Scheda Tecnica del Fotodiodo PIN al Silicio Semi-Lente PD438C/S46 da 4.8mm - Diametro 4.8mm - Tensione Inversa 32V - Sensibilità di Picco 940nm - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il PD438C/S46 è un fotodiodo PIN al silicio ad alte prestazioni, progettato per applicazioni che richiedono risposta rapida ed alta sensibilità alla luce infrarossa. È contenuto in un compatto package plastico cilindrico side-view con un diametro di 4.8mm. Una caratteristica chiave di questo dispositivo è che il package in epossidico funge da filtro infrarosso (IR) integrato, spettralmente abbinato ai comuni emettitori IR, migliorando le prestazioni nei sistemi di rilevamento IR filtrando la luce visibile indesiderata.

Questo fotodiodo è caratterizzato da tempi di risposta rapidi, alta fotosensibilità e bassa capacità di giunzione, rendendolo adatto per il rilevamento ottico ad alta velocità. È realizzato con materiali privi di piombo e conforme alle normative ambientali pertinenti.

2. Approfondimento dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Il dispositivo è progettato per operare in modo affidabile entro i limiti specificati. Superare questi valori può causare danni permanenti.

• Tensione Inversa (V_R):32 V - La massima tensione che può essere applicata in polarizzazione inversa ai terminali del fotodiodo.
• Dissipazione di Potenza (P_d):150 mW - La massima potenza che il dispositivo può dissipare, principalmente come calore, nelle condizioni specificate.
• Temperatura di Esercizio (T_opr):-40°C a +85°C - L'intervallo di temperatura ambiente entro il quale è garantito che il dispositivo rispetti le specifiche pubblicate.
• Temperatura di Stoccaggio (T_stg):-40°C a +100°C - L'intervallo di temperatura per lo stoccaggio sicuro quando il dispositivo non è alimentato.
• Temperatura di Saldatura (T_sol):260°C per una durata non superiore a 5 secondi, tipica dei processi di rifusione senza piombo.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

These parameters are measured at an ambient temperature (T_a) di 25°C e definiscono le prestazioni fondamentali del fotodiodo.

• Larghezza di Banda Spettrale (λ_0.5):840 nm a 1100 nm. Definisce l'intervallo di lunghezze d'onda in cui la responsività del fotodiodo è almeno la metà del suo valore di picco. È sensibile principalmente nella regione del vicino infrarosso.
• Lunghezza d'Onda di Sensibilità di Picco (λ_p):940 nm (Tipico). La lunghezza d'onda della luce alla quale il fotodiodo è più sensibile. Questo corrisponde alla comune lunghezza d'onda di emissione di molti LED IR.
• Tensione a Circuito Aperto (V_OC):0.35 V (Tipico) quando illuminato con un'irradianza (E_e) di 5 mW/cm² a 940nm. Questa è la tensione generata dal fotodiodo senza carico esterno.
• Corrente di Cortocircuito (I_SC):18 µA (Tipico) a E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm. Questa è la fotocorrente quando l'uscita è in cortocircuito.
• Corrente Luminosa Inversa (I_L):18 µA (Tipico, Min 10.2 µA) a E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm, e una tensione di polarizzazione inversa (V_R) di 5V. Questo è il parametro operativo principale in modalità fotoconduttiva.
• Corrente di Buio (I_d):5 nA (Tipico, Max 30 nA) a V_R= 10V in completa oscurità. Questa è la piccola corrente di dispersione che scorre anche in assenza di luce, un parametro chiave per il rapporto segnale/rumore.
• Tensione di Breakdown Inversa (BV_R):Min 32V, Tip 170V, misurata ad una corrente inversa di 100 µA. Indica la tensione alla quale il giunzione va in breakdown.
• Capacità Totale (C_t):18 pF (Tipico) a V_R= 3V e una frequenza di test di 1 MHz. Una capacità inferiore consente tempi di risposta più rapidi.
• Tempo di Salita/Discesa (t_r/t_f):50 ns / 50 ns (Tipico) con V_R= 10V e una resistenza di carico (R_L) di 1 kΩ. Specifica la velocità di risposta del fotodiodo ad un impulso luminoso.

Le tolleranze per i parametri chiave sono specificate come: Intensità Luminosa ±10%, Lunghezza d'Onda Dominante ±1nm, Tensione Diretta ±0.1V.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che illustrano le prestazioni in condizioni variabili. Queste sono essenziali per i progettisti.

3.1 Sensibilità Spettrale

Una curva che traccia la sensibilità relativa in funzione della lunghezza d'onda. Conferma la sensibilità di picco a circa 940nm e mostra la risposta spettrale che diminuisce verso i limiti dell'intervallo 840-1100nm. La lente in epossidico integrata funge da filtro, attenuando la risposta al di fuori della banda IR target.

3.2 Corrente di Buio vs. Temperatura Ambiente

Questa curva mostra tipicamente che la corrente di buio (I_d) aumenta esponenzialmente con l'aumentare della temperatura. Comprendere questa relazione è fondamentale per applicazioni che operano su un ampio intervallo di temperature, poiché definisce il limite inferiore della luce rilevabile (rumore di fondo).

3.3 Corrente Luminosa Inversa vs. Irradianza (E_e)

Questo grafico dimostra la relazione lineare tra la fotocorrente generata (I_L) e la densità di potenza della luce incidente. Il fotodiodo opera in una regione altamente lineare nelle condizioni specificate, il che è vitale per applicazioni di misurazione analogica della luce.

3.4 Capacità ai Terminali vs. Tensione Inversa

La capacità di giunzione (C_t) diminuisce con l'aumentare della tensione di polarizzazione inversa. Questa è una proprietà fondamentale delle giunzioni PN. I progettisti possono utilizzare una tensione di polarizzazione più alta per ridurre la capacità e quindi migliorare la larghezza di banda e la velocità di risposta, a scapito di un leggero aumento della corrente di buio.

3.5 Tempo di Risposta vs. Resistenza di Carico

Questa curva mostra come il tempo di salita/discesa sia influenzato dal valore della resistenza di carico esterna (R_L). Un R_L più piccolo generalmente comporta una risposta più rapida ma produce un'escursione di tensione di uscita minore. Questo grafico aiuta a ottimizzare il compromesso velocità-ampiezza nella progettazione del circuito.

3.6 Dissipazione di Potenza vs. Temperatura Ambiente

Illustra la derating della massima dissipazione di potenza ammissibile all'aumentare della temperatura ambiente. A temperature superiori a 25°C, il dispositivo non può dissipare i pieni 150mW, e la potenza massima deve essere ridotta linearmente fino a zero alla massima temperatura di giunzione.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

Il PD438C/S46 è confezionato in un package plastico cilindrico side-view con diametro nominale di 4.8mm. Il disegno dimensionale specifica il diametro del corpo, la lunghezza, la spaziatura dei terminali e il loro diametro. Una nota critica specifica che tutte le tolleranze dimensionali sono ±0.25mm salvo diversa indicazione sul disegno. La configurazione side-view è ideale per applicazioni in cui il percorso della luce è parallelo alla superficie del PCB.

4.2 Identificazione della Polarità

La polarità è tipicamente indicata sul package o nel disegno. Per un fotodiodo, il catodo è solitamente collegato alla tensione di alimentazione positiva quando operato in polarizzazione inversa (modalità fotoconduttiva), e l'anodo è collegato alla massa del circuito o all'ingresso di un amplificatore di transimpedenza. La polarità corretta è essenziale per il corretto funzionamento.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il dispositivo è adatto per processi standard di montaggio superficiale.

• Saldatura a Rifusione:La temperatura di saldatura massima raccomandata è 260°C. Il tempo durante il quale i terminali del dispositivo sono esposti a temperature pari o superiori a questo picco non deve superare i 5 secondi. Ciò è coerente con i tipici profili di rifusione senza piombo (es. IPC/JEDEC J-STD-020).
• Saldatura Manuale:Se è necessaria la saldatura manuale, dovrebbe essere utilizzato un saldatore a temperatura controllata. Il tempo di contatto per terminale dovrebbe essere minimizzato per prevenire un eccessivo trasferimento di calore al sensibile die semiconduttore.
• Pulizia:Possono essere utilizzati processi standard di pulizia dei PCB, ma la compatibilità degli agenti di pulizia con il materiale del package plastico dovrebbe essere verificata.
• Condizioni di Stoccaggio:I dispositivi dovrebbero essere conservati nelle loro originali buste barriera all'umidità a temperature comprese tra -40°C e +100°C e a bassa umidità per prevenire l'ossidazione dei terminali e l'assorbimento di umidità da parte del package.

6. Informazioni su Imballo e Ordini

6.1 Specifiche di Imballo

Il flusso di imballo standard è il seguente: 500 pezzi sono confezionati in una busta. Cinque buste sono poi inserite in una scatola interna. Infine, dieci scatole interne sono imballate in una scatola master (esterna). Ciò risulta in un totale di 25.000 pezzi per scatola master.

6.2 Specifiche dell'Etichetta

Le etichette sull'imballaggio contengono informazioni chiave per la tracciabilità e l'identificazione:

• CPN:Numero di Prodotto del Cliente (se assegnato).
• P/N:Numero di Prodotto del Produttore (es. PD438C/S46).
• QTY:Quantità di dispositivi nella confezione.
• CAT, HUE, REF:Codici rispettivamente per la classe di intensità luminosa, la classe di lunghezza d'onda dominante e la classe di tensione diretta, che indicano il binning delle prestazioni.
• LOT No:Numero di lotto di produzione per la tracciabilità.
• REF:Un numero di riferimento per identificare l'etichetta.

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Scenari Applicativi Tipici

• Fotorivelatore ad Alta Velocità:Ideale per collegamenti dati ottici, encoder e rilevamento di impulsi dove il tempo di risposta di 50ns è un vantaggio chiave.
• Applicazioni per Fotocamere:Può essere utilizzato in sistemi di autofocus, esposimetri o come rilevatore di presenza IR.
• Interruttore Elettroottico:Utilizzato nel rilevamento di oggetti, sensori di fessura e finecorsa. Il filtro IR integrato aiuta a respingere le interferenze della luce ambientale.
• VCR e Videocamere:Storicamente utilizzato in sensori per contatori di nastro, ricevitori per telecomando o altre funzioni di rilevamento ottico interne.

7.2 Considerazioni di Progettazione

• Tensione di Polarizzazione:Si raccomanda di operare in modalità fotoconduttiva (con polarizzazione inversa) per un funzionamento ad alta velocità e lineare. Una polarizzazione di 5V a 10V è tipica, bilanciando velocità (capacità inferiore) e rumore (corrente di buio inferiore).
• Topologia del Circuito:Per la migliore velocità e linearità, utilizzare un amplificatore di transimpedenza (TIA) per convertire la fotocorrente in una tensione. La resistenza e il condensatore di retroazione nel TIA devono essere scelti in base alla larghezza di banda desiderata e alla capacità del fotodiodo.
• Allineamento Ottico:Il package side-view richiede un'attenta progettazione meccanica per garantire il corretto allineamento con la sorgente luminosa, che spesso è anch'essa un LED IR side-view.
• Reiezione della Luce Ambientale:Sebbene l'epossidico funga da filtro IR, per ambienti con forti sorgenti IR (es. luce solare), potrebbero essere necessari filtri ottici aggiuntivi o tecniche di modulazione/demodulazione.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

Il PD438C/S46 offre diversi vantaggi distintivi nella sua classe:

• Filtro IR Integrato:A differenza di molti fotodiodi base che richiedono un filtro separato, l'epossidico del package è formulato per filtrare la luce, semplificando l'assemblaggio e riducendo il numero di componenti.
• Package Side-View:Il package cilindrico side-view da 4.8mm è un fattore di forma specifico ottimizzato per applicazioni in cui il percorso della luce è parallelo al PCB, offrendo un campo visivo compatto e diretto.
• Prestazioni Bilanciate:Offre un buon equilibrio tra velocità (50ns), sensibilità (18 µA a 1 mW/cm²) e corrente di buio (5 nA), rendendolo una scelta versatile per il rilevamento IR generico.
• Specifiche Robuste:Con una tensione inversa nominale di 32V e un ampio intervallo di temperatura di esercizio (-40°C a +85°C), è adatto per ambienti industriali e automobilistici (per applicazioni non critiche per la sicurezza come da disclaimer).

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Qual è la differenza tra operare in modalità fotovoltaica (polarizzazione zero) e fotoconduttiva (polarizzazione inversa)?

R: In modalità fotovoltaica (V_R=0V), il fotodiodo genera la propria tensione (vedi V_OC). Ha una corrente di buio molto bassa ma capacità più alta e risposta più lenta. La modalità fotoconduttiva (applicando V_R) allarga la regione di svuotamento, riducendo la capacità e accelerando la risposta (vedi t_r/t_f), al costo di una piccola, costante corrente di buio (I_d). Per il rilevamento ad alta velocità, è preferita la modalità fotoconduttiva.

D: Come interpreto il parametro "Corrente Luminosa Inversa (I_L)"?

R: Questo è il parametro più utile per la progettazione del circuito. Ti dice che in una specifica condizione di luce (1 mW/cm² a 940nm) e con una polarizzazione inversa di 5V, puoi aspettarti una fotocorrente tipicamente di 18 µA. Il tuo circuito amplificatore deve essere progettato per gestire questo intervallo di corrente. Il valore minimo di 10.2 µA è importante per la progettazione nel caso peggiore.

D: Perché la corrente di buio è importante?

R: La corrente di buio è la principale fonte di rumore in un fotodiodo quando non c'è luce. Stabilisce il limite inferiore della luce rilevabile. Una corrente di buio più bassa (5 nA tipico per questo dispositivo) significa che il sensore può rilevare segnali luminosi più deboli. Nota che la corrente di buio raddoppia approssimativamente ogni aumento di 10°C della temperatura.

D: Posso usarlo con sorgenti luminose diverse da 940nm?

R: Sì, ma con sensibilità ridotta. Fare riferimento alla curva di Sensibilità Spettrale. Il fotodiodo risponderà alla luce da circa 840nm a 1100nm, ma la corrente di uscita per la stessa potenza ottica sarà inferiore se la lunghezza d'onda non è vicina al picco di 940nm.

10. Caso Pratico di Progettazione e Utilizzo

Caso: Progettazione di un Sensore di Prossimità IR per un Rubinetto Automatico.

1. Schema a Blocchi del Sistema:Un LED IR (che emette a 940nm) e il fotodiodo PD438C/S46 sono posizionati fianco a fianco dietro una finestra traslucida. Il LED viene pilotato a impulsi. Quando non c'è alcun oggetto, la maggior parte della luce IR si disperde. Quando una mano si avvicina al rubinetto, la luce IR riflessa entra nel fotodiodo.
2. Motivazione della Scelta del Componente:Il PD438C/S46 è scelto perché la sua sensibilità di picco a 940nm corrisponde al LED. Il filtro IR integrato nel suo package aiuta a respingere la luce visibile ambientale proveniente dalle lampade a soffitto, riducendo i falsi trigger. Il package side-view consente sia all'emettitore che al rivelatore di essere montati piani sul PCB, puntando verso l'esterno.
3. Progettazione del Circuito:Il fotodiodo è polarizzato inversamente con 5V. La sua uscita è collegata ad un amplificatore di transimpedenza. Il guadagno dell'amplificatore (resistenza di retroazione) è impostato in modo che il segnale riflesso atteso (una frazione dei 18 µA/mW/cm²) produca una tensione utilizzabile. Un comparatore dopo l'amplificatore rileva quando questa tensione supera una soglia impostata.
4. Ottimizzazione:La frequenza e la durata dell'impulso del LED sono scelte per essere al di fuori della frequenza dello sfarfallio della luce ambientale (es. 100Hz dall'illuminazione di rete). Il sistema cerca solo il segnale sincronizzato con l'impulso del LED, fornendo un'eccellente immunità al rumore.

11. Introduzione al Principio di Funzionamento

Un fotodiodo PIN è un dispositivo semiconduttore con un'ampia regione intrinseca (I) leggermente drogata, inserita 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 ~1100nm) colpiscono il dispositivo, possono creare coppie elettrone-lacuna nella regione intrinseca. Sotto l'influenza del campo elettrico interno (in modalità fotovoltaica) o di un campo di polarizzazione inversa applicato (in modalità fotoconduttiva), questi portatori di carica vengono separati, generando una fotocorrente proporzionale all'intensità della luce incidente. L'ampia regione intrinseca in una struttura PIN riduce la capacità di giunzione (consentendo una risposta più rapida) e aumenta il volume per l'assorbimento dei fotoni (migliorando la sensibilità), rispetto ad un fotodiodo PN standard.

12. Tendenze e Contesto Tecnologico

Fotodiodi PIN al silicio come il PD438C/S46 sono soluzioni mature, affidabili e convenienti per il rilevamento nel vicino infrarosso. Le tendenze attuali nel settore includono:

• Integrazione:Si tende verso soluzioni integrate che combinano il fotodiodo, l'amplificatore e talvolta anche il driver del LED e la logica digitale in un unico package o chip (es. opto-ASIC).
• Miniaturizzazione:Sviluppo di fotodiodi in package per montaggio superficiale più piccoli (es. chip-scale package) per applicazioni con vincoli di spazio come i dispositivi mobili.
• Materiali Specializzati:Per lunghezze d'onda oltre il cutoff del silicio (~1100nm), vengono utilizzati materiali come InGaAs. Tuttavia, il silicio rimane dominante per lo spettro visibile e del vicino-IR grazie al suo basso costo ed eccellente produttività.
• Prestazioni Migliorate:La ricerca in corso si concentra sull'ulteriore riduzione della capacità e della corrente di buio per migliorare velocità e sensibilità, spesso attraverso profili di drogaggio avanzati e strutture del dispositivo.

Il PD438C/S46 rappresenta un componente ben ottimizzato e specifico per l'applicazione in questo più ampio panorama tecnologico, offrendo un equilibrio pratico tra prestazioni, dimensioni e costo per un'ampia gamma di compiti di rilevamento IR industriali e consumer.