Scheda Tecnica del Fotodiodo al Silicio Subminiaturizzato Rotondo PD42-21B/TR8 da 1.8mm - Lente Nera - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il PD42-21B/TR8 è un fotodiodo al silicio PIN ad alta velocità e sensibilità, progettato per applicazioni di rilevamento a infrarossi. Alloggiato in un contenitore SMD (Surface-Mount Device) subminiaturizzato rotondo da 1.8mm di diametro con lente sferica a vista dall'alto e stampo plastico nero, questo componente è ottimizzato spettralmente per abbinarsi ai comuni diodi emettitori a infrarossi. La sua funzione principale è convertire la luce incidente, in particolare nello spettro infrarosso, in una corrente elettrica.

I vantaggi principali del dispositivo derivano dal suo tempo di risposta rapido, dall'alta fotosensibilità e dalla piccola capacità di giunzione, rendendolo adatto per applicazioni che richiedono un rilevamento della luce rapido e affidabile. Viene fornito in formato nastro e bobina compatibile con i processi di assemblaggio automatizzati, rispettando gli standard ambientali moderni essendo privo di piombo (Pb-free), conforme RoHS, conforme al regolamento UE REACH e privo di alogeni.

2. Approfondimento dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento in queste condizioni non è garantito.

• Tensione Inversa (VR):32 V - La massima tensione che può essere applicata in polarizzazione inversa ai terminali del fotodiodo.
• Temperatura di Esercizio (Topr):-25°C a +85°C - L'intervallo di temperatura ambiente per il normale funzionamento del dispositivo.
• Temperatura di Magazzinaggio (Tstg):-40°C a +85°C - L'intervallo di temperatura per lo stoccaggio in condizioni di non funzionamento.
• Temperatura di Saldatura (Tsol):260°C per un massimo di 5 secondi - Il limite di temperatura di picco durante la saldatura a rifusione.
• Dissipazione di Potenza (Pd):150 mW a 25°C - La massima potenza che il dispositivo può dissipare.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri, misurati a 25°C, definiscono le prestazioni del fotodiodo in condizioni di test specificate.

• Banda Spettrale (λ0.5):730 nm a 1100 nm - L'intervallo di lunghezze d'onda in cui la responsività del fotodiodo è almeno la metà del suo valore di picco. Questo definisce la sua finestra di sensibilità.
• Lunghezza d'Onda di Sensibilità di Picco (λP):940 nm (Tipico) - La lunghezza d'onda della luce alla quale il fotodiodo è più sensibile. Questo lo allinea con i comuni LED IR a 940nm.
• Tensione a Circuito Aperto (VOC):0.42 V (Tipico) a Ee=5 mW/cm², λP=940nm - La tensione generata ai terminali del fotodiodo sotto illuminazione quando non viene prelevata corrente (circuito aperto).
• Corrente di Cortocircuito (ISC):4.0 μA (Tipico) a Ee=1 mW/cm², λP=875nm - La corrente che scorre attraverso il fotodiodo quando i suoi terminali sono in cortocircuito sotto illuminazione.
• Corrente Luminosa Inversa (IL):4.0 μA (Tipico) a Ee=1 mW/cm², λP=875nm, VR=5V - La fotocorrente generata quando il dispositivo è polarizzato inversamente. Questo è il parametro operativo principale per la maggior parte dei circuiti di rilevamento.
• Corrente di Buio (ID):10 nA (Max) a VR=10V - La piccola corrente di dispersione inversa che scorre quando il dispositivo è in completa oscurità. Valori più bassi indicano un migliore rapporto segnale/rumore.
• Tensione di Breakdown Inversa (VBR):32 V (Min), 170 V (Tip) a IR=100μA - La tensione alla quale la corrente inversa aumenta bruscamente. Operare vicino o sopra questa tensione può causare danni.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica include curve caratteristiche tipiche che forniscono una visione visiva del comportamento del dispositivo oltre le specifiche a punto singolo.

3.1 Sensibilità Spettrale (Fig. 1)

Questa curva traccia la responsività relativa del fotodiodo in funzione della lunghezza d'onda della luce incidente. Conferma graficamente la banda spettrale e la sensibilità di picco a 940nm. La curva mostra un rapido aumento della sensibilità da circa 700nm, con un picco a 940nm, per poi diminuire gradualmente verso i 1100nm. Questa forma è caratteristica dei fotodetettori al silicio.

3.2 Corrente Luminosa Inversa vs. Irradianza (Fig. 2)

Questo grafico illustra la relazione tra la fotocorrente generata (IL) e la densità di potenza della luce incidente (Ee). Per un fotodiodo PIN che opera in modalità fotoconduttiva (polarizzato inversamente), questa relazione è tipicamente lineare su un ampio intervallo. Questa linearità è cruciale per le applicazioni di rilevamento analogico della luce dove il segnale di uscita deve essere direttamente proporzionale all'intensità luminosa.

4. Informazioni Meccaniche e sul Package

4.1 Dimensioni del Package

Il PD42-21B/TR8 è un dispositivo subminiaturizzato rotondo con un diametro del corpo di 1.8mm. Il disegno meccanico dettagliato fornisce tutte le dimensioni critiche, inclusa l'altezza complessiva, la forma della lente, la spaziatura dei terminali e le raccomandazioni per i pad. Il layout dei pad suggerito è di riferimento; i progettisti dovrebbero adattarlo in base alle loro specifiche regole di progettazione PCB e ai requisiti termici/meccanici. Tutte le tolleranze dimensionali sono tipicamente ±0.1mm salvo diversa specificazione.

4.2 Identificazione della Polarità

Il dispositivo ha due terminali. La corretta connessione della polarità è essenziale per il corretto funzionamento in un circuito a polarizzazione inversa. Il disegno nella scheda tecnica indica il catodo e l'anodo. Tipicamente, il terminale più lungo o un marcatore specifico sul package denota il catodo. Collegare il catodo a una tensione più positiva (in polarizzazione inversa) è la condizione operativa standard.

4.3 Specifiche di Imballaggio

Il componente è fornito su nastro portante goffrato su bobine da 7 pollici di diametro. Le dimensioni del nastro (dimensione della tasca, passo, ecc.) sono specificate per garantire la compatibilità con le attrezzature standard SMD pick-and-place. Ogni bobina contiene 1000 pezzi, una quantità comune per la produzione di medio volume.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

5.1 Profilo di Saldatura a Rifusione

Il dispositivo è adatto per processi di saldatura a rifusione senza piombo (Pb-free). La temperatura di picco massima non deve superare i 260°C e il tempo sopra i 260°C deve essere limitato. Il numero totale di cicli di rifusione non deve superare due per prevenire danni da stress termico al package plastico e all'attacco interno del die.

5.2 Saldatura Manuale

Se è necessaria la saldatura manuale, è necessario prestare estrema attenzione. La temperatura della punta del saldatore dovrebbe essere inferiore a 350°C e il tempo di contatto per terminale dovrebbe essere limitato a 3 secondi o meno. Si consiglia un saldatore a bassa potenza (≤25W). Dovrebbe essere previsto un intervallo di raffreddamento tra la saldatura di ciascun terminale per prevenire surriscaldamenti localizzati.

5.3 Rilavorazione e Riparazione

La rilavorazione dopo la saldatura iniziale è fortemente sconsigliata. Se inevitabile, dovrebbe essere utilizzato un saldatore specializzato a doppia testa per riscaldare simultaneamente entrambi i terminali, consentendo una rimozione sicura senza applicare eccessivo stress meccanico. L'impatto potenziale sulle prestazioni del dispositivo dovuto alla rilavorazione deve essere valutato preventivamente.

6. Precauzioni per Stoccaggio e Manipolazione

• Sensibilità all'Umidità:Il dispositivo è sensibile all'umidità. La busta non deve essere aperta fino al momento dell'uso. Lo stoccaggio pre-condizionamento dovrebbe essere a ≤30°C e ≤90% UR.
• Tempo di Vita a Bordo:Dopo l'apertura della busta barriera all'umidità, i componenti devono essere utilizzati entro 168 ore (7 giorni) se stoccati a ≤30°C e ≤60% UR.
• Essiccazione:Se il tempo di stoccaggio viene superato o l'essiccante indica un'elevata umidità, è necessario un trattamento di essiccazione a 60±5°C per 24 ore per rimuovere l'umidità assorbita e prevenire l'effetto \"popcorn\" durante la rifusione.

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Circuiti di Applicazione Tipici

L'applicazione principale è come fotodetettore ad alta velocità. In un circuito tipico, il fotodiodo è polarizzato inversamente con una tensione inferiore al suo valore massimo (es. 5V come nella condizione di test). La fotocorrente (IL) scorre attraverso una resistenza di carico (RL). La caduta di tensione su RL, che è proporzionale all'intensità luminosa, viene poi amplificata da un successivo amplificatore di transimpedenza (TIA) o da un amplificatore di tensione. Il tempo di risposta rapido lo rende adatto per il rilevamento di luce pulsata e la comunicazione dati.

7.2 Considerazioni di Progettazione

• Tensione di Polarizzazione:Si raccomanda una tensione di polarizzazione inversa (es. 5V) per una velocità e linearità ottimali. Una polarizzazione più alta può ridurre ulteriormente la capacità di giunzione, aumentando la larghezza di banda, ma deve rimanere al di sotto di V_R.
• Limitazione/Protezione della Corrente:Come notato nelle precauzioni, il fotodiodo stesso non limita la corrente. Nei circuiti in cui potrebbe essere esposto a luce ad alta intensità o collegato in modo errato, potrebbe essere necessaria una resistenza in serie per prevenire una corrente eccessiva che potrebbe danneggiare la giunzione.
• Progettazione Ottica:La lente nera aiuta a ridurre la sensibilità alla luce parassita. Per prestazioni ottimali, il fotodiodo dovrebbe essere abbinato a una sorgente IR (come un LED a 850nm o 940nm) e potenzialmente a un filtro ottico per bloccare la luce ambientale indesiderata, in particolare la luce visibile che può rilevare in una certa misura.

7.3 Scenari di Applicazione

• Rilevamento Fotografico ad Alta Velocità:Adatto per sistemi a barriera luminosa, conteggio oggetti ed encoder dove è necessario rilevare transizioni rapide di luce on/off.
• Fotocopiatrici e Scanner:Può essere utilizzato come sensore per rilevare la presenza di documenti, inceppamenti della carta o come parte dell'array di rilevamento dell'immagine nei sensori di immagine a contatto (CIS).
• Macchine da Gioco ed Elettronica di Consumo:Utilizzato nei ricevitori per telecomandi a infrarossi, sensori di prossimità e sistemi di riconoscimento gestuale.
• Sistemi Applicativi a Infrarossi:Qualsiasi sistema che utilizza luce infrarossa modulata o pulsata per la trasmissione dati, la misurazione della distanza (time-of-flight) o il semplice rilevamento di presenza.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto ai fotodiodi PN standard, la struttura PIN offre vantaggi chiave: una regione di svuotamento più ampia (lo strato \"I\" o intrinseco) che si traduce inuna capacità di giunzione inferiore(consentendo una risposta più rapida) e gli permette di operare in modo efficiente a tensioni di polarizzazione inversa più basse. Il piccolo package da 1.8mm lo rende ideale per progetti con vincoli di spazio. La lente nera fornisce un certo grado di soppressione integrata della luce visibile rispetto alle varianti a lente trasparente, il che è vantaggioso nelle applicazioni specifiche per IR.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Qual è la differenza tra corrente di cortocircuito (I_SC) e corrente luminosa inversa (I_L)?

R: I_SCviene misurata con tensione zero ai capi del diodo (modalità fotovoltaica). I_Lviene misurata applicando una polarizzazione inversa (modalità fotoconduttiva). I_Lè tipicamente il parametro utilizzato nella progettazione del circuito in quanto è più stabile e lineare, e la polarizzazione inversa accelera la risposta.

D: Perché la corrente di buio è importante?

R: La corrente di buio è il rumore di fondo del fotodiodo. Nelle applicazioni a bassa luminosità, un'elevata corrente di buio può mascherare il piccolo segnale di fotocorrente, riducendo la sensibilità e il rapporto segnale/rumore. Il valore massimo di 10 nA è piuttosto basso per un fotodiodo al silicio.

D: Posso usarlo con una sorgente di luce visibile?

R: Sì, ma con efficienza ridotta. La curva di risposta spettrale mostra che è sensibile da ~730nm, quindi rileverà bene la luce rossa e nel vicino infrarosso. Per prestazioni ottimali con luce visibile (es. blu o verde), sarebbe più appropriato un fotodiodo con un picco spettrale diverso.

10. Principi Operativi

Un fotodiodo PIN è un dispositivo semiconduttore con una regione di tipo p, una regione intrinseca (non drogata) e una regione di tipo n. Quando polarizzato inversamente, si forma un'ampia regione di svuotamento principalmente attraverso lo strato intrinseco. I fotoni incidenti con energia maggiore del bandgap del semiconduttore vengono assorbiti, creando coppie elettrone-lacuna. Il forte campo elettrico nella regione di svuotamento separa rapidamente queste coppie, facendole spostare verso i rispettivi terminali, generando così una fotocorrente proporzionale all'intensità della luce incidente. Lo strato intrinseco riduce la capacità e consente una raccolta efficiente dei portatori di carica su un'area più ampia, migliorando velocità ed efficienza quantica.