Scheda Tecnica del Fotodiodo PIN al Silicio PD15-22B/TR8 - Package 3.5x4.0x1.65mm - Tensione Inversa 32V - Lente Nera - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il PD15-22B/TR8 è un fotodiodo PIN al silicio ad alta velocità e sensibilità, progettato per applicazioni che richiedono un rilevamento ottico rapido. È contenuto in un package SMD miniaturizzato a montaggio superficiale con cappuccio piatto, realizzato in plastica nera e dotato di lente nera. Il dispositivo è spettralmente adattato alle sorgenti luminose nel visibile e nel vicino infrarosso, rendendolo adatto a una varietà di applicazioni di sensing.

I vantaggi principali di questo componente includono il tempo di risposta rapido, che gli consente di rilevare rapidi cambiamenti nell'intensità luminosa, e l'alta fotosensibilità, che garantisce un funzionamento affidabile anche in condizioni di scarsa illuminazione. La piccola capacità di giunzione contribuisce alle sue prestazioni ad alta velocità. Il prodotto è conforme agli standard ambientali: è privo di piombo (Pb-free), conforme RoHS, conforme al regolamento UE REACH e privo di alogeni (con Bromo <900 ppm, Cloro <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm).

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Il dispositivo è progettato per funzionare in modo affidabile entro limiti specificati. Il superamento di questi Valori Massimi Assoluti può causare danni permanenti.

• Tensione Inversa (VR):32 V. Questa è la tensione massima che può essere applicata in condizione di polarizzazione inversa senza causare breakdown.
• Temperatura di Esercizio (Topr):-40°C a +85°C. Definisce l'intervallo di temperatura ambiente per il normale funzionamento del dispositivo.
• Temperatura di Conservazione (Tstg):-40°C a +100°C. Il dispositivo può essere conservato entro questo intervallo quando non è in funzione.
• Temperatura di Saldatura (Tsol):260°C per un massimo di 5 secondi. Questo parametro è critico per i processi di saldatura a rifusione.
• Dissipazione di Potenza (Pc):150 mW. La potenza massima che il dispositivo può dissipare in sicurezza.
• Livello ESD HMB:Minimo 2000V. Indica la robustezza del dispositivo contro le scariche elettrostatiche utilizzando il modello del corpo umano.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri sono misurati a Ta=25°C e definiscono le prestazioni fondamentali del fotodiodo.

• Banda Spettrale (λ):730 nm a 1100 nm (al 10% della sensibilità di picco). Il dispositivo risponde alla luce entro questo intervallo di lunghezze d'onda, con sensibilità di picco nel vicino infrarosso.
• Lunghezza d'Onda di Sensibilità di Picco (λP):Tipicamente 940 nm. La lunghezza d'onda alla quale il fotodiodo è più sensibile.
• Tensione a Circuito Aperto (VOC):Tipicamente 0,41 V con un'irradianza (Ee) di 5 mW/cm² a λP=940nm. Questa è la tensione generata quando i terminali sono aperti.
• Corrente di Cortocircuito (ISC):Minimo 4,0 μA, Tipico 6,5 μA con Ee=1 mW/cm² a λP=875nm. Questa è la corrente generata quando i terminali sono in cortocircuito.
• Corrente Luminosa Inversa (IL):Minimo 4,2 μA, Tipico 6,5 μA con Ee=1 mW/cm² a λP=875nm e VR=5V. Questa è la fotocorrente generata quando il diodo è polarizzato inversamente, che è la modalità operativa tipica per applicazioni ad alta velocità.
• Corrente Inversa di Buio (ID):Massimo 10 nA a VR=10V in completa oscurità. Questa è la piccola corrente di dispersione che scorre anche quando non è presente luce.
• Tensione di Breakdown Inverso (BVR):Minimo 32 V, Tipico 170 V misurato con una corrente inversa (IR) di 100 μA al buio.
• Tempo di Salita/Discesa (tr, tf):Tipicamente 10 ns ciascuno con VR=5V e RL=1000 Ω. Definisce la velocità di commutazione del fotodiodo.
• Angolo di Vista (2θ1/2):Tipicamente 130 gradi a VR=5V. Indica un ampio campo di vista per il rilevamento della luce.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche essenziali per i progettisti.

3.1 Sensibilità Spettrale

La curva di risposta spettrale mostra la sensibilità relativa del fotodiodo alle diverse lunghezze d'onda. Conferma la sensibilità di picco attorno ai 940 nm, con una risposta utile da 730 nm a 1100 nm. Questo lo rende una scelta ideale per emettitori infrarossi come quelli con lunghezze d'onda di 850nm o 940nm comunemente usati in telecomandi, sensori di prossimità e collegamenti per comunicazione dati.

3.2 Corrente di Buio vs. Temperatura Ambiente

Questa curva illustra come la corrente di buio (ID) aumenti esponenzialmente con l'aumentare della temperatura ambiente. A 25°C, è inferiore a 10 nA, ma può aumentare significativamente a temperature più elevate (es. 85°C). I progettisti devono tenere conto di questo aumento del rumore di fondo nelle applicazioni ad alta temperatura o quando è necessario rilevare livelli di luce molto bassi.

3.3 Corrente Luminosa Inversa vs. Irradianza

Questo grafico mostra la relazione lineare tra la corrente luminosa inversa (IL) e l'irradianza della luce incidente (Ee). Il fotodiodo mostra una buona linearità, il che significa che la corrente di uscita è direttamente proporzionale all'intensità luminosa nel suo intervallo operativo. Questo è cruciale per le applicazioni di sensing analogico della luce dove è richiesta una misurazione precisa dell'intensità.

3.4 Capacità ai Terminali vs. Tensione Inversa

La capacità di giunzione diminuisce all'aumentare della tensione di polarizzazione inversa (VR). Una capacità inferiore è desiderabile per un funzionamento ad alta velocità in quanto riduce la costante di tempo RC del circuito. La curva mostra che applicare una polarizzazione inversa più alta (es. 10V invece di 5V) può ridurre significativamente la capacità, migliorando così la larghezza di banda e il tempo di risposta.

3.5 Tempo di Risposta vs. Resistenza di Carico

Questa curva dimostra il compromesso tra velocità di risposta e ampiezza del segnale. Il tempo di salita/discesa aumenta con una resistenza di carico (RL) più alta. Per la risposta più rapida, dovrebbe essere utilizzato un resistore di carico di basso valore (es. 50 Ω), ma questo produrrà un segnale di tensione più piccolo. Un amplificatore di transimpedenza è spesso utilizzato per superare questa limitazione, fornendo sia alta velocità che un buon guadagno di segnale.

3.6 Corrente Luminosa Relativa vs. Spostamento Angolare

Questo grafico caratterizza la sensibilità angolare del fotodiodo. Viene confermato l'ampio angolo di vista di 130 gradi, mostrando che il segnale rilevato rimane relativamente alto anche per luce incidente con angoli significativi rispetto all'asse centrale. Ciò è vantaggioso per applicazioni in cui l'allineamento non è perfetto o dove è necessario un ampio campo di rilevamento.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

Il PD15-22B/TR8 è fornito in un compatto package SMD. Le dimensioni principali sono le seguenti (tutte in mm, tolleranza ±0,1mm se non specificato):

• Lunghezza Totale: 4,0 mm
• Larghezza Totale: 3,5 mm
• Altezza Totale: 1,65 mm (tipica, dal piano di appoggio alla sommità della lente)
• Larghezza del Terminale: 1,55 mm ±0,05 mm
• Passo dei Terminali: 2,95 mm
• Vengono fornite raccomandazioni per il land pattern dei terminali per il layout del PCB.

L'anodo e il catodo sono chiaramente indicati nel disegno del package. Il pin 1 è il catodo.

4.2 Dimensioni del Nastro Portacomponenti e della Bobina

Il dispositivo è fornito su nastro e bobina per il montaggio automatizzato. La bobina contiene 2000 pezzi. Vengono fornite le dimensioni dettagliate per le tasche del nastro portacomponenti e della bobina per garantire la compatibilità con le attrezzature standard pick-and-place.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

5.1 Conservazione e Sensibilità all'Umidità

Il fotodiodo è sensibile all'umidità. Devono essere prese precauzioni per prevenire danni durante la conservazione e la manipolazione.

• Non aprire la busta anti-umidità fino al momento dell'uso.
• Prima dell'apertura, conservare a ≤30°C e ≤90% UR.
• Utilizzare entro un anno dalla spedizione.
• Dopo l'apertura, conservare a ≤30°C e ≤60% UR.
• Utilizzare entro 168 ore (7 giorni) dall'apertura della busta.
• Se il tempo di conservazione viene superato o l'essiccante indica umidità, eseguire un trattamento termico (baking) a 60 ±5°C per almeno 24 ore prima dell'uso.

5.2 Profilo di Saldatura a Rifusione

Viene fornito un profilo di temperatura consigliato per la saldatura a rifusione senza piombo. I parametri chiave includono:

• Zona di preriscaldamento e stabilizzazione.
• Temperatura di picco non superiore a 260°C.
• Il tempo sopra i 240°C deve essere controllato.
• La saldatura a rifusione non deve essere eseguita più di due volte.
• Evitare stress meccanici sul componente durante il riscaldamento.
• Non deformare il PCB dopo la saldatura.

5.3 Saldatura Manuale e Rilavorazione

Se è necessaria la saldatura manuale:

• Utilizzare un saldatore con temperatura della punta <350°C.
• Limitare il tempo di contatto a ≤3 secondi per terminale.
• Utilizzare un saldatore con potenza nominale <25W.
• Lasciare un intervallo di raffreddamento >2 secondi tra la saldatura di ciascun terminale.
• La riparazione dopo la saldatura non è raccomandata. Se inevitabile, utilizzare un saldatore a doppia testa per riscaldare simultaneamente entrambi i terminali e minimizzare lo stress termico. Verificare la funzionalità del dispositivo dopo qualsiasi rilavorazione.

6. Note Applicative e Considerazioni di Progettazione

6.1 Applicazioni Tipiche

• Rivelatore Ottico ad Alta Velocità:Adatto per collegamenti dati ottici, encoder e rilevamento laser grazie al suo tempo di risposta di 10 ns.
• Fotocopiatrici e Scanner:Utilizzato per il rilevamento della presenza del documento, il rilevamento dei bordi e la misurazione della densità del toner.
• Macchine da Gioco ed Elettronica di Consumo:Impiegato nel sensing di prossimità, nel riconoscimento gestuale e nei ricevitori per telecomandi IR.

6.2 Considerazioni Critiche di Progettazione

• Limitazione/Protezione della Corrente:La scheda tecnica avverte esplicitamente che DEVE essere utilizzato un resistore esterno in serie per la protezione. Una leggera variazione di tensione può causare un grande cambiamento di corrente, potenzialmente portando al burnout. Questo resistore limita la corrente attraverso il diodo.
• Polarizzazione per la Velocità:Per prestazioni ottimali ad alta velocità, far funzionare il fotodiodo in modalità di polarizzazione inversa (modalità fotoconduttiva). Una tensione inversa più alta (fino al valore massimo nominale) ridurrà la capacità di giunzione e migliorerà il tempo di risposta, come mostrato nelle curve caratteristiche.
• Topologia del Circuito:Per convertire la fotocorrente in una tensione, considerare l'uso di un amplificatore di transimpedenza (TIA). Questa configurazione fornisce bassa impedenza di ingresso (mantenendo costante la tensione del fotodiodo, il che minimizza la modulazione della capacità), alta larghezza di banda e guadagno controllabile. La scelta del resistore di feedback e della larghezza di banda dell'amplificatore determinerà le prestazioni complessive del sistema.
• Progettazione Ottica:La lente nera aiuta a ridurre la sensibilità alla luce parassita. Assicurarsi che il percorso ottico sia pulito e libero da ostruzioni. L'ampio angolo di vista di 130 gradi offre flessibilità nell'allineamento meccanico.
• Gestione Termica:Tenere conto dell'aumento della corrente di buio con la temperatura, specialmente nelle applicazioni ad alta precisione o ad alta temperatura. Potrebbero essere necessari circuiti di compensazione della temperatura.

7. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

La procedura di imballaggio standard prevede il posizionamento delle bobine in una busta anti-umidità in alluminio insieme a un essiccante ed etichette appropriate. L'etichetta include campi per: Numero Parte Cliente (CPN), Numero di Produzione (P/N), Quantità (QTY), Categoria (CAT), Lunghezza d'Onda di Picco (HUE), Riferimento (REF), Numero di Lotto (LOT No.) e Luogo di Produzione.

La guida alla selezione del dispositivo conferma che il modello PD15-22B/TR8 utilizza un chip al Silicio ed è dotato di Lente Nera.

8. Confronto Tecnico e Posizionamento

Il PD15-22B/TR8 si posiziona come un fotodiodo PIN al silicio ad alta velocità per uso generale in un package SMD standard. I suoi principali fattori di differenziazione sono la combinazione bilanciata di velocità (10 ns), sensibilità, ampio angolo di vista e solida conformità ambientale (RoHS, Senza Alogeni). Rispetto a fotodiodi più lenti o fototransistor, offre prestazioni superiori per il rilevamento di luce pulsata. Rispetto a fotodiodi ultra-veloci più specializzati, fornisce una soluzione economica per applicazioni mainstream che richiedono tempi di risposta nell'intervallo dei nanosecondi. La lente nera è un vantaggio rispetto alle versioni con lente trasparente in ambienti con luce ambientale, poiché aiuta a sopprimere segnali indesiderati.

9. Domande Frequenti (FAQ)

D: Qual è la differenza tra Corrente di Cortocircuito (ISC) e Corrente Luminosa Inversa (IL)?

R: ISC viene misurata con tensione zero ai capi del diodo (condizione di cortocircuito). IL viene misurata con una tensione di polarizzazione inversa applicata (es. 5V). IL è tipicamente il parametro utilizzato nella progettazione del circuito poiché i fotodiodi sono solitamente operati in polarizzazione inversa per linearità e velocità.

D: Perché è obbligatorio un resistore in serie?

R: La caratteristica I-V di un fotodiodo è molto ripida in direzione diretta. Un piccolo aumento della tensione diretta può causare un flusso di corrente molto grande, potenzialmente distruttivo. Il resistore in serie limita questa corrente a un valore sicuro.

D: Come scelgo la tensione inversa di esercizio?

R: È un compromesso. Una tensione inversa più alta (es. 10-20V) riduce la capacità per una risposta più rapida ma aumenta leggermente la corrente di buio e consuma più potenza. Una tensione più bassa (es. 5V) è sufficiente per molte applicazioni e mantiene la corrente di buio minima. Fare riferimento alla curva capacità vs. tensione.

D: Questo fotodiodo può rilevare la luce visibile?

R: Sì, il suo intervallo spettrale inizia a 730 nm, che è nella parte del rosso profondo dello spettro visibile. Tuttavia, la sua sensibilità di picco è nel vicino infrarosso (940 nm), quindi la sua responsività alla luce visibile (specialmente blu e verde) sarà inferiore rispetto alla luce IR.

10. Principio di Funzionamento

Un fotodiodo PIN è un dispositivo a semiconduttore che converte la luce in corrente elettrica. È costituito da una regione intrinseca (I) ampia e leggermente drogata, racchiusa tra una regione semiconduttrice di tipo P e una di tipo N (formando la struttura P-I-N). Quando fotoni con energia sufficiente colpiscono la regione intrinseca, creano coppie elettrone-lacuna. Sotto l'influenza di un campo elettrico interno (spesso potenziato da una tensione di polarizzazione inversa esterna), questi portatori di carica vengono separati, generando una fotocorrente proporzionale all'intensità della luce incidente. L'ampia regione intrinseca consente una maggiore efficienza quantica (maggiore assorbimento della luce) e una minore capacità di giunzione rispetto a un fotodiodo PN standard, il che si traduce direttamente in maggiore sensibilità e tempi di risposta più rapidi.

11. Tendenze del Settore

La domanda di fotodiodi come il PD15-22B/TR8 è trainata da diverse tendenze in corso. La proliferazione dell'Internet of Things (IoT) e dei dispositivi intelligenti aumenta la necessità di sensori di luce ambientale, sensori di prossimità e semplici collegamenti di comunicazione ottica. L'automazione nei settori industriale e consumer si basa su encoder ottici e sensori di rilevamento oggetti. C'è una continua spinta verso la miniaturizzazione, che porta a package SMD più piccoli, e verso una maggiore integrazione, dove i fotodiodi sono combinati con circuiti di amplificazione e condizionamento del segnale in moduli singoli. Inoltre, l'enfasi sull'efficienza energetica e la responsabilità ambientale rende la conformità a standard come RoHS e la produzione senza alogeni un requisito di base per i componenti utilizzati nei mercati globali.