Ficha Técnica do Fotodíodo PD95-21B/TR10 - Pacote SMD Redondo de 1.9mm - Lente Preta - Sensibilidade de Pico 940nm

1. Visão Geral do Produto

O PD95-21B/TR10 é um dispositivo subminiatura de montagem em superfície (SMD) projetado para aplicações de detecção de luz de alto desempenho. Trata-se de um fotodíodo de silício do tipo PIN, um componente semicondutor fundamental que converte energia luminosa em corrente elétrica. O dispositivo é encapsulado num pacote redondo compacto de 1,9 mm de diâmetro, com uma configuração de terminais distintiva em "Z-Bend", tornando-o adequado para processos de montagem automatizada. A parte superior do encapsulamento possui uma lente plástica preta que ajuda a definir o campo de visão e fornece alguma proteção ambiental. A sua função principal é detetar radiação infravermelha, com características espectrais especificamente sintonizadas para corresponder aos diodos emissores de infravermelhos (IREDs) comuns, tornando-o um componente recetor ideal em sistemas optoeletrónicos.

2. Características Principais e Aplicações

2.1 Vantagens Principais

O fotodíodo oferece vários benefícios de desempenho cruciais para o design eletrónico moderno:

• Tempo de Resposta Rápido:A estrutura PIN, com a sua região intrínseca (I), permite uma recolha rápida de portadores, permitindo que o dispositivo responda rapidamente a mudanças na intensidade da luz. Isto é essencial para comunicação de dados, deteção de pulsos e sensoriamento de alta velocidade.
• Alta Sensibilidade Fotoelétrica:Gera eficientemente uma corrente elétrica mensurável a partir de baixos níveis de luz incidente (irradiância), melhorando a relação sinal-ruído nos circuitos de deteção.
• Pequena Capacitância de Junção:Uma capacitância baixa é crítica para manter alta largura de banda e resposta rápida, pois minimiza a constante de tempo RC do circuito de deteção.
• Compatibilidade Robusta com Fabricação:O dispositivo é projetado para suportar processos padrão de soldadura por refluxo por infravermelhos e fase de vapor, facilitando uma montagem de PCB fiável.
• Conformidade Ambiental:O componente é sem chumbo (Pb-free), cumpre o regulamento REACH da UE e atende aos requisitos sem halogéneos (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl <1500 ppm), alinhando-se com os padrões ambientais e de segurança globais.

2.2 Aplicações Alvo

Este fotodíodo é projetado para sistemas que requerem deteção infravermelha fiável. As áreas de aplicação típicas incluem:

• Sistemas Aplicados de Infravermelhos:Isto abrange uma ampla gama, incluindo comandos à distância, sensores de proximidade, deteção de objetos e interruptores óticos de barreira.
• Fotocopiadoras e Impressoras:Utilizado para deteção de papel, sensoriamento de nível de toner e mecanismos de digitalização onde é necessária deteção precisa de luz refletida ou transmitida.
• Sensores Automotivos:Adequado para projetos de sensoriamento não críticos dentro de veículos, como sensores de chuva, sensores de crepúsculo ou deteção de ocupação interior, onde a fiabilidade numa gama de temperaturas é importante.

3. Análise de Parâmetros Técnicos

3.1 Especificações Máximas Absolutas

Estes limites definem as condições de stress além das quais pode ocorrer dano permanente. A operação deve sempre permanecer dentro destes limites.

• Tensão Reversa (V_R):32 V. A tensão máxima que pode ser aplicada em polarização reversa através do díodo sem causar ruptura.
• Temperatura de Operação (T_opr):-25°C a +85°C. A gama de temperatura ambiente na qual o dispositivo é especificado para funcionar corretamente.
• Temperatura de Armazenamento (T_stg):-40°C a +85°C. A gama de temperatura para armazenamento não operacional.
• Temperatura de Soldadura (T_sol):260°C por um máximo de 5 segundos. Define a tolerância de temperatura de pico durante a soldadura por refluxo.
• Dissipação de Potência (P_d):150 mW a 25°C. A potência máxima que o dispositivo pode dissipar com segurança na forma de calor.

3.2 Características Eletro-Óticas (Ta=25°C)

Estes parâmetros definem o desempenho do dispositivo em condições típicas de operação.

• Largura de Banda Espectral (λ_0.5):730 nm a 1100 nm. Esta é a gama de comprimentos de onda onde a responsividade do fotodíodo é pelo menos metade do seu valor de pico. Confirma que o dispositivo é sensível em todo o espectro do infravermelho próximo.
• Comprimento de Onda de Sensibilidade de Pico (λ_P):940 nm (Típico). O comprimento de onda da luz ao qual o fotodíodo é mais sensível. Isto alinha-se perfeitamente com o pico de emissão de muitos LEDs infravermelhos padrão de GaAlAs.
• Corrente de Curto-Circuito (I_SC):4 µA (Típico) a E_e=1 mW/cm², λ=875 nm. A corrente gerada quando os terminais do fotodíodo estão em curto-circuito (tensão de polarização zero). É uma medida direta da eficiência de geração de fotocorrente.
• Corrente de Luz Reversa (I_L):4 µA (Típico) a E_e=1 mW/cm², λ=875 nm, V_R=5V. A corrente que flui sob polarização reversa quando iluminado. Operar em polarização reversa (modo fotocondutor) geralmente oferece resposta mais rápida e saída mais linear do que em polarização zero (modo fotovoltaico).
• Corrente de Escuro Reversa (I_D):10 nA (Máx.) a V_R=10V. A pequena corrente de fuga que flui sob condições de polarização reversa em completa escuridão. Uma corrente de escuro baixa é crítica para detetar sinais de luz fracos, pois representa o piso de ruído do dispositivo.
• Tensão de Ruptura Reversa (V_BR):32 V (Mín.), 170 V (Típico). A tensão na qual a corrente reversa aumenta abruptamente. O dispositivo nunca deve ser operado perto deste ponto.

4. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica referencia curvas de desempenho típicas que fornecem uma visão mais profunda do que as especificações de ponto único.

4.1 Sensibilidade Espectral (Fig. 1)

Esta curva representa graficamente a responsividade do fotodíodo em função do comprimento de onda da luz incidente. Mostrará uma curva em forma de sino, com pico aproximadamente a 940 nm e diminuindo em direção aos pontos especificados de 730 nm e 1100 nm com metade da sensibilidade de pico. Esta curva é essencial para combinar o fotodíodo com uma fonte de luz específica, garantindo a máxima força do sinal.

4.2 Corrente de Luz Reversa vs. Irradiância (Fig. 2)

Este gráfico ilustra a relação entre a fotocorrente gerada (I_L) e a densidade de potência da luz incidente (E_e). Para um fotodíodo PIN bem projetado a operar na sua região linear, esta relação deve ser altamente linear. A inclinação desta linha representa a responsividade do fotodíodo (tipicamente em A/W). Esta linearidade é crucial para aplicações de medição analógica de luz.

5. Informações Mecânicas e de Embalagem

5.1 Dimensões do Pacote

O dispositivo é um pacote redondo de 1,9 mm de diâmetro. Desenhos mecânicos detalhados são fornecidos na ficha técnica, especificando todas as dimensões críticas, incluindo diâmetro do corpo, altura, espaçamento dos terminais e dimensões dos terminais. Todas as dimensões estão em milímetros com uma tolerância padrão de ±0,1 mm, salvo indicação em contrário. O estilo de terminal "Z-Bend" é projetado para fornecer uma base estável para montagem em superfície e aliviar o stress mecânico.

5.2 Identificação de Polaridade

O fotodíodo é um componente polarizado. O desenho na ficha técnica indica claramente os terminais do cátodo e do ânodo. A polaridade correta deve ser observada durante a montagem da placa de circuito para operação adequada na configuração de polarização reversa.

5.3 Especificações da Fita Porta-Componentes e da Bobina

Para montagem automatizada, os componentes são fornecidos em fita porta-componentes e bobina. A ficha técnica inclui as dimensões para os compartimentos da fita, diâmetro da bobina e orientação. A quantidade padrão de embalagem é de 1000 peças por bobina.

6. Diretrizes de Soldadura e Montagem

6.1 Armazenamento e Sensibilidade à Humidade

O fotodíodo é sensível à humidade. Devem ser tomadas precauções para evitar o "efeito pipoca" ou delaminação durante a soldadura por refluxo:

• Armazene sacos fechados a ≤30°C e ≤90% de HR.
• Utilize os componentes dentro de um ano.
• Após a abertura, armazene a ≤30°C e ≤70% de HR.
• Utilize dentro de 168 horas (7 dias) após abrir o saco de barreira à humidade.
• Se o tempo de armazenamento for excedido ou o dessecante indicar entrada de humidade, faça um "bake" a 60±5°C durante 24 horas antes de usar.

6.2 Perfil de Temperatura de Soldadura por Refluxo

É recomendado um perfil de temperatura de soldadura por refluxo sem chumbo. O perfil deve ser controlado para garantir que a temperatura máxima do corpo não exceda 260°C por mais de 5 segundos. A soldadura por refluxo não deve ser realizada mais de duas vezes para evitar danos térmicos ao pacote plástico e ao chip semicondutor.

6.3 Soldadura Manual e Retrabalho

Se a soldadura manual for necessária, é necessário extremo cuidado:

• Use um ferro de soldar com temperatura abaixo de 350°C e potência nominal abaixo de 25W.
• Limite o tempo de contacto por terminal a 3 segundos.
• Permita um intervalo de arrefecimento de pelo menos 2 segundos entre soldar cada terminal.
• Evite stress mecânico no componente durante o aquecimento.
• O retrabalho é fortemente desencorajado. Se for inevitável, deve ser usado um ferro de soldar de cabeça dupla especializado para aquecer simultaneamente ambos os terminais, prevenindo stress térmico. A funcionalidade do dispositivo deve ser verificada após qualquer tentativa de retrabalho.

6.4 Considerações de Design da Placa de Circuito

Após a soldadura, a placa de circuito não deve ficar empenada ou dobrada, pois isso pode transferir stress para o frágil chip semicondutor ou para as juntas de solda, potencialmente causando falha.

7. Considerações de Design de Aplicação

7.1 Proteção contra Sobrecorrente

Uma nota de design crítica: O fotodíodo em si não possui limitação de corrente interna. Quando operado em polarização reversa, mesmo um pequeno aumento na tensão pode causar um grande aumento na corrente, potencialmente destrutivo, se o dispositivo for exposto à luz. Portanto, um resistor externo em sériedeveser usado no circuito de polarização para limitar a corrente máxima sob condições de iluminação intensa e prevenir a queima.

7.2 Polarização e Circuitos de Interface

O fotodíodo pode ser usado em dois modos principais:

1. Modo Fotocondutor (Polarização Reversa):Aplicar uma tensão de polarização reversa (ex., 5V como na condição de teste) alarga a região de depleção, reduzindo a capacitância de junção e acelerando o tempo de resposta. Este é o modo preferido para aplicações de alta velocidade e lineares. A saída é uma fonte de corrente, tipicamente convertida para tensão usando um amplificador de transimpedância (TIA).
2. Modo Fotovoltaico (Polarização Zero):O fotodíodo gera a sua própria tensão quando iluminado, operando como uma célula solar. Este modo oferece corrente de escuro muito baixa, mas tem resposta mais lenta e menor linearidade. É adequado para medição de luz de baixa frequência onde a simplicidade é fundamental.

7.3 Design Ótico

A lente preta fornece um ângulo de visão definido. Para um desempenho ideal, o design do sistema deve considerar o alinhamento entre a fonte de luz infravermelha (ex., um LED) e o fotodíodo, bem como potenciais fontes de interferência de luz ambiente (ex., luz solar, lâmpadas incandescentes) que caiam dentro da sua gama espectral. Filtros óticos podem ser necessários em ambientes com alta luz ambiente.

8. Comparação Técnica e Seleção

O PD95-21B/TR10 pertence a uma categoria de fotodíodos de silício com lente preta. Ao selecionar um fotodíodo, os engenheiros devem comparar os parâmetros-chave com os requisitos da aplicação: velocidade de resposta (relacionada à capacitância e polarização), sensibilidade (I_L), correspondência espectral com a fonte de luz, tamanho do pacote e robustez ambiental. A combinação deste dispositivo de tamanho pequeno, boa sensibilidade, resposta rápida e compatibilidade SMD torna-o um forte candidato para aplicações de sensoriamento infravermelho de consumo e industrial de alto volume e com restrições de espaço, onde a fiabilidade e o custo são equilibrados.

9. Princípios de Operação

Um fotodíodo PIN é um dispositivo semicondutor com uma estrutura de três camadas: silício do tipo P, Intrínseco (não dopado) e do tipo N. Quando fotões com energia maior que a banda proibida do silício atingem a região intrínseca, criam pares eletrão-lacuna. Num díodo PIN com polarização reversa, o campo elétrico na ampla região intrínseca varre estes portadores para os seus respetivos terminais, gerando uma fotocorrente que é proporcional à intensidade da luz incidente. A ampla região intrínseca é a chave para o seu desempenho: cria uma grande área de depleção para absorção de fotões (aumentando a sensibilidade) e reduz a capacitância de junção (aumentando a velocidade).

10. Isenção de Responsabilidade e Notas de Utilização

A informação fornecida numa ficha técnica representa as especificações do fabricante no momento da publicação. As curvas de desempenho típicas são para referência e não representam valores mínimos ou máximos garantidos. É responsabilidade do designer operar o dispositivo dentro das suas Especificações Máximas Absolutas e validar o desempenho na aplicação final específica. Este produto geralmente não se destina a ser usado em sistemas primários críticos para a segurança, de suporte à vida, militares ou automotivos sem qualificação e aprovação explícitas do fabricante do componente.