Scheda Tecnica Fotodiodo PD333-3B/L4 - 5mm Semi-Lente - Silicio PIN - Involucro Nero - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il PD333-3B/L4 è un fotodiodo al silicio PIN ad alta velocità e sensibilità, alloggiato in un involucro cilindrico plastico a vista laterale. La sua caratteristica distintiva è l'involucro in epossidico integrato che funge anche da filtro per l'infrarosso (IR), rendendolo spettralmente abbinato ai comuni emettitori IR. Questa integrazione semplifica la progettazione ottica riducendo la necessità di componenti filtranti esterni. Il dispositivo è progettato per applicazioni che richiedono tempi di risposta rapidi e rilevamento affidabile della luce infrarossa, in particolare nella gamma di lunghezze d'onda di 940nm.

I vantaggi principali includono i tempi di risposta rapidi, l'alta fotosensibilità e la bassa capacità di giunzione, elementi critici per l'integrità del segnale nelle applicazioni ad alta velocità. Il componente è conforme alle normative RoHS e REACH dell'UE ed è prodotto con processi privi di piombo, in linea con gli standard ambientali e di sicurezza moderni per i componenti elettronici.

2. Approfondimento Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Il dispositivo è valutato per funzionare entro specifici limiti ambientali ed elettrici per garantire l'affidabilità e prevenire danni. La tensione inversa massima (VR) è di 32V. La potenza dissipabile (Pd) è di 150mW. Il componente può sopportare temperature di saldatura dei terminali (Tsol) fino a 260°C per una durata non superiore a 5 secondi, compatibile con i processi standard di saldatura a rifusione. L'intervallo di temperatura operativa (Topr) va da -40°C a +85°C, e l'intervallo di temperatura di stoccaggio (Tstg) va da -40°C a +100°C, indicando prestazioni robuste in un'ampia gamma di condizioni.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Le prestazioni del fotodiodo sono caratterizzate in condizioni standard (Ta=25°C). La sua larghezza di banda spettrale (λ0.5) va da 840nm a 1100nm, con sensibilità di picco (λp) a 940nm. Ciò lo rende ideale per l'uso con LED IR a 940nm. I parametri elettrici chiave includono una tensione a circuito aperto (VOC) tipica di 0,42V quando illuminato con 5mW/cm² a 940nm, e una corrente di cortocircuito (ISC) tipica di 10µA sotto illuminazione di 1mW/cm² a 940nm.

La corrente luminosa inversa (IL), ovvero la fotocorrente generata sotto polarizzazione inversa, è tipicamente di 12µA (VR=5V, Ee=1mW/cm², λp=940nm). La corrente di buio (Id), un parametro critico per la sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione, è specificata con un massimo di 10nA (VR=10V). La tensione di breakdown inversa (BVR) ha un minimo di 32V e un valore tipico di 170V. La capacità terminale totale (Ct) è tipicamente di 5pF a VR=5V e 1MHz, un valore basso che contribuisce alle capacità ad alta velocità del dispositivo.

3. Analisi Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che illustrano il comportamento del dispositivo in condizioni variabili. Questi grafici sono essenziali per i progettisti per prevedere le prestazioni in applicazioni reali al di là delle condizioni di test standard.

3.1 Caratteristiche Termiche e Ottiche

La Figura 1 mostra la relazione tra la potenza dissipabile ammissibile e la temperatura ambiente. All'aumentare della temperatura, la potenza massima dissipabile diminuisce linearmente, una caratteristica standard di derating per i dispositivi a semiconduttore. La Figura 2 mostra la curva di sensibilità spettrale, confermando la risposta di picco a 940nm e i punti di taglio definiti a 840nm e 1100nm dove la sensibilità scende alla metà del valore di picco.

3.2 Corrente vs. Illuminazione e Temperatura

La Figura 3 illustra come la corrente di buio (Id) aumenti esponenzialmente con l'aumento della temperatura ambiente. Questa è una proprietà fondamentale delle giunzioni a semiconduttore ed è critica per le applicazioni che operano a temperature elevate, poiché una corrente di buio aumentata alza il rumore di fondo. La Figura 4 mostra la relazione lineare tra la corrente luminosa inversa (IL) e l'irradianza (Ee), dimostrando la generazione di fotocorrente prevedibile e lineare del fotodiodo.

3.3 Capacità e Tempo di Risposta

La Figura 5 traccia la capacità terminale in funzione della tensione inversa. La capacità diminuisce con l'aumento della polarizzazione inversa, un comportamento tipico dei fotodiodi PIN. Una capacità inferiore consente tempi di risposta più rapidi. La Figura 6 mostra la relazione tra il tempo di risposta e la resistenza di carico. Il tempo di risposta aumenta con una resistenza di carico più elevata a causa della costante di tempo RC formata dalla capacità di giunzione e dal carico esterno. Per applicazioni ad alta velocità, viene tipicamente utilizzata una resistenza di carico di basso valore (es. 50Ω), sebbene ciò comporti un compromesso tra ampiezza del segnale e velocità.

4. Informazioni Meccaniche e sull'Involucro

Il PD333-3B/L4 è fornito in un involucro cilindrico a vista laterale. Il corpo dell'involucro è nero, il che aiuta a ridurre le riflessioni interne e le interferenze della luce parassita. Il design "semi-lente" aiuta a focalizzare la luce incidente sull'area attiva di silicio, migliorando la sensibilità effettiva. Le dimensioni dettagliate dell'involucro sono fornite nella scheda tecnica, con tutte le misure in millimetri. Le tolleranze critiche per il posizionamento meccanico sono tipicamente di ±0,25mm. L'orientamento a vista laterale è particolarmente utile per applicazioni in cui il percorso della luce è parallelo alla superficie del PCB, come nei sensori a fessura o nei sistemi di rilevamento del bordo.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

Il componente è adatto per i processi standard di assemblaggio PCB. Il valore massimo assoluto per la temperatura di saldatura dei terminali è di 260°C. È cruciale che il tempo di saldatura a questa temperatura non superi i 5 secondi per prevenire danni all'involucro plastico o al die semiconduttore interno. I profili standard di saldatura a rifusione IR o a onda utilizzati per assemblaggi senza piombo sono generalmente applicabili. Una manipolazione corretta per evitare la contaminazione della superficie della lente è essenziale per mantenere le prestazioni ottiche. Lo stoccaggio deve avvenire nell'intervallo di temperatura specificato da -40°C a +100°C in un ambiente asciutto.

6. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

La specifica di imballaggio standard è di 500 pezzi per busta, 5 buste per scatola e 10 scatole per cartone. Questo imballaggio sfuso è tipico per le linee di assemblaggio automatizzate. L'etichetta sull'imballaggio include informazioni critiche per la tracciabilità e la verifica: Numero di Produzione del Cliente (CPN), Numero di Parte (P/N), Quantità di Imballo (QTY), gradi di qualità (CAT), lunghezza d'onda di picco (HUE), un codice di riferimento (REF) e il Numero di Lotto di produzione. È indicato anche il mese di produzione. Gli utenti dovrebbero incrociare le informazioni dell'etichetta con i propri registri interni e le specifiche della scheda tecnica.

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Scenari Applicativi Tipici

Il PD333-3B/L4 è ben adatto per diverse applicazioni chiave. Comerivelatore fotoelettrico ad alta velocità, può essere utilizzato in collegamenti di comunicazione dati che utilizzano luce infrarossa, scanner di codici a barre o sistemi di rilevamento di impulsi. La sua integrazione nellefotocamerepuò essere per sistemi di assistenza all'autofocus o per la misurazione della luce. Negliinterruttori optoelettronici, costituisce la metà ricevitore di un interruttore ottico o di un sensore riflettente, comunemente presenti in stampanti, encoder e barriere di sicurezza. Il suo utilizzo neivideoregistratori e videocamerestoricamente riguardava sensori di fine nastro o ricevitori per telecomando, sebbene principi simili si applichino all'elettronica di consumo moderna.

7.2 Considerazioni di Progettazione

Quando si progetta con questo fotodiodo, devono essere considerati diversi fattori. Per quanto riguarda lapolarizzazione, viene tipicamente operato in polarizzazione inversa (modalità fotoconduttiva) per migliorare velocità e linearità, sebbene la modalità fotovoltaica (polarizzazione zero) possa essere utilizzata per applicazioni a basso rumore. La scelta dell'amplificatore operazionalenel circuito dell'amplificatore di transimpedenza (TIA) è critica; deve avere una bassa corrente di polarizzazione di ingresso e basso rumore per non degradare il segnale proveniente dal fotodiodo a bassa corrente di buio. Laproprietà filtrante IRdell'involucro è vantaggiosa, ma i progettisti devono assicurarsi che la lunghezza d'onda della sorgente (es. 940nm) sia allineata con la sensibilità di picco. Per il funzionamento ad alta velocità, è essenziale un'attenta disposizione del PCB per minimizzare la capacità e l'induttanza parassita al nodo del fotodiodo.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto ai fotodiodi standard senza lente o filtro integrato, il PD333-3B/L4 offre una soluzione ottica più compatta e semplificata. Il filtro IR integrato elimina la necessità di un componente filtrante separato, risparmiando spazio, costo e complessità di assemblaggio. Il suo involucro a vista laterale offre un vantaggio meccanico distinto rispetto agli involucri a vista superiore per specifiche geometrie del percorso ottico. La combinazione di una tensione di breakdown relativamente alta (min 32V, tip 170V) e di una bassa corrente di buio rappresenta un equilibrio favorevole per molte applicazioni di sensori industriali che richiedono un buon rapporto segnale/rumore e un funzionamento robusto.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Qual è il significato della sensibilità di picco a 940nm?

R: 940nm è una lunghezza d'onda molto comune per i LED infrarossi perché è invisibile all'occhio umano e ha una buona trasmissione atmosferica. L'abbinamento della risposta di picco del fotodiodo con la lunghezza d'onda dell'emettitore massimizza la forza del segnale e l'efficienza del sistema.

D: In che modo la specifica della corrente di buio influisce sul mio progetto?

R: La corrente di buio è la principale fonte di rumore in un fotodiodo quando non è presente luce. Una bassa corrente di buio (10nA max per questo dispositivo) significa che il sensore può rilevare segnali luminosi molto deboli senza essere sopraffatto dal proprio rumore interno, migliorando sensibilità e gamma dinamica.

D: Posso usarlo per il rilevamento della luce visibile?

R: L'involucro in epossidico integrato agisce come un filtro IR, attenuando significativamente la luce visibile. Pertanto, questa variante specifica non è adatta per applicazioni che richiedono sensibilità nello spettro visibile. Per il rilevamento della luce visibile, sarebbe necessario un involucro trasparente o con un filtro diverso.

D: Quale resistenza di carico dovrei usare per una velocità ottimale?

R: Facendo riferimento alla Figura 6, per il tempo di risposta più rapido (nell'intervallo dei nanosecondi), è necessaria una bassa resistenza di carico (es. da 50Ω a 100Ω). Tuttavia, questo produce un segnale di tensione più piccolo. Un circuito amplificatore di transimpedenza è spesso la soluzione migliore, fornendo sia alta velocità che un buon guadagno del segnale.

10. Caso Pratico di Progettazione

Caso: Progettazione di un Sensore di Prossimità a Infrarossi

In un tipico sensore di prossimità, un LED IR emette luce pulsata e il PD333-3B/L4 rileva la luce riflessa da un oggetto. Il filtro IR integrato è cruciale qui, poiché blocca la luce visibile ambientale (ad esempio, dall'illuminazione della stanza) che potrebbe saturare il sensore o creare falsi trigger. Il tempo di risposta rapido consente una pulsazione rapida del LED, permettendo un rilevamento veloce e potenzialmente la misurazione della distanza tramite metodi time-of-flight o di sfasamento in sistemi più avanzati. L'involucro a vista laterale consente sia al LED che al fotodiodo di essere montati sullo stesso piano del PCB, rivolti nella stessa direzione, il che è ideale per il sensing riflettente. Un circuito semplice coinvolgerebbe la polarizzazione del fotodiodo con una tensione inversa di 5V attraverso una resistenza di valore elevato e l'uso di un comparatore o amplificatore ad alta velocità per rilevare l'impulso di corrente generato quando è presente luce riflessa.

11. Introduzione al Principio di Funzionamento

Un fotodiodo PIN è un dispositivo a semiconduttore con un'ampia regione intrinseca (I) leggermente drogata, inserita tra una regione di tipo p (P) e una di tipo n (N). Quando polarizzato inversamente, questa struttura crea una grande regione di svuotamento. I fotoni incidenti sul dispositivo con energia maggiore del bandgap del semiconduttore creano coppie elettrone-lacuna all'interno di questa regione di svuotamento. Il forte campo elettrico presente a causa della polarizzazione inversa separa rapidamente questi portatori, facendoli spostare verso i rispettivi contatti, generando una fotocorrente proporzionale all'intensità della luce incidente. L'ampia regione intrinseca riduce la capacità di giunzione (consentendo alta velocità) e aumenta il volume per l'assorbimento dei fotoni (migliorando la sensibilità), specialmente per lunghezze d'onda più lunghe come l'infrarosso dove la profondità di penetrazione è maggiore.

12. Tendenze Tecnologiche

La tendenza nella tecnologia dei fotodiodi continua verso una maggiore integrazione, un rumore inferiore e una funzionalità più ampia. Ciò include l'integrazione dei circuiti di amplificazione e condizionamento del segnale sullo stesso chip o nello stesso involucro (es. combinazioni fotodiodo-amplificatore). C'è anche una spinta verso dispositivi con correnti di buio e capacità ancora più basse per applicazioni nella strumentazione scientifica, imaging medico e LiDAR. L'uso di materiali oltre il silicio, come l'InGaAs, estende ulteriormente la sensibilità nell'infrarosso per le telecomunicazioni e il rilevamento di gas. Inoltre, le innovazioni nel packaging mirano a fornire caratteristiche ottiche più precise, come lenti con campo visivo (FOV) definito e una filtrazione ancora più efficace direttamente nell'involucro, come si vede nel PD333-3B/L4.