Scheda Tecnica del Fotodiodo PIN al Silicio PD438B con Semi-Lente da 4.8mm - Diametro 4.8mm - Lente Nera - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il PD438B è un fotodiodo PIN al silicio ad alte prestazioni, progettato per applicazioni che richiedono risposta rapida ed elevata sensibilità alla luce infrarossa. È alloggiato in un compatto package plastico cilindrico side-view con un diametro di 4.8mm. Una caratteristica chiave di questo dispositivo è il suo package in epossidico, formulato per fungere da filtro infrarosso (IR) integrato. Questo filtro integrato è spettralmente abbinato ai comuni emettitori IR, migliorando il rapporto segnale/rumore trasmettendo selettivamente la lunghezza d'onda IR target mentre attenua la luce visibile indesiderata.

I vantaggi principali del PD438B includono i tempi di risposta rapidi, l'alta fotosensibilità e la bassa capacità di giunzione, rendendolo adatto per circuiti di rilevamento ad alta velocità. Il dispositivo è realizzato con materiali privi di piombo (Pb-free) e rispetta le normative ambientali pertinenti come RoHS e REACH UE, garantendo la sua idoneità per la moderna produzione elettronica.

I mercati target primari e le applicazioni per questo fotodiodo sono nell'elettronica di consumo e nel sensing industriale. È ideale per l'uso come rivelatore fotoelettrico ad alta velocità in sistemi come fotocamere, videoregistratori e telecamere. Le sue caratteristiche lo rendono anche un componente affidabile in vari interruttori optoelettronici e moduli di sensing dove il rilevamento preciso dei segnali IR è critico.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Il dispositivo è progettato per operare in modo affidabile entro limiti ambientali ed elettrici specificati. Superare questi Valori Massimi Assoluti può causare danni permanenti.

• Tensione di Inversione (VR):32 V. Questa è la massima tensione che può essere applicata in polarizzazione inversa ai terminali del fotodiodo.
• Dissipazione di Potenza (Pd):150 mW. Questo valore considera la potenza totale che il dispositivo può gestire, principalmente dalla corrente di dispersione in inversione sotto polarizzazione.
• Temperatura di Esercizio (Topr):-40°C a +85°C. L'intervallo di prestazione garantita per il fotodiodo durante il normale funzionamento.
• Temperatura di Magazzinaggio (Tstg):-40°C a +100°C. L'intervallo di temperatura sicuro per il dispositivo quando non alimentato.
• Temperatura di Saldatura (Tsol):260°C per una durata massima di 5 secondi. Questo definisce i vincoli del profilo di saldatura a rifusione per prevenire danni al package e al die semiconduttore.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri, misurati a una temperatura standard di 25°C, definiscono le prestazioni fondamentali di fotorivelazione del PD438B.

• Banda Spettrale (λ0.5):400 nm a 1100 nm. Questo definisce l'intervallo di lunghezze d'onda in cui la responsività del fotodiodo è almeno la metà del suo valore di picco. Conferma la sensibilità dalla luce blu visibile fino al vicino infrarosso.
• Lunghezza d'Onda di Sensibilità di Picco (λp):940 nm (Tipico). Il fotodiodo è più sensibile alla luce infrarossa a questa lunghezza d'onda, che è standard per molti LED IR e sistemi di controllo remoto.
• Tensione a Circuito Aperto (VOC):0.35 V (Tipico) sotto un'irradianza (Ee) di 5 mW/cm² a 940nm. Questa è la tensione generata dal fotodiodo in modalità fotovoltaica (nessuna polarizzazione esterna) in condizioni di luce specificate.
• Corrente di Cortocircuito (ISC):18 µA (Tipico) sotto 1 mW/cm² a 940nm. Questa è la fotocorrente generata quando i terminali del diodo sono in cortocircuito, rappresentando la sua massima uscita di corrente per un dato livello di luce.
• Corrente di Luce in Inversione (IL):18 µA (Tipico) a VR=5V sotto 1 mW/cm² a 940nm. Questa è la fotocorrente misurata quando il diodo è polarizzato inversamente, che è la modalità operativa standard per risposta lineare e ad alta velocità.
• Corrente di Buio (Id):5 nA (Tipico), 30 nA (Max) a VR=10V in completa oscurità. Questa è la piccola corrente di dispersione che scorre anche quando non è presente luce. Una bassa corrente di buio è cruciale per rilevare segnali luminosi deboli.
• Tensione di Breakdown in Inversione (BVR):170 V (Tipico), 32 V (Min). La tensione alla quale la corrente inversa aumenta bruscamente. La tensione inversa operativa deve essere sempre mantenuta ben al di sotto di questo valore.
• Capacità Totale (Ct):25 pF (Tipico) a VR=3V e 1 MHz. Questa capacità di giunzione influisce direttamente sulla velocità del dispositivo; una capacità inferiore consente tempi di risposta più rapidi.
• Tempo di Salita/Discesa (tr/tf):50 ns / 50 ns (Tipico) con VR=10V e una resistenza di carico (RL) di 1 kΩ. Questi parametri specificano quanto rapidamente la corrente di uscita del fotodiodo può cambiare in risposta a un impulso luminoso, definendo la sua capacità ad alta velocità.

Le tolleranze per i parametri chiave sono specificate: Intensità Luminosa (±10%), Lunghezza d'Onda Dominante (±1nm) e Tensione Diretta (±0.1V), garantendo la coerenza nei lotti di produzione.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che illustrano come i parametri chiave variano con le condizioni operative. Queste sono essenziali per i progettisti di circuiti.

3.1 Sensibilità Spettrale

La curva di risposta spettrale mostra la sensibilità relativa del fotodiodo a diverse lunghezze d'onda. Avrà un picco netto intorno ai 940 nm grazie all'epossidico filtrante IR integrato, con una sensibilità significativamente ridotta nello spettro visibile (400-700 nm). Questa curva è critica per garantire che il rivelatore sia abbinato alla lunghezza d'onda dell'emettitore.

3.2 Corrente di Buio vs. Temperatura Ambiente

Questa curva mostra tipicamente un aumento esponenziale della corrente di buio (Id) all'aumentare della temperatura ambiente. I progettisti devono tenere conto di questo aumento del rumore di fondo nelle applicazioni ad alta temperatura o quando si rilevano segnali di luce molto deboli.

3.3 Corrente di Luce in Inversione vs. Irradianza (Ee)

Questo grafico dimostra la relazione lineare tra la potenza luminosa incidente (irradianza) e la fotocorrente generata (IL) quando il diodo è polarizzato inversamente. La linearità è una caratteristica chiave dei fotodiodi PIN, rendendoli adatti per applicazioni di misurazione della luce.

3.4 Capacità Terminale vs. Tensione di Inversione

La capacità di giunzione (Ct) diminuisce all'aumentare della tensione di polarizzazione inversa (VR). Questa curva consente ai progettisti di selezionare una tensione di polarizzazione operativa che ottimizza il compromesso tra velocità (capacità inferiore a tensione più alta) e consumo energetico/calore.

3.5 Tempo di Risposta vs. Resistenza di Carico

Il tempo di salita/discesa (tr/tf) è influenzato dalla costante di tempo RC formata dalla capacità di giunzione del fotodiodo e dalla resistenza di carico esterna (RL). Questa curva mostra come il tempo di risposta aumenti con resistori di carico più grandi, guidando la selezione di RL per la velocità desiderata nei circuiti ad amplificatore di transimpedenza.

3.6 Dissipazione di Potenza vs. Temperatura Ambiente

Questa curva di derating indica la massima dissipazione di potenza ammissibile in funzione della temperatura ambiente. All'aumentare della temperatura, la massima potenza sicura che il dispositivo può gestire diminuisce linearmente, il che è vitale per la gestione termica nella progettazione del sistema.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

Il PD438B è alloggiato in un package cilindrico side-view con diametro nominale di 4.8mm. Il disegno meccanico dettagliato nella scheda tecnica fornisce tutte le dimensioni critiche, incluso il diametro del corpo, la lunghezza, la spaziatura dei terminali e il loro diametro. Una tolleranza standard di ±0.25mm si applica a tutte le dimensioni del package se non diversamente specificato. La configurazione side-view è progettata per applicazioni in cui il percorso della luce è parallelo alla superficie del PCB.

4.2 Identificazione della Polarità

Il fotodiodo è un componente polarizzato. Il catodo è tipicamente identificato da un terminale più lungo, da un punto piatto sul package o da una marcatura specifica. Il diagramma del package nella scheda tecnica indica chiaramente le connessioni dell'anodo e del catodo, che devono essere rispettate durante il montaggio per garantire la corretta polarizzazione (polarizzazione inversa per il funzionamento normale).

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Per mantenere l'affidabilità e prevenire danni durante il processo di assemblaggio, devono essere seguite specifiche condizioni di saldatura.

• Saldatura a Rifusione:Il componente è adatto per il montaggio superficiale utilizzando tecniche di saldatura a rifusione. La temperatura di picco di saldatura non deve superare i 260°C e il tempo sopra questa temperatura deve essere limitato a 5 secondi o meno per prevenire danni termici al package epossidico e al die semiconduttore.
• Saldatura Manuale:Se è necessaria la saldatura manuale, dovrebbe essere utilizzato un saldatore a temperatura controllata. Il tempo di contatto con i terminali dovrebbe essere minimizzato ed è consigliato l'uso di un dissipatore di calore sul terminale tra il giunto e il corpo del package.
• Condizioni di Magazzinaggio:I dispositivi dovrebbero essere conservati nelle loro buste originali barriera all'umidità in un ambiente controllato entro l'intervallo di temperatura di magazzinaggio da -40°C a +100°C e a bassa umidità per prevenire l'ossidazione dei terminali.

6. Informazioni su Imballo e Ordini

6.1 Specifiche di Imballo

Il flusso di imballo standard per il PD438B è il seguente: 500 pezzi sono confezionati in una busta anti-static. Sei di queste buste sono poi inserite in una scatola interna. Infine, dieci scatole interne sono imballate in una scatola di spedizione principale (esterna), per un totale di 30.000 pezzi per scatola principale.

6.2 Specifiche dell'Etichetta

L'etichetta sull'imballaggio contiene diversi identificatori chiave:

• CPN:Numero di Prodotto del Cliente (se assegnato).
• P/N:Il numero di prodotto del produttore (PD438B).
• QTY:La quantità di dispositivi nella confezione.
• CAT, HUE, REF:Codici che rappresentano rispettivamente il grado di intensità luminosa, il grado di lunghezza d'onda dominante e il grado di tensione diretta, per prodotti selezionati (binned).
• LOT No:Il numero di lotto di produzione tracciabile.

Questa etichettatura garantisce la tracciabilità e la corretta gestione del materiale lungo tutta la catena di fornitura.

7. Note Applicative e Considerazioni di Progettazione

7.1 Circuiti Applicativi Tipici

Il PD438B è più comunemente utilizzato in una delle due configurazioni di circuito:

1. Modalità Fotovoltaica (Polarizzazione Zero):Il fotodiodo è collegato direttamente a un carico ad alta impedenza (come l'ingresso di un op-amp). Questa modalità offre corrente di buio e rumore minimi ma ha una risposta più lenta e una minore linearità. È adatta per misurazioni di luce di precisione a bassa velocità.
2. Modalità Fotoconduttiva (Polarizzazione Inversa):Il fotodiodo è collegato con il catodo a una tensione positiva e l'anodo a una massa virtuale (ad esempio, l'ingresso invertente di un amplificatore di transimpedenza). Questa è la modalità raccomandata per il PD438B per sfruttare le sue capacità ad alta velocità. La polarizzazione inversa riduce la capacità di giunzione (aumentando la velocità) e migliora la linearità. Il valore della resistenza di feedback nell'amplificatore di transimpedenza imposta il guadagno (Vout = Iphoto * Rfeedback).

7.2 Considerazioni di Progettazione

• Selezione della Tensione di Polarizzazione:Scegliere una tensione di polarizzazione inversa (es. 5V a 10V) che offra un buon compromesso tra velocità (capacità inferiore) e consumo energetico. Non superare la tensione inversa massima di 32V.
• Selezione dell'Amplificatore:Per applicazioni ad alta velocità, associare il PD438B con un amplificatore operazionale a basso rumore e larga banda configurato come amplificatore di transimpedenza. La corrente di polarizzazione in ingresso e il rumore di tensione dell'amplificatore dovrebbero essere bassi per non degradare il segnale del fotodiodo.
• Layout del PCB:Mantenere il fotodiodo e il suo amplificatore associato vicini per minimizzare la capacità parassita e la captazione di rumore sul nodo sensibile ad alta impedenza. Utilizzare un anello di guardia collegato a un punto a bassa impedenza (come l'uscita dell'amplificatore o un piano di massa) attorno alla connessione dell'anodo del fotodiodo per ridurre le correnti di dispersione.
• Allineamento Ottico:Assicurare un corretto allineamento meccanico tra l'emettitore IR e il fotodiodo. Il package side-view è progettato per questo. Considerare l'uso di un tubo o di una barriera per bloccare la luce ambiente e il crosstalk.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

Il PD438B si differenzia sul mercato attraverso diverse caratteristiche chiave:

• Filtro IR Integrato:Il package epossidico stesso funge da filtro, eliminando la necessità di un componente filtro separato, riducendo il numero di parti, i costi e semplificando l'assemblaggio.
• Package Side-View:Il fattore di forma cilindrico side-view è ideale per applicazioni in cui il percorso della luce è parallelo al PCB, come in sensori a fessura, sistemi di rilevamento del bordo e certi tipi di encoder.
• Prestazioni Bilanciate:Offre una combinazione ben bilanciata di velocità (50 ns), sensibilità (18 µA a 1 mW/cm²) e bassa corrente di buio, rendendolo una scelta versatile per un'ampia gamma di compiti di rilevamento IR da media ad alta velocità.
• Conformità Ambientale:La sua costruzione Pb-free e la conformità a RoHS e REACH lo rendono adatto per i mercati globali con normative ambientali rigorose.

Rispetto a fotodiodi più grandi, offre un ingombro ridotto. Rispetto a fotodiodi non filtrati, fornisce un'attenuazione superiore del rumore della luce visibile ambientale.

9. Domande Frequenti (FAQ)

D1: Qual è lo scopo della lente epossidica nera?

R1: L'epossidico nero non è solo per l'aspetto; è formulato per essere un efficace filtro infrarosso. Trasmette la lunghezza d'onda IR target (con picco a 940 nm) mentre assorbe gran parte della luce visibile, riducendo significativamente l'interferenza da sorgenti di luce ambiente come l'illuminazione della stanza.

D2: Devo far funzionare il PD438B con o senza una tensione di polarizzazione inversa?

R2: Per un funzionamento ad alta velocità (come indicato dal suo tempo di salita di 50 ns), è fortemente raccomandato far funzionare il PD438B in modalità fotoconduttiva con polarizzazione inversa, tipicamente tra 5V e 10V. Questo riduce la capacità di giunzione e migliora linearità e velocità.

D3: Come converto la fotocorrente in un segnale di tensione utilizzabile?

R3: Il metodo più comune ed efficace è utilizzare un circuito ad amplificatore di transimpedenza (TIA). Il fotodiodo si collega tra l'ingresso invertente e l'uscita di un op-amp, con una resistenza di feedback che determina il guadagno (Vout = -Iphoto * Rf). Un piccolo condensatore di feedback è spesso aggiunto in parallelo alla resistenza per stabilizzare il circuito e limitare la banda.

D4: Qual è il significato del parametro "Corrente di Buio"?

R4: La corrente di buio è la piccola corrente che scorre attraverso il fotodiodo quando è in completa oscurità e sotto polarizzazione inversa. Funge da sorgente di rumore. Una corrente di buio più bassa (5 nA tipico per il PD438B) significa che il dispositivo può rilevare segnali luminosi più deboli senza che il segnale sia mascherato dal proprio rumore.

D5: Questo fotodiodo può essere usato per il rilevamento della luce visibile?

R5: Sebbene il suo intervallo spettrale inizi a 400 nm (violetto), la sua sensibilità nello spettro visibile è notevolmente attenuata dalla lente epossidica filtrante IR. La sua sensibilità di picco è saldamente nell'infrarosso a 940 nm. Per il rilevamento primario della luce visibile, sarebbe più appropriato un fotodiodo senza package filtrante IR.

10. Principi di Funzionamento

Un fotodiodo PIN è un dispositivo semiconduttore con un'ampia regione intrinseca (I) leggermente drogata, racchiusa tra una regione di tipo P e una di tipo N. Quando fotoni con energia maggiore del bandgap del semiconduttore colpiscono il dispositivo, creano coppie elettrone-lacuna nella regione intrinseca. Sotto l'influenza di un campo elettrico esterno di polarizzazione inversa, questi portatori di carica vengono separati, generando una fotocorrente proporzionale all'intensità della luce incidente. L'ampia regione intrinseca consente diversi vantaggi: crea una regione di svuotamento più ampia per l'assorbimento dei fotoni (aumentando la sensibilità), riduce la capacità di giunzione (aumentando la velocità) e consente l'operazione a tensioni inverse più elevate. Il PD438B utilizza silicio, che ha un bandgap adatto per rilevare la luce dallo spettro visibile al vicino infrarosso.

11. Dichiarazione di Non Responsabilità e Note d'Uso

Le informazioni contenute in questo documento tecnico sono soggette a modifiche senza preavviso. I grafici e i valori tipici forniti sono a scopo di guida per la progettazione e non rappresentano specifiche garantite. Nell'implementare questo componente, i progettisti devono attenersi rigorosamente ai Valori Massimi Assoluti per prevenire il guasto del dispositivo. Il produttore non si assume alcuna responsabilità per eventuali danni derivanti dall'uso di questo prodotto al di fuori delle sue condizioni operative specificate. Questo prodotto non è destinato all'uso in applicazioni critiche per la sicurezza, di supporto vitale, militari, automobilistiche o aerospaziali senza preventiva consultazione e specifica qualifica.