Ficha Técnica do Fotodíodo de Silício PIN Subminiatura Redondo de 1.8mm PD42-21B/TR8 - Dimensões: Diâmetro 1.8mm - Lente Preta - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O PD42-21B/TR8 é um fotodíodo de silício PIN de alta velocidade e alta sensibilidade, projetado para aplicações de detecção de infravermelho. Alojado em um encapsulamento SMD (Dispositivo de Montagem em Superfície) subminiatura de 1.8mm de diâmetro com lente esférica de vista superior e molde plástico preto, este componente é espectralmente otimizado para corresponder aos diodos emissores de infravermelho comuns. Sua função principal é converter luz incidente, particularmente no espectro infravermelho, em corrente elétrica.

As vantagens centrais do dispositivo derivam do seu tempo de resposta rápido, alta fotossensibilidade e baixa capacitância de junção, tornando-o adequado para aplicações que requerem detecção de luz rápida e confiável. É fornecido em formato de fita e carretel compatível com processos de montagem automatizados, aderindo aos padrões ambientais modernos por ser livre de chumbo (Pb-free), compatível com RoHS, compatível com REACH da UE e livre de halogênios.

2. Análise Detalhada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites além dos quais danos permanentes ao dispositivo podem ocorrer. A operação sob estas condições não é garantida.

• Tensão Reversa (VR):32 V - A tensão máxima que pode ser aplicada em polarização reversa nos terminais do fotodíodo.
• Temperatura de Operação (Topr):-25°C a +85°C - A faixa de temperatura ambiente para operação normal do dispositivo.
• Temperatura de Armazenamento (Tstg):-40°C a +85°C - A faixa de temperatura para armazenamento não operacional.
• Temperatura de Soldagem (Tsol):260°C por no máximo 5 segundos - O limite de temperatura de pico durante a soldagem por refluxo.
• Dissipação de Potência (Pd):150 mW a 25°C - A potência máxima que o dispositivo pode dissipar.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros, medidos a 25°C, definem o desempenho do fotodíodo sob condições de teste especificadas.

• Largura Espectral (λ0.5):730 nm a 1100 nm - A faixa de comprimento de onda onde a responsividade do fotodíodo é pelo menos metade do seu valor de pico. Isto define sua janela de sensibilidade.
• Comprimento de Onda de Sensibilidade de Pico (λP):940 nm (Típico) - O comprimento de onda da luz ao qual o fotodíodo é mais sensível. Isto o alinha com os LEDs IR comuns de 940nm.
• Tensão de Circuito Aberto (VOC):0.42 V (Típico) a Ee=5 mW/cm², λP=940nm - A tensão gerada nos terminais do fotodíodo sob iluminação quando nenhuma corrente é drenada (circuito aberto).
• Corrente de Curto-Circuito (ISC):4.0 μA (Típico) a Ee=1 mW/cm², λP=875nm - A corrente que flui através do fotodíodo quando seus terminais estão em curto-circuito sob iluminação.
• Corrente Luminosa Reversa (IL):4.0 μA (Típico) a Ee=1 mW/cm², λP=875nm, VR=5V - A fotocorrente gerada quando o dispositivo está polarizado reversamente. Este é o parâmetro operacional primário para a maioria dos circuitos de detecção.
• Corrente de Escuro (ID):10 nA (Máx.) a VR=10V - A pequena corrente de fuga reversa que flui quando o dispositivo está em completa escuridão. Valores mais baixos indicam uma melhor relação sinal-ruído.
• Tensão de Ruptura Reversa (VBR):32 V (Mín.), 170 V (Típ.) a IR=100μA - A tensão na qual a corrente reversa aumenta abruptamente. Operar perto ou acima desta tensão pode causar danos.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica inclui curvas características típicas que fornecem uma visão visual do comportamento do dispositivo além das especificações de ponto único.

3.1 Sensibilidade Espectral (Fig. 1)

Esta curva traça a responsividade relativa do fotodíodo em relação ao comprimento de onda da luz incidente. Ela confirma graficamente a largura espectral e a sensibilidade de pico em 940nm. A curva mostra um aumento acentuado na sensibilidade a partir de cerca de 700nm, atingindo o pico em 940nm, e depois caindo gradualmente em direção a 1100nm. Esta forma é característica dos fotodetectores baseados em silício.

3.2 Corrente Luminosa Reversa vs. Irradiância (Fig. 2)

Este gráfico ilustra a relação entre a fotocorrente gerada (IL) e a densidade de potência da luz incidente (Ee). Para um fotodíodo PIN operando no modo fotocondutivo (polarizado reversamente), esta relação é tipicamente linear em uma ampla faixa. Esta linearidade é crucial para aplicações de sensoriamento de luz analógico onde o sinal de saída deve ser diretamente proporcional à intensidade da luz.

4. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

4.1 Dimensões do Encapsulamento

O PD42-21B/TR8 é um dispositivo subminiatura redondo com diâmetro do corpo de 1.8mm. O desenho mecânico detalhado fornece todas as dimensões críticas, incluindo altura total, formato da lente, espaçamento dos terminais e recomendações de *pads*. O layout sugerido para os *pads* é para referência; os projetistas devem ajustar com base em suas regras específicas de projeto de PCB e requisitos térmicos/mecânicos. Todas as tolerâncias dimensionais são tipicamente ±0.1mm, salvo indicação em contrário.

4.2 Identificação de Polaridade

O dispositivo possui dois terminais. A conexão correta da polaridade é essencial para o funcionamento adequado em um circuito de polarização reversa. O desenho da ficha técnica indica o cátodo e o ânodo. Tipicamente, o terminal mais longo ou uma marcação específica no encapsulamento denota o cátodo. Conectar o cátodo a uma tensão mais positiva (em polarização reversa) é a condição operacional padrão.

4.3 Especificação de Embalagem

O componente é fornecido em fita transportadora relevada em carretéis de 7 polegadas de diâmetro. As dimensões da fita (tamanho do bolso, *pitch*, etc.) são especificadas para garantir compatibilidade com equipamentos padrão de pick-and-place para SMD. Cada carretel contém 1000 peças, que é uma quantidade comum para produção de médio volume.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

5.1 Perfil de Soldagem por Refluxo

O dispositivo é adequado para processos de soldagem por refluxo sem chumbo (Pb-free). A temperatura de pico máxima não deve exceder 260°C, e o tempo acima de 260°C deve ser limitado. O número total de ciclos de refluxo não deve exceder dois para evitar danos por estresse térmico ao encapsulamento plástico e à fixação interna do *die*.

5.2 Soldagem Manual

Se a soldagem manual for necessária, deve-se tomar extremo cuidado. A temperatura da ponta do ferro de soldar deve estar abaixo de 350°C, e o tempo de contato por terminal deve ser limitado a 3 segundos ou menos. Recomenda-se um ferro de baixa potência (≤25W). Um intervalo de resfriamento deve ser permitido entre a soldagem de cada terminal para evitar superaquecimento localizado.

5.3 Retrabalho e Reparo

Retrabalho após a soldagem inicial é fortemente desencorajado. Se inevitável, deve ser usado um ferro de soldar especializado de dupla cabeça para aquecer simultaneamente ambos os terminais, permitindo a remoção segura sem aplicar estresse mecânico excessivo. O impacto potencial no desempenho do dispositivo devido ao retrabalho deve ser avaliado previamente.

6. Precauções de Armazenamento e Manuseio

• Sensibilidade à Umidade:O dispositivo é sensível à umidade. A embalagem não deve ser aberta até o momento do uso. O armazenamento pré-condicionamento deve ser a ≤30°C e ≤90% de UR.
• Vida Útil no Chão de Fábrica:Após abrir a bolsa de barreira contra umidade, os componentes devem ser usados dentro de 168 horas (7 dias) se armazenados a ≤30°C e ≤60% de UR.
• Secagem (*Baking*):Se o tempo de armazenamento for excedido ou o dessecante indicar alta umidade, é necessário um tratamento de secagem a 60±5°C por 24 horas para remover a umidade absorvida e prevenir o efeito \"pipoca\" (*popcorning*) durante o refluxo.

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A aplicação principal é como um fotodetector de alta velocidade. Em um circuito típico, o fotodíodo é polarizado reversamente com uma tensão abaixo de sua classificação máxima (ex.: 5V como na condição de teste). A fotocorrente (IL) flui através de um resistor de carga (RL). A queda de tensão em RL, que é proporcional à intensidade da luz, é então amplificada por um amplificador de transimpedância (TIA) ou amplificador de tensão subsequente. O tempo de resposta rápido o torna adequado para detecção de luz pulsada e comunicação de dados.

7.2 Considerações de Projeto

• Tensão de Polarização:Uma tensão de polarização reversa (ex.: 5V) é recomendada para velocidade e linearidade ideais. Uma polarização mais alta pode reduzir ainda mais a capacitância de junção, aumentando a largura de banda, mas deve permanecer abaixo de V_R.
• Limitação/Proteção de Corrente:Como observado nas precauções, o fotodíodo em si não limita a corrente. Em circuitos onde ele pode ser exposto a luz de alta intensidade ou conectado incorretamente, um resistor em série pode ser necessário para evitar corrente excessiva que poderia danificar a junção.
• Projeto Óptico:A lente preta ajuda a reduzir a sensibilidade à luz difusa. Para um desempenho ideal, o fotodíodo deve ser emparelhado com uma fonte de IR (como um LED de 850nm ou 940nm) e potencialmente com um filtro óptico para bloquear a luz ambiente indesejada, especialmente a luz visível, que ele também pode detectar em algum grau.

7.3 Cenários de Aplicação

• Detecção Fotoelétrica de Alta Velocidade:Adequado para sistemas de barreira de luz, contagem de objetos e codificadores onde transições rápidas de luz liga/desliga precisam ser detectadas.
• Copiadoras e Scanners:Pode ser usado como sensor para detectar presença de documento, engarrafamento de papel ou como parte da matriz de sensoriamento de imagem em sensores de imagem por contato (CIS).
• Máquinas de Jogo e Eletrônicos de Consumo:Usado em receptores de controle remoto IR, sensores de proximidade e sistemas de reconhecimento de gestos.
• Sistemas Aplicados de Infravermelho:Qualquer sistema que utilize luz infravermelha modulada ou pulsada para transmissão de dados, medição de distância (tempo de voo) ou simples detecção de presença.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado aos fotodiodos PN padrão, a estrutura PIN oferece vantagens-chave: uma região de depleção mais ampla (a camada \"I\" ou intrínseca) que resulta emcapacitância de junção mais baixa(permitindo resposta mais rápida) e permite que opere eficientemente em tensões de polarização reversa mais baixas. O pequeno encapsulamento de 1.8mm o torna ideal para projetos com restrições de espaço. A lente preta fornece um grau de supressão de luz visível embutida em comparação com variantes de lente transparente, o que é benéfico em aplicações específicas para IR.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas nos Parâmetros Técnicos)

P: Qual é a diferença entre corrente de curto-circuito (I_SC) e corrente luminosa reversa (I_L)?

R: I_SCé medida com tensão zero através do diodo (modo fotovoltaico). I_Lé medida com uma polarização reversa aplicada (modo fotocondutivo). I_Lé tipicamente o parâmetro usado no projeto de circuitos, pois é mais estável e linear, e a polarização reversa acelera a resposta.

P: Por que a corrente de escuro é importante?

R: A corrente de escuro é o piso de ruído do fotodíodo. Em aplicações de baixa luminosidade, uma corrente de escuro alta pode mascarar o pequeno sinal de fotocorrente, reduzindo a sensibilidade e a relação sinal-ruído. A especificação máxima de 10 nA é bastante baixa para um fotodíodo de silício.

P: Posso usar isso com uma fonte de luz visível?

R: Sim, mas com eficiência reduzida. A curva de resposta espectral mostra que ele é sensível a partir de ~730nm, portanto, detectará bem a luz vermelha e infravermelha próxima. Para um desempenho ideal com luz visível (ex.: azul ou verde), um fotodíodo com um pico espectral diferente seria mais apropriado.

10. Princípios de Operação

Um fotodíodo PIN é um dispositivo semicondutor com uma região tipo-p, uma região intrínseca (não dopada) e uma região tipo-n. Quando polarizado reversamente, uma ampla região de depleção se forma principalmente através da camada intrínseca. Fótons incidentes com energia maior que o *bandgap* do semicondutor são absorvidos, criando pares elétron-lacuna. O forte campo elétrico na região de depleção separa rapidamente esses pares, fazendo com que eles se desloquem para os respectivos terminais, gerando assim uma fotocorrente que é proporcional à intensidade da luz incidente. A camada intrínseca reduz a capacitância e permite a coleta eficiente de portadores em uma área mais ampla, aumentando a velocidade e a eficiência quântica.