Scheda Tecnica del Fotodiodo PIN al Silicio PD438C con Semi-Lente da 4.8mm - Diametro 4.8mm - Tensione Inversa 32V - Dissipazione 150mW - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il PD438C è un fotodiodo PIN al silicio ad alta velocità e alta sensibilità, racchiuso in un package plastico cilindrico side-view. La sua funzione principale è convertire la luce incidente, in particolare nello spettro infrarosso, in una corrente elettrica. Una caratteristica chiave di questo componente è che il package in epossidico funge da filtro infrarosso (IR) integrato, spettralmente abbinato ai comuni emettitori IR. Questo design semplifica l'integrazione del sistema riducendo la necessità di filtri esterni. Il dispositivo è caratterizzato da tempi di risposta rapidi, alta fotosensibilità e una piccola capacità di giunzione, rendendolo adatto per applicazioni che richiedono un rilevamento della luce rapido e preciso.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Il dispositivo è progettato per operare in modo affidabile entro i seguenti limiti assoluti, oltre i quali potrebbero verificarsi danni permanenti. La tensione inversa massima (V_R) è di 32V. La dissipazione di potenza (P_d) non deve superare i 150 mW. L'intervallo di temperatura operativa (T_opr) va da -40°C a +85°C, mentre la temperatura di stoccaggio (T_stg) si estende da -40°C a +100°C. Per il montaggio, la temperatura di saldatura (T_sol) deve essere mantenuta a 260°C per una durata non superiore a 5 secondi per prevenire danni termici al package e al die del semiconduttore.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

In condizioni di test standard (Ta=25°C), il PD438C presenta i seguenti parametri prestazionali chiave. La sua banda di risposta spettrale (λ_0.5) va da 400 nm a 1100 nm, con una lunghezza d'onda di sensibilità di picco (λ_p) tipicamente a 940 nm, allineandosi perfettamente con le comuni sorgenti di luce infrarossa. Quando illuminato con un'irradianza di 5 mW/cm² a 940 nm, la tensione a circuito aperto tipica (V_OC) è di 0,35V. La corrente di cortocircuito (I_SC) è tipicamente di 18 µA sotto 1 mW/cm² a 940 nm. Con una polarizzazione inversa di 5V e la stessa irradianza, la corrente luminosa inversa (I_L) è tipicamente di 18 µA (min. 10,2 µA). La corrente di buio (I_d), ovvero la corrente di dispersione in assenza di luce, è tipicamente di 5 nA (max. 30 nA) a una tensione inversa di 10V. La capacità terminale totale (C_t) è tipicamente di 25 pF a 3V di polarizzazione inversa e 1 MHz. I tempi di salita e discesa (t_r/t_f) sono entrambi tipicamente di 50 ns quando si opera con una polarizzazione inversa di 10V e una resistenza di carico di 1 kΩ.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche cruciali per i progettisti. Lacurva di Sensibilità Spettralemostra la responsività relativa del fotodiodo lungo il suo intervallo di lunghezze d'onda operative, confermando il picco a 940 nm. Ilgrafico Dissipazione di Potenza vs. Temperatura Ambienteillustra la derating della potenza massima ammissibile all'aumentare della temperatura operativa, essenziale per la gestione termica. Lacurva Corrente di Buio vs. Temperatura Ambientedimostra come la corrente di dispersione aumenti con la temperatura, un fattore critico per applicazioni in condizioni di scarsa illuminazione o alte temperature. Ilgrafico Corrente Luminosa Inversa vs. Irradianza (Ee)mostra la relazione lineare tra la potenza luminosa incidente e la fotocorrente generata, confermando la risposta prevedibile del dispositivo. Lacurva Capacità Terminale vs. Tensione Inversaindica come la capacità di giunzione diminuisca all'aumentare della polarizzazione inversa, influenzando direttamente la velocità del dispositivo. Infine, ilgrafico Tempo di Risposta vs. Resistenza di Caricomostra come il tempo di salita/discesa sia influenzato dal carico esterno, guidando la selezione di una resistenza di carico appropriata per circuiti critici in termini di velocità.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

Il PD438C è confezionato in un formato cilindrico side-view con un diametro nominale di 4,8mm. Il disegno meccanico dettagliato specifica tutte le dimensioni critiche, inclusa la spaziatura dei terminali, l'altezza del package e la geometria della lente. Il disegno riporta che le tolleranze dimensionali sono tipicamente di ±0,25mm salvo diversa indicazione. La configurazione side-view è particolarmente utile per applicazioni in cui il percorso luminoso è parallelo alla superficie di montaggio, come nei sensori a fessura o nei sistemi di rilevamento del bordo.

4.2 Identificazione della Polarità

Il dispositivo è un componente a due terminali. Il catodo è tipicamente identificato da un terminale più lungo, da una tacca o da un punto piatto sul corpo del package. La corretta connessione della polarità è essenziale quando si applica una polarizzazione inversa per prestazioni ottimali in modalità fotoconduttiva.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il componente è classificato per la saldatura a una temperatura di picco di 260°C. È fondamentale che il tempo al di sopra della temperatura del liquidus (tipicamente intorno ai 217°C per la saldatura senza piombo) sia limitato a un massimo di 5 secondi per prevenire stress termici eccessivi sul package epossidico e sui bond interni. I profili standard di rifusione o saldatura a onda per assemblaggi senza piombo sono generalmente applicabili. Occorre prestare attenzione per evitare stress meccanici sui terminali durante la manipolazione e il posizionamento.

6. Informazioni su Imballo e Ordini

La specifica di imballo standard è di 500 pezzi per busta. Sei buste sono combinate in una scatola interna, e dieci scatole interne costituiscono una scatola di spedizione master, per un totale di 30.000 pezzi per scatola master. L'etichetta del prodotto include campi per il numero di parte del cliente (CPN), il numero di parte del produttore (P/N), la quantità di imballo (QTY) e le informazioni di tracciabilità del lotto (LOT No.).

7. Suggerimenti Applicativi

7.1 Scenari Applicativi Tipici

Il PD438C è ben adatto a una varietà di applicazioni optoelettroniche. La sua alta velocità lo rende ideale per ilrilevamento fotografico ad alta velocitànei collegamenti di comunicazione dati o nel sensing di impulsi. È comunemente utilizzato nell'elettronica di consumocome fotocamere e videocamere (VCR, telecamere) per sistemi di autofocus, esposimetri o rilevamento fine nastro. Funge da sensore affidabile negliinterruttori optoelettronicie negli interruttori ottici per il rilevamento di posizione, il rilevamento di oggetti e i sistemi di encoder rotativi. Il filtro IR integrato lo rende particolarmente efficace nei sistemi abbinati a LED IR a 940 nm, filtrando la luce visibile indesiderata.

7.2 Considerazioni di Progettazione

Quando si progetta un circuito con il PD438C, devono essere considerati diversi fattori. Per l'ottimizzazione della velocità, far funzionare il fotodiodo con una polarizzazione inversa sufficiente (es. 5V-10V) per minimizzare la capacità di giunzione e utilizzare una resistenza di carico di basso valore, come mostrato nella curva tempo di risposta vs. resistenza di carico, anche se questo comporta un compromesso con l'escursione della tensione di uscita. Una configurazione ad amplificatore di transimpedenza (TIA) è spesso preferita per convertire la piccola fotocorrente in una tensione utilizzabile mantenendo la larghezza di banda. Per leapplicazioni sensibili al rumore, la specifica della corrente di buio e la sua dipendenza dalla temperatura sono critiche; potrebbe essere necessario raffreddare il dispositivo o utilizzare tecniche di rilevamento sincrono. La linearità della fotocorrente con l'irradianza semplifica i progetti di misurazione della potenza ottica. Assicurarsi che l'apertura ottica e l'allineamento siano corretti per l'orientamento del package side-view.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto ai fotodiodi standard senza lente o filtro, il PD438C offre un vantaggio distinto grazie al suoepossidico con semi-lente integrata e filtro IR. Ciò elimina la necessità di un filtro ottico separato, riducendo il numero di componenti, la complessità dell'assemblaggio e i costi. Il package side-view è un fattore di forma specifico che risolve le sfide di integrazione in progetti con spazio limitato dove i sensori top-view non possono essere utilizzati. La sua combinazione di velocità relativamente alta (50 ns) e buona sensibilità (18 µA a 1 mW/cm²) offre un profilo di prestazioni bilanciato per molte applicazioni di medio livello, posizionandolo tra dispositivi ad altissima velocità e bassa sensibilità e fotodiodi più lenti ma ad alta sensibilità.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Qual è lo scopo della "semi-lente"?

R: La semi-lente aiuta a focalizzare la luce in arrivo sull'area attiva del chip di silicio, aumentando l'area di raccolta effettiva e quindi la responsività (sensibilità) del dispositivo rispetto a una finestra piatta.

D: Perché la sensibilità di picco è a 940 nm?

R: Le proprietà di assorbimento intrinseche del silicio hanno un picco nella regione del vicino infrarosso. 940 nm è una lunghezza d'onda molto comune per gli emettitori infrarossi (LED), poiché è invisibile all'occhio umano e facilmente disponibile. L'epossidico è sintonizzato per abbinarsi a questo.

D: Dovrei usare questo fotodiodo in modalità fotovoltaica (bias zero) o fotoconduttiva (bias inverso)?

R: Per la massima velocità e linearità, è consigliata la modalità fotoconduttiva (applicando un bias inverso, es. 5V). Riduce la capacità di giunzione e allarga la regione di svuotamento. La modalità fotovoltaica (bias zero) offre un rumore inferiore (nessuna corrente di buio) ma è più lenta.

D: In che modo la temperatura influisce sulle prestazioni?

R: Come mostrato nelle curve, la corrente di buio aumenta significativamente con la temperatura, il che può essere una fonte di rumore. La fotocorrente stessa ha anche un leggero coefficiente di temperatura. Per un funzionamento stabile, in applicazioni di precisione può essere necessaria una compensazione della temperatura o un ambiente controllato.

10. Esempi Pratici di Progettazione e Utilizzo

Esempio 1: Sensore di Prossimità a Infrarossi:Un LED IR emette impulsi a 940 nm. La luce riflessa viene rilevata dal PD438C. Il package side-view consente sia all'emettitore che al rivelatore di essere posizionati sullo stesso PCB, rivolti nella stessa direzione. Il filtro IR integrato nel PD438C aiuta a respingere la luce visibile ambientale, migliorando il rapporto segnale/rumore del segnale IR riflesso. Un microcontrollore misura la corrente del fotodiodo tramite un TIA per determinare la presenza o la distanza di un oggetto.

Esempio 2: Interruttore Ottico a Fessura:Il PD438C è montato su un lato di una staffa a U, rivolto verso un LED IR sull'altro lato. Un oggetto che passa attraverso la fessura interrompe il fascio. Il tempo di risposta rapido (50 ns) consente di rilevare eventi ad altissima velocità o di codificare movimenti rapidi.

11. Introduzione al Principio di Funzionamento

Un fotodiodo PIN è un dispositivo a semiconduttore con una regione intrinseca (I) ampia e leggermente drogata, racchiusa tra una regione di tipo P e una di tipo N. Quando fotoni con energia maggiore del bandgap del semiconduttore (per il silicio, lunghezze d'onda inferiori a ~1100 nm) colpiscono il dispositivo, generano coppie elettrone-lacuna nella regione intrinseca. Sotto l'influenza del campo elettrico interno (in modalità fotovoltaica) o di una polarizzazione inversa applicata (in modalità fotoconduttiva), questi portatori di carica vengono separati, creando una fotocorrente misurabile proporzionale all'intensità della luce incidente. L'ampia regione intrinseca consente un volume di svuotamento maggiore, il che migliora l'efficienza quantica (sensibilità) e riduce la capacità di giunzione, consentendo un funzionamento più veloce rispetto a un fotodiodo PN standard.

12. Tendenze e Sviluppi del Settore

Il mercato per fotodiodi come il PD438C continua a essere trainato dalle tendenze nell'automazione, nell'elettronica di consumo e nelle comunicazioni. C'è una costante spinta verso unamaggiore velocitàper supportare trasmissioni dati più veloci nei collegamenti ottici. Unasensibilità migliorata(rumore inferiore, responsività più alta) consente di operare con emettitori a bassa potenza o su distanze maggiori. Laminiaturizzazioneè un'altra tendenza chiave, che porta a fotodiodi in package a montaggio superficiale più piccoli. Inoltre, l'integrazione sta avanzando, con più dispositivi che incorporano il fotodiodo, l'amplificatore e talvolta persino la logica digitale in un unico package (es. array di fotodiodi, sensori ottici integrati). Il PD438C, con il suo filtro ottico integrato, rappresenta un passo in questa tendenza all'integrazione, semplificando la distinta base per i progettisti di sistemi.