Scheda Tecnica del Fotodiodo al Silicio PIN Subminiaturizzato Rotondo da 1.8mm PD42-21C/TR8 - Dimensioni 1.8mm Rotondo - Sensibilità di Picco 940nm - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il PD42-21C/TR8 è un fotodiodo al silicio PIN ad alta velocità e sensibilità, progettato per applicazioni di rilevamento a infrarossi. È alloggiato in un package SMD miniaturizzato rotondo da 1.8mm con lente sferica a vista dall'alto, stampato in plastica nera. Questo design compatto lo rende adatto per applicazioni con spazio limitato che richiedono un rilevamento infrarossi affidabile.

Il dispositivo è spettralmente abbinato ai comuni diodi emettitori a infrarossi, ottimizzando le prestazioni nei sistemi in cui è accoppiato a una sorgente IR. I suoi vantaggi chiave includono un tempo di risposta rapido, un'alta fotosensibilità e una piccola capacità di giunzione, elementi critici per il rilevamento di segnali ad alta velocità.

1.1 Caratteristiche Principali e Conformità

• Tempo di Risposta Rapido:Consente il rilevamento di rapidi cambiamenti del segnale ottico.
• Alta Fotosensibilità:Fornisce un forte segnale elettrico anche con bassi livelli di luce.
• Piccola Capacità di Giunzione:Contribuisce al funzionamento ad alta velocità riducendo le costanti di tempo RC.
• Confezionamento:Fornito su nastro da 12mm montato su bobina da 7 pollici di diametro per l'assemblaggio automatizzato.
• Conformità Ambientale:Il prodotto è privo di piombo, conforme alle normative RoHS e UE REACH, ed è privo di alogeni (Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm).

1.2 Applicazioni Target

Questo fotodiodo è progettato per l'uso in vari sistemi elettronici che richiedono un rilevamento infrarossi preciso.

• Rivelatori fotoelettrici ad alta velocità
• Fotocopiatrici
• Macchine da gioco e dispositivi interattivi
• Sistemi generali per applicazioni a infrarossi (es. sensori di prossimità, trasmissione dati)

2. Approfondimento Specifiche Tecniche

2.1 Valori Massimi Assoluti

L'utilizzo del dispositivo oltre questi limiti può causare danni permanenti.

• Tensione Inversa (V_R):32 V
• Temperatura di Funzionamento (T_opr):-25°C a +85°C
• Temperatura di Conservazione (T_stg):-40°C a +85°C
• Temperatura di Saldatura (T_sol):260°C per ≤5 secondi
• Dissipazione di Potenza (P_d):150 mW a o al di sotto di 25°C in aria libera

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche (T_a=25°C)

Questi parametri definiscono le prestazioni del fotodiodo in condizioni tipiche.

• Banda Spettrale (λ_0.5):730 nm a 1100 nm. Il dispositivo è sensibile nello spettro del vicino infrarosso.
• Lunghezza d'Onda di Sensibilità di Picco (λ_P):940 nm. La massima responsività si verifica a questa lunghezza d'onda infrarossa.
• Tensione a Circuito Aperto (V_OC):Tipicamente 0.42 V quando illuminato con 5 mW/cm² a 940nm.
• Corrente di Cortocircuito (I_SC):2.0 a 12 μA (Tip. 5.0 μA) quando illuminato con 1 mW/cm² a 875nm.
• Corrente Luminosa Inversa (I_L):2.0 a 12 μA (Tip. 5.0 μA) a V_R=5V quando illuminato con 1 mW/cm² a 875nm. Questo è il parametro operativo principale in modalità fotoconduttiva.
• Corrente di Buio (I_D):Massimo 10 nA a V_R=10V. Questa è la corrente di dispersione in assenza di luce.
• Tensione di Rottura Inversa (V_BR):Minimo 32 V, Tipico 170 V a I_R=100μA.
• Capacità Totale (C_t):Tipicamente 5 pF a V_R=5V, f=1MHz. La bassa capacità è fondamentale per un'ampia larghezza di banda.
• Tempo di Salita/Discesa (t_r, t_f):Tipicamente 6 ns ciascuno a V_R=10V, R_L=1kΩ. Specifica la velocità della risposta elettrica a un impulso luminoso.

3. Analisi Curve di Prestazione

La scheda tecnica include curve caratteristiche tipiche essenziali per i progettisti. Sebbene i dati grafici specifici non siano forniti in forma testuale, queste curve illustrano tipicamente la relazione tra parametri chiave, aiutando a prevedere il comportamento del dispositivo in condizioni non standard.

3.1 Informazioni Implicite dalle Curve

Basandosi sulle caratteristiche standard dei fotodiodi, vengono tipicamente tracciate le seguenti relazioni:

• Risposta Spettrale:Una curva che mostra la responsività relativa in funzione della lunghezza d'onda, con picco a 940 nm e che scende alla metà a 730 nm e 1100 nm.
• Corrente vs. Illuminamento (I_Lvs. E_e):Prevista lineare su un ampio intervallo, confermando l'idoneità del fotodiodo per la misurazione analogica della luce.
• Capacità vs. Tensione Inversa (C_tvs. V_R):La capacità tipicamente diminuisce all'aumentare della polarizzazione inversa, influenzando la risposta in frequenza.
• Corrente di Buio vs. Temperatura (I_Dvs. T):La corrente di buio raddoppia approssimativamente ogni 10°C di aumento della temperatura, fattore critico per il funzionamento ad alta temperatura.

4. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

4.1 Dimensioni del Package

Il fotodiodo è fornito in un package rotondo subminiaturizzato con diametro del corpo di 1.8mm. I disegni meccanici dettagliati nella scheda tecnica specificano tutte le dimensioni critiche, inclusa l'altezza della lente, la spaziatura dei terminali e l'ingombro complessivo. Le tolleranze sono tipicamente ±0.1mm salvo diversa indicazione. Viene fornito un layout consigliato per i pad di PCB come riferimento, ma si consiglia ai progettisti di modificarlo in base al loro specifico processo di assemblaggio e requisiti termici.

4.2 Identificazione Polarità e Montaggio

Il package SMD ha un orientamento specifico. Il disegno nella scheda tecnica indica i terminali catodo e anodo. La polarità corretta è cruciale per il corretto funzionamento del circuito. Il corpo in plastica nera con lente sferica trasparente favorisce la sensibilità direzionale.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

Una manipolazione corretta è vitale per mantenere l'affidabilità e le prestazioni del dispositivo.

5.1 Conservazione e Sensibilità all'Umidità

• Non aprire la busta anti-umidità fino al momento dell'uso.
• Conservare le buste non aperte a 10°C~30°C e ≤90% UR.
• Utilizzare entro un anno dalla spedizione.
• Dopo l'apertura, i dispositivi devono essere utilizzati entro 168 ore (vita a scaffale) se conservati a 10°C~30°C e ≤60% UR. Altrimenti, devono essere ricotti e conservati in una busta asciutta.
• Procedura di ricottura: 96 ore a 60°C ± 5°C e <5% UR.

5.2 Condizioni di Saldatura

• Saldatura a Riflusso:Viene fornito un profilo di temperatura consigliato. Non superare due cicli di riflusso.
• Saldatura Manuale:Utilizzare un saldatore con temperatura della punta <350°C e potenza <25W. Il tempo di contatto per terminale deve essere <3 secondi. Lasciare un intervallo di 2 secondi tra la saldatura di ciascun terminale per prevenire danni termici.
• Evitare stress meccanici sul dispositivo durante il riscaldamento ed evitare di deformare il PCB dopo la saldatura.

5.3 Rilavorazione e Riparazione

La riparazione dopo la saldatura non è raccomandata. Se inevitabile, utilizzare un saldatore a doppia testa per riscaldare simultaneamente entrambi i terminali e rimuovere il componente in modo uniforme. Verificare sempre la funzionalità del dispositivo dopo qualsiasi rilavorazione.

6. Informazioni su Confezionamento e Ordine

6.1 Specifiche Nastro e Bobina

Il dispositivo è confezionato in nastro portacomponenti con dimensioni specificate nella scheda tecnica. La quantità standard è di 1000 pezzi per bobina da 7 pollici. Le dimensioni del nastro garantiscono la compatibilità con le attrezzature standard pick-and-place per SMD.

6.2 Informazioni Etichetta

L'etichetta della bobina contiene informazioni standard per la tracciabilità e il corretto assemblaggio: Numero Parte Cliente (CPN), Numero Parte (P/N), Numero di Lotto, Quantità, Lunghezza d'Onda di Picco (HUE), Categorie (CAT), Riferimento (REF), Livello di Sensibilità all'Umidità (MSL-X) e Origine di Produzione.

7. Considerazioni per la Progettazione dell'Applicazione

7.1 Protezione del Circuito

Critico:Una resistenza limitatrice di corrente esterna deve essere utilizzata in serie con il fotodiodo quando si opera in modalità fotoconduttiva (polarizzazione inversa). Senza di essa, una piccola variazione di tensione può causare un grande picco di corrente, potenzialmente bruciando il dispositivo.

7.2 Polarizzazione e Condizionamento del Segnale

Il fotodiodo può essere utilizzato in due modalità principali:

• Modalità Fotovoltaica (Polarizzazione Zero):Genera una tensione (V_OC). Offre basso rumore ma risposta più lenta.
• Modalità Fotoconduttiva (Polarizzazione Inversa):Operato con una tensione inversa (es. 5V come nelle specifiche). Questo riduce la capacità di giunzione (accelerando la risposta) e migliora la linearità ma aumenta la corrente di buio. Un amplificatore di transimpedenza (TIA) è comunemente usato per convertire la fotocorrente (I_L) in un segnale di tensione utilizzabile.

7.3 Progettazione Ottica

La lente sferica ha un angolo di visione specifico. Per un accoppiamento ottimale, allineare la sorgente IR entro questo angolo. L'alloggiamento nero minimizza le riflessioni interne e il crosstalk dalla luce ambientale.

8. Confronto e Posizionamento Tecnico

Rispetto ai fotodiodi standard, il PD42-21C/TR8 offre un equilibrio tra velocità (6 ns), sensibilità (5 μA tipico a 1mW/cm²) e un ingombro SMD molto compatto. La sua sensibilità di picco a 940nm lo rende una scelta diretta per molti LED IR a basso costo. La bassa capacità è un differenziatore chiave per applicazioni ad alta frequenza rispetto a dispositivi con aree attive più grandi.

9. Domande Frequenti (FAQ)

9.1 Qual è la differenza tra I_SCe I_L?

I_SC(Corrente di Cortocircuito) è misurata con tensione zero ai capi del diodo. I_L(Corrente Luminosa Inversa) è misurata sotto una polarizzazione inversa applicata (es. 5V). In un fotodiodo PIN ben progettato, questi valori sono molto simili, come mostrato nella scheda tecnica (entrambi Tip. 5.0 μA). I_Lè il parametro più pratico per la progettazione del circuito in funzionamento polarizzato.

9.2 Come scelgo il valore della resistenza in serie?

La resistenza limita la corrente sotto illuminazione massima. Calcolare R ≥ (Tensione di Alimentazione) / (Massimo I_L). Dalle specifiche, Max I_Lè 12 μA. Per una polarizzazione di 5V, R dovrebbe essere ≥ 5V / 12μA ≈ 417 kΩ. Un valore di partenza comune è 100 kΩ, che determina anche la larghezza di banda in combinazione con la capacità di giunzione.

9.3 Può essere utilizzato per il rilevamento della luce visibile?

Il suo intervallo spettrale inizia a 730 nm, che è nel vicino infrarosso. Ha una sensibilità molto bassa alla luce visibile (lunghezze d'onda inferiori a 700 nm). Per la luce visibile, sarebbe più appropriato un fotodiodo con sensibilità di picco nell'intervallo 550-650 nm.

10. Esempio Pratico di Caso d'Uso

Scenario: Sensore di Prossimità a Infrarossi in un Controller di Gioco.

1. Abbinamento Componenti:Il PD42-21C/TR8 è abbinato a un LED IR da 940nm.
2. Progettazione del Circuito:Il fotodiodo è polarizzato inversamente con 3.3V attraverso una resistenza da 100 kΩ. La sua uscita è collegata all'ingresso invertente di un amplificatore operazionale configurato come TIA con una resistenza di feedback da 1 MΩ e un piccolo condensatore di feedback (es. 1 pF) per stabilizzare la risposta.
3. Funzionamento:Il LED IR emette un segnale pulsato. Quando un oggetto (es. la mano di un utente) si avvicina, riflette la luce IR verso il fotodiodo. Il TIA converte l'aumento della fotocorrente in un picco di tensione misurabile.
4. Vantaggi:Il tempo di risposta rapido del fotodiodo consente il rilevamento rapido dei movimenti della mano. Le sue piccole dimensioni si adattano facilmente all'alloggiamento compatto del controller. L'alta sensibilità garantisce un funzionamento affidabile anche con segnali riflessi deboli.

11. Principio di Funzionamento

Un fotodiodo PIN è costituito da una regione intrinseca (I) ampia e leggermente drogata, racchiusa tra regioni semiconduttrici di tipo P e di tipo N. Quando polarizzato inversamente, la regione intrinseca si svuota completamente, creando un forte campo elettrico. I fotoni incidenti con energia maggiore del bandgap del semiconduttore vengono assorbiti, creando coppie elettrone-lacuna. Il forte campo elettrico separa rapidamente questi portatori, generando una fotocorrente proporzionale all'intensità della luce. Rispetto a un fotodiodo PN standard, l'ampia regione intrinseca riduce la capacità di giunzione (consentendo alta velocità) e aumenta il volume per l'assorbimento dei fotoni (migliorando la sensibilità).

12. Tendenze del Settore

La domanda di rivelatori fotoelettrici miniaturizzati e ad alta velocità continua a crescere, trainata da applicazioni nell'elettronica di consumo (smartphone, dispositivi indossabili), automobilistico (LiDAR, sensori interni) e automazione industriale. Le tendenze includono un'ulteriore miniaturizzazione, l'integrazione di fotodiodi con circuiti di amplificazione e digitalizzazione su un singolo chip (es. sensori ottici integrati) e prestazioni migliorate in specifiche bande di lunghezza d'onda per applicazioni emergenti come il riconoscimento gestuale e il sensing 3D. Dispositivi come il PD42-21C/TR8 rappresentano una soluzione matura e affidabile per applicazioni ad alto volume e sensibili al costo che richiedono un rilevamento infrarossi robusto.