Техническая документация на сверхминиатюрный кремниевый PIN-фотодиод PD42-21B/TR8 диаметром 1.8 мм с черной линзой

1. Обзор продукта

PD42-21B/TR8 — это высокоскоростной, высокочувствительный кремниевый PIN-фотодиод, предназначенный для применения в системах инфракрасного детектирования. Компонент выполнен в сверхминиатюрном корпусе для поверхностного монтажа (SMD) с черной пластиковой линзой сферической формы диаметром 1.8 мм. Его спектральные характеристики оптимизированы для согласования с распространенными инфракрасными светодиодами. Основная функция устройства — преобразование падающего света, в особенности в инфракрасном спектре, в электрический ток.

Ключевые преимущества устройства обусловлены его малым временем отклика, высокой фоточувствительностью и малой емкостью p-n перехода, что делает его подходящим для приложений, требующих быстрого и надежного детектирования света. Поставляется на катушке в ленте, совместимой с автоматизированными процессами сборки. Изделие соответствует современным экологическим стандартам: не содержит свинца (Pb-free), соответствует директиве RoHS, регламенту ЕС REACH и не содержит галогенов.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельно допустимые режимы эксплуатации

Эти параметры определяют границы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Обратное напряжение (VR):32 В — максимальное напряжение, которое может быть приложено в обратном смещении к выводам фотодиода.
• Рабочая температура (Topr):от -25°C до +85°C — диапазон температуры окружающей среды для нормальной работы устройства.
• Температура хранения (Tstg):от -40°C до +85°C — диапазон температур для хранения устройства в нерабочем состоянии.
• Температура пайки (Tsol):260°C не более 5 секунд — предельная пиковая температура при групповой пайке оплавлением.
• Рассеиваемая мощность (Pd):150 мВт при 25°C — максимальная мощность, которую может рассеивать устройство.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры, измеренные при 25°C, определяют производительность фотодиода в заданных условиях испытаний.

• Спектральная полоса пропускания (λ0.5):от 730 нм до 1100 нм — диапазон длин волн, в котором чувствительность фотодиода составляет не менее половины от пикового значения. Это определяет его рабочий спектральный диапазон.
• Длина волны пиковой чувствительности (λP):940 нм (типовое значение) — длина волны света, на которой фотодиод наиболее чувствителен. Это согласует его с распространенными ИК-светодиодами на 940 нм.
• Напряжение холостого хода (VOC):0.42 В (типовое) при Ee=5 мВт/см², λP=940нм — напряжение, возникающее на выводах фотодиода при освещении, когда ток не потребляется (режим холостого хода).
• Ток короткого замыкания (ISC):4.0 мкА (типовое) при Ee=1 мВт/см², λP=875нм — ток, протекающий через фотодиод при коротком замыкании его выводов под воздействием света.
• Обратный световой ток (IL):4.0 мкА (типовое) при Ee=1 мВт/см², λP=875нм, VR=5В — фототок, генерируемый при обратном смещении устройства. Это основной рабочий параметр для большинства схем детектирования.
• Темновой ток (ID):10 нА (макс.) при VR=10В — малый обратный ток утечки, протекающий при полном отсутствии освещения. Более низкие значения указывают на лучшее соотношение сигнал/шум.
• Напряжение пробоя (VBR):32 В (мин.), 170 В (тип.) при IR=100мкА — напряжение, при котором обратный ток резко возрастает. Работа вблизи или выше этого напряжения может привести к повреждению.

3. Анализ характеристических кривых

В технической документации представлены типовые характеристические кривые, которые визуально демонстрируют поведение устройства за пределами точечных спецификаций.

3.1 Спектральная чувствительность (Рис. 1)

Эта кривая отображает относительную чувствительность фотодиода в зависимости от длины волны падающего света. Она графически подтверждает спектральную полосу пропускания и пик чувствительности на 940 нм. Кривая показывает резкий рост чувствительности примерно с 700 нм, пик на 940 нм, а затем постепенное снижение к 1100 нм. Такая форма характерна для кремниевых фотоприемников.

3.2 Зависимость обратного светового тока от облученности (Рис. 2)

Этот график иллюстрирует взаимосвязь между генерируемым фототоком (IL) и плотностью мощности падающего света (Ee). Для PIN-фотодиода, работающего в фотопроводящем режиме (с обратным смещением), эта зависимость, как правило, линейна в широком диапазоне. Эта линейность крайне важна для аналоговых приложений измерения света, где выходной сигнал должен быть прямо пропорционален интенсивности света.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

PD42-21B/TR8 — это круглое сверхминиатюрное устройство диаметром корпуса 1.8 мм. Подробный чертеж содержит все критические размеры, включая общую высоту, форму линзы, расстояние между выводами и рекомендации по контактным площадкам. Предлагаемая конфигурация площадок является справочной; разработчики должны корректировать ее в соответствии со своими правилами проектирования печатных плат и тепловыми/механическими требованиями. Все допуски на размеры, если не указано иное, обычно составляют ±0.1 мм.

4.2 Идентификация полярности

Устройство имеет два вывода. Правильное подключение полярности крайне важно для корректной работы в схеме с обратным смещением. На чертеже в документации указаны катод и анод. Как правило, более длинный вывод или специальная маркировка на корпусе обозначает катод. Подключение катода к более положительному напряжению (при обратном смещении) является стандартным рабочим условием.

4.3 Спецификация упаковки

Компонент поставляется в перфорированной несущей ленте на катушках диаметром 7 дюймов. Размеры ленты (размер гнезда, шаг и т.д.) указаны для обеспечения совместимости со стандартным оборудованием для поверхностного монтажа. Каждая катушка содержит 1000 штук, что является стандартным количеством для серийного производства среднего объема.

5. Рекомендации по пайке и сборке

5.1 Профиль групповой пайки оплавлением

Устройство подходит для процессов бессвинцовой (Pb-free) пайки оплавлением. Максимальная пиковая температура не должна превышать 260°C, а время пребывания выше 260°C должно быть ограничено. Общее количество циклов оплавления не должно превышать двух, чтобы предотвратить повреждение пластикового корпуса и внутреннего кристалла от термических напряжений.

5.2 Ручная пайка

При необходимости ручной пайки необходимо соблюдать особую осторожность. Температура жала паяльника должна быть ниже 350°C, а время контакта с каждым выводом должно быть ограничено 3 секундами или менее. Рекомендуется использовать маломощный паяльник (≤25 Вт). Между пайкой каждого вывода следует делать паузу для охлаждения, чтобы предотвратить локальный перегрев.

5.3 Переделка и ремонт

Переделку после первоначальной пайки настоятельно не рекомендуется проводить. Если это неизбежно, следует использовать специализированный двусторонний паяльник для одновременного нагрева обоих выводов, что позволит безопасно демонтировать компонент без приложения чрезмерного механического напряжения. Потенциальное влияние переделки на характеристики устройства должно быть оценено заранее.

6. Меры предосторожности при хранении и обращении

• Чувствительность к влаге:Устройство чувствительно к влаге. Пакет не следует вскрывать до момента готовности к использованию. Условия предварительного хранения должны быть ≤30°C и ≤90% относительной влажности.
• Время жизни на производстве:После вскрытия влагозащитного пакета компоненты должны быть использованы в течение 168 часов (7 дней) при хранении в условиях ≤30°C и ≤60% относительной влажности.
• Прогрев (сушка):Если время хранения превышено или индикатор влажности показывает высокую влажность, требуется обработка (прогрев) при 60±5°C в течение 24 часов для удаления поглощенной влаги и предотвращения эффекта \"попкорна\" во время пайки оплавлением.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые схемы включения

Основное применение — в качестве высокоскоростного фотоприемника. В типовой схеме фотодиод смещается в обратном направлении напряжением ниже его максимального значения (например, 5 В, как в условиях испытаний). Фототок (IL) протекает через нагрузочный резистор (RL). Падение напряжения на RL, пропорциональное интенсивности света, затем усиливается последующим усилителем тока (трансимпедансным усилителем, TIA) или усилителем напряжения. Малое время отклика делает его подходящим для детектирования импульсного света и передачи данных.

7.2 Соображения при проектировании

• Напряжение смещения:Для оптимальной скорости и линейности рекомендуется обратное напряжение смещения (например, 5 В). Более высокое смещение может дополнительно снизить емкость перехода, увеличивая полосу пропускания, но должно оставаться ниже V_R.
• Ограничение/защита тока:Как отмечено в мерах предосторожности, сам фотодиод не ограничивает ток. В схемах, где он может подвергаться воздействию света высокой интенсивности или быть подключен неправильно, может потребоваться последовательный резистор для предотвращения чрезмерного тока, способного повредить переход.
• Оптическая конструкция:Черная линза помогает снизить чувствительность к паразитной засветке. Для оптимальной работы фотодиод следует сочетать с ИК-источником (например, светодиодом на 850 нм или 940 нм) и, возможно, с оптическим фильтром для блокировки нежелательного окружающего света, особенно видимого, который он также может в некоторой степени детектировать.

7.3 Сценарии применения

• Высокоскоростное детектирование света:Подходит для световых барьеров, счетчиков объектов и энкодеров, где необходимо детектировать быстрые переходы света вкл/выкл.
• Копировальные аппараты и сканеры:Может использоваться в качестве датчика для обнаружения наличия документа, замятия бумаги или как часть сенсорной матрицы в контактных датчиках изображения (CIS).
• Игровые автоматы и бытовая электроника:Используется в приемниках ИК-пультов дистанционного управления, датчиках приближения и системах распознавания жестов.
• Инфракрасные системы:Любые системы, использующие модулированный или импульсный инфракрасный свет для передачи данных, измерения расстояния (времяпролетный метод) или простого обнаружения присутствия.

8. Техническое сравнение и отличия

По сравнению со стандартными PN-фотодиодами, структура PIN предлагает ключевые преимущества: более широкая область обеднения (слой \"I\" или собственный полупроводник), что приводит кменьшей емкости p-n перехода(обеспечивая более быстрый отклик) и позволяет эффективно работать при более низких обратных напряжениях смещения. Малый корпус диаметром 1.8 мм делает его идеальным для конструкций с ограниченным пространством. Черная линза обеспечивает определенную степень встроенного подавления видимого света по сравнению с вариантами с прозрачной линзой, что полезно в приложениях, специфичных для ИК-диапазона.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: В чем разница между током короткого замыкания (I_SC) и обратным световым током (I_L)?

О: I_SCизмеряется при нулевом напряжении на диоде (фотовольтаический режим). I_Lизмеряется при приложенном обратном смещении (фотопроводящий режим). I_Lобычно является параметром, используемым при проектировании схем, поскольку он более стабилен и линеен, а обратное смещение ускоряет отклик.

В: Почему важен темновой ток?

О: Темновой ток — это уровень собственных шумов фотодиода. В приложениях с низкой освещенностью высокий темновой ток может маскировать слабый сигнал фототока, снижая чувствительность и соотношение сигнал/шум. Указанное максимальное значение 10 нА является довольно низким для кремниевого фотодиода.

В: Могу ли я использовать его с источником видимого света?

О: Да, но с пониженной эффективностью. Кривая спектральной чувствительности показывает, что он чувствителен примерно от 730 нм, поэтому он будет хорошо детектировать красный и ближний инфракрасный свет. Для оптимальной работы с видимым светом (например, синим или зеленым) более подходящим был бы фотодиод с другим спектральным пиком.

10. Принцип работы

PIN-фотодиод — это полупроводниковое устройство с p-областью, собственной (нелегированной) областью и n-областью. При обратном смещении широкая область обеднения формируется в основном в собственном слое. Падающие фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, поглощаются, создавая электрон-дырочные пары. Сильное электрическое поле в области обеднения быстро разделяет эти пары, заставляя их дрейфовать к соответствующим выводам, тем самым генерируя фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. Собственный слой снижает емкость и позволяет эффективно собирать носители заряда на большей площади, повышая скорость и квантовую эффективность.