов.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

5.1 Хранение и чувствительность к влаге

Фотодиод чувствителен к влаге. Необходимо принимать меры предосторожности, чтобы предотвратить повреждение во время хранения и обращения.

• Не вскрывайте влагозащитный пакет до момента готовности к использованию.
• Перед вскрытием храните при температуре ≤30°C и влажности ≤90%.
• Используйте в течение одного года с момента отгрузки.
• После вскрытия храните при температуре ≤30°C и влажности ≤60%.
• Используйте в течение 168 часов (7 дней) после вскрытия пакета.
• Если время хранения превышено или индикатор влажности показывает наличие влаги, перед использованием необходимо прогреть компоненты при 60 ±5°C минимум в течение 24 часов.

5.2 Профиль оплавления при пайке

Предоставлен рекомендуемый температурный профиль для бессвинцовой пайки оплавлением. Ключевые параметры включают:

• Зона предварительного нагрева и выдержки.
• Пиковая температура не должна превышать 260°C.
• Время выше 240°C должно контролироваться.
• Пайку оплавлением не следует выполнять более двух раз.
• Избегайте механических нагрузок на компонент во время нагрева.
• Не деформируйте печатную плату после пайки.

5.3 Ручная пайка и ремонт

Если необходима ручная пайка:

• Используйте паяльник с температурой жала <350°C.
• Ограничьте время контакта ≤3 секундами на каждый вывод.
• Используйте паяльник мощностью <25 Вт.
• Соблюдайте интервал охлаждения >2 секунд между пайкой каждого вывода.
• Ремонт после пайки не рекомендуется. Если это неизбежно, используйте паяльник с двумя жалами для одновременного нагрева обоих выводов и минимизации термических напряжений. Проверьте работоспособность устройства после любого ремонта.

6. Примечания по применению и рекомендации по проектированию

6.1 Типовые области применения

• Высокоскоростной фотодетектор:Подходит для оптических линий передачи данных, энкодеров и детектирования лазерного излучения благодаря времени отклика 10 нс.
• Копировальные аппараты и сканеры:Используется для обнаружения наличия документа, определения края и измерения плотности тонера.
• Игровые автоматы и потребительская электроника:Применяется в датчиках приближения, распознавании жестов и приемниках ИК-пультов дистанционного управления.

6.2 Критически важные аспекты проектирования

• Ограничение тока/Защита:В техническом описании прямо указано, что для защиты НЕОБХОДИМО использовать внешний последовательный резистор. Небольшое изменение напряжения может вызвать большое изменение тока, что потенциально приведет к перегоранию. Этот резистор ограничивает ток через диод.
• Смещение для скорости:Для оптимальной высокоскоростной работы используйте фотодиод в режиме обратного смещения (фотопроводящий режим). Более высокое обратное напряжение (до предельного значения) уменьшит емкость перехода и улучшит время отклика, как показано на характеристических кривых.
• Топология схемы:Для преобразования фототока в напряжение рассмотрите возможность использования транс-импедансного усилителя (TIA). Эта конфигурация обеспечивает низкое входное сопротивление (поддерживая постоянное напряжение на фотодиоде, что минимизирует модуляцию емкости), высокую полосу пропускания и регулируемое усиление. Выбор резистора обратной связи и полосы пропускания усилителя определит общую производительность системы.
• Оптическая конструкция:Черная линза помогает снизить чувствительность к паразитному свету. Убедитесь, что оптический путь чист и не имеет препятствий. Широкий угол обзора 130 градусов обеспечивает гибкость в механическом выравнивании.
• Тепловой режим:Учитывайте увеличение темнового тока с температурой, особенно в высокоточных или высокотемпературных применениях. Могут потребоваться схемы температурной компенсации.

7. Упаковка и информация для заказа

Стандартная процедура упаковки включает помещение катушек в алюминиевый влагозащитный пакет вместе с осушителем и соответствующими этикетками. На этикетке указаны поля: Партномер заказчика (CPN), Производственный номер (P/N), Количество (QTY), Категория (CAT), Пиковая длина волны (HUE), Ссылка (REF), Номер партии (LOT No.) и Место производства.

Руководство по выбору устройства подтверждает, что модель PD15-22B/TR8 использует кремниевый кристалл и имеет черную линзу.

8. Техническое сравнение и позиционирование

PD15-22B/TR8 позиционируется как универсальный высокоскоростной кремниевый PIN-фотодиод в стандартном SMD-корпусе. Его ключевые отличительные особенности — сбалансированное сочетание скорости (10 нс), чувствительности, широкого угла обзора и соответствия экологическим нормам (RoHS, без галогенов). По сравнению с более медленными фотодиодами или фототранзисторами он обеспечивает превосходные характеристики для детектирования импульсного света. По сравнению с более специализированными сверхвысокоскоростными фотодиодами он предлагает экономически эффективное решение для основных применений, требующих времени отклика в наносекундном диапазоне. Черная линза является преимуществом перед версиями с прозрачной линзой в условиях окружающего освещения, так как помогает подавлять нежелательные сигналы.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

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

О: ISC измеряется при нулевом напряжении на диоде (режим короткого замыкания). IL измеряется при приложенном обратном напряжении смещения (например, 5В). IL обычно является параметром, используемым при проектировании схем, поскольку фотодиоды обычно работают в режиме обратного смещения для обеспечения линейности и скорости.

В: Почему последовательный резистор обязателен?

О: Вольт-амперная характеристика фотодиода в прямом направлении очень крутая. Небольшое увеличение прямого напряжения может вызвать очень большой, потенциально разрушительный ток. Последовательный резистор ограничивает этот ток до безопасного значения.

В: Как выбрать рабочее обратное напряжение?

О: Это компромисс. Более высокое обратное напряжение (например, 10-20В) уменьшает емкость для более быстрого отклика, но немного увеличивает темновой ток и потребляет больше энергии. Более низкое напряжение (например, 5В) достаточно для многих применений и сохраняет темновой ток минимальным. См. кривую зависимости емкости от напряжения.

В: Может ли этот фотодиод детектировать видимый свет?

О: Да, его спектральный диапазон начинается с 730 нм, что находится в темно-красной части видимого спектра. Однако его пиковая чувствительность находится в ближнем инфракрасном диапазоне (940 нм), поэтому его отклик на видимый свет (особенно синий и зеленый) будет ниже, чем на ИК-свет.

10. Принцип работы

PIN-фотодиод — это полупроводниковое устройство, преобразующее свет в электрический ток. Он состоит из широкой, слаболегированной собственной (I) области, расположенной между областями полупроводника P-типа и N-типа (образуя структуру P-I-N). Когда фотоны с достаточной энергией попадают в собственную область, они создают электрон-дырочные пары. Под действием внутреннего электрического поля (часто усиленного внешним напряжением обратного смещения) эти носители заряда разделяются, генерируя фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. Широкая собственная область по сравнению со стандартным PN-фотодиодом позволяет достичь более высокой квантовой эффективности (большего поглощения света) и меньшей емкости перехода, что напрямую приводит к более высокой чувствительности и более быстрому времени отклика.

11. Тенденции в отрасли

Спрос на фотодиоды, такие как PD15-22B/TR8, обусловлен несколькими текущими тенденциями. Распространение Интернета вещей (IoT) и умных устройств увеличивает потребность в датчиках внешней освещенности, датчиках приближения и простых оптических каналах связи. Автоматизация в промышленном и потребительском секторах зависит от оптических энкодеров и датчиков обнаружения объектов. Существует постоянная тенденция к миниатюризации, ведущая к уменьшению размеров SMD-корпусов, и к более высокой интеграции, когда фотодиоды объединяются с усилительными и формирующими цепями в единых модулях. Кроме того, акцент на энергоэффективность и экологическую ответственность делает соответствие стандартам, таким как RoHS и производство без галогенов, базовым требованием для компонентов, используемых на мировых рынках.