Hoja de Datos del Fotodiodo PIN de Silicio PD438C con Semi-Lente de 4.8mm - Diámetro 4.8mm - Voltaje Inverso 32V - Disipación de Potencia 150mW - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El PD438C es un fotodiodo PIN de silicio de alta velocidad y gran sensibilidad, alojado en un encapsulado plástico cilíndrico de vista lateral. Su función principal es convertir la luz incidente, particularmente en el espectro infrarrojo, en una corriente eléctrica. Una característica clave de este componente es que el propio encapsulado de epoxi actúa como un filtro infrarrojo (IR) integrado, cuya respuesta espectral está ajustada a los emisores IR comunes. Este diseño simplifica la integración del sistema al reducir la necesidad de filtrado externo. El dispositivo se caracteriza por tiempos de respuesta rápidos, alta fotosensibilidad y una pequeña capacitancia de unión, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren una detección de luz rápida y precisa.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

El dispositivo está diseñado para operar de manera confiable dentro de los siguientes límites absolutos; más allá de estos, puede ocurrir daño permanente. El voltaje inverso máximo (V_R) es de 32V. La disipación de potencia (P_d) no debe exceder los 150 mW. El rango de temperatura de operación (T_opr) es de -40°C a +85°C, mientras que la temperatura de almacenamiento (T_stg) se extiende de -40°C a +100°C. Para el montaje, la temperatura de soldadura (T_sol) debe mantenerse a 260°C durante un tiempo no superior a 5 segundos para evitar daños térmicos en el encapsulado y el chip semiconductor.

2.2 Características Electro-Ópticas

Bajo condiciones de prueba estándar (Ta=25°C), el PD438C exhibe los siguientes parámetros clave de rendimiento. Su ancho de banda de respuesta espectral (λ_0.5) va desde 400 nm hasta 1100 nm, con una longitud de onda de sensibilidad máxima (λ_p) típicamente en 940 nm, alineándolo perfectamente con las fuentes de luz infrarroja comunes. Cuando se ilumina con una irradiancia de 5 mW/cm² a 940 nm, el voltaje de circuito abierto típico (V_OC) es de 0.35V. La corriente de cortocircuito (I_SC) es típicamente de 18 µA bajo 1 mW/cm² a 940 nm. Bajo un voltaje inverso de 5V y la misma irradiancia, la corriente luminosa inversa (I_L) es típicamente de 18 µA (mín. 10.2 µA). La corriente de oscuridad (I_d), que es la corriente de fuga en ausencia de luz, es típicamente de 5 nA (máx. 30 nA) a un voltaje inverso de 10V. La capacitancia total de terminal (C_t) es típicamente de 25 pF a 3V de polarización inversa y 1 MHz. Los tiempos de subida y bajada (t_r/t_f) son ambos típicamente de 50 ns cuando se opera con una polarización inversa de 10V y una resistencia de carga de 1 kΩ.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que son cruciales para los ingenieros de diseño. Lacurva de Sensibilidad Espectralmuestra la responsividad relativa del fotodiodo a lo largo de su rango de longitud de onda operativo, confirmando el pico en 940 nm. Elgráfico de Disipación de Potencia vs. Temperatura Ambienteilustra la reducción de la potencia máxima permitida a medida que aumenta la temperatura de operación, lo cual es esencial para la gestión térmica. Lacurva de Corriente de Oscuridad vs. Temperatura Ambientedemuestra cómo la corriente de fuga aumenta con la temperatura, un factor crítico para aplicaciones de baja luz o alta temperatura. Elgráfico de Corriente Luminosa Inversa vs. Irradiancia (Ee)muestra la relación lineal entre la potencia de la luz incidente y la fotocorriente generada, confirmando la respuesta predecible del dispositivo. Lacurva de Capacitancia de Terminal vs. Voltaje Inversoindica cómo la capacitancia de unión disminuye al aumentar el voltaje inverso, lo que impacta directamente en la velocidad del dispositivo. Finalmente, elgráfico de Tiempo de Respuesta vs. Resistencia de Cargamuestra cómo el tiempo de subida/bajada se ve afectado por la carga externa, guiando la selección de una resistencia de carga apropiada para circuitos críticos en velocidad.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Dimensiones del Encapsulado

El PD438C se presenta en un formato cilíndrico de vista lateral con un diámetro nominal de 4.8mm. El dibujo mecánico detallado especifica todas las dimensiones críticas, incluido el espaciado de los terminales, la altura del encapsulado y la geometría de la lente. El dibujo señala que las tolerancias dimensionales son típicamente de ±0.25mm a menos que se especifique lo contrario. La configuración de vista lateral es particularmente útil para aplicaciones donde la trayectoria de la luz es paralela a la superficie de montaje, como en sensores de ranura o sistemas de detección de bordes.

4.2 Identificación de Polaridad

El dispositivo es un componente de dos terminales. El cátodo se identifica típicamente por un terminal más largo, una muesca o un punto plano en el cuerpo del encapsulado. La conexión correcta de la polaridad es esencial al aplicar voltaje inverso para un rendimiento óptimo en modo fotoconductivo.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

El componente está clasificado para soldadura a una temperatura máxima de 260°C. Es crítico que el tiempo por encima de la temperatura de liquidus (típicamente alrededor de 217°C para soldadura sin plomo) se limite a un máximo de 5 segundos para evitar un estrés térmico excesivo en el encapsulado de epoxi y las uniones internas de alambre. Los perfiles estándar de soldadura por reflujo u onda para ensamblajes sin plomo son generalmente aplicables. Se debe tener cuidado para evitar estrés mecánico en los terminales durante el manejo y la colocación.

6. Información de Embalaje y Pedido

La especificación de embalaje estándar es de 500 piezas por bolsa. Seis bolsas se combinan en un cartón interno, y diez cartones internos constituyen un cartón maestro de envío, resultando en un total de 30,000 piezas por cartón maestro. La etiqueta del producto incluye campos para el número de parte del cliente (CPN), el número de parte del fabricante (P/N), la cantidad de embalaje (QTY) y la información de trazabilidad del lote (LOT No.).

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

El PD438C es muy adecuado para una variedad de aplicaciones optoelectrónicas. Su alta velocidad lo hace ideal paradetección de luz de alta velocidaden enlaces de comunicación de datos o detección de pulsos. Se usa comúnmente enelectrónica de consumocomo cámaras y videocámaras (VCRs, videocámaras) para sistemas de enfoque automático, medición de luz o detección de fin de cinta. Sirve como un sensor confiable eninterruptores optoelectrónicosy interruptores para detección de posición, detección de objetos y sistemas de codificadores rotativos. El filtro IR integrado lo hace particularmente efectivo en sistemas emparejados con LEDs IR de 940 nm, filtrando la luz visible no deseada.

7.2 Consideraciones de Diseño

Al diseñar un circuito con el PD438C, se deben considerar varios factores. Para laoptimización de velocidad, opere el fotodiodo con un voltaje inverso suficiente (ej., 5V-10V) para minimizar la capacitancia de unión y use una resistencia de carga de bajo valor, como se muestra en la curva de tiempo de respuesta vs. resistencia de carga, aunque esto implica una compensación con el rango de voltaje de salida. Una configuración de amplificador de transimpedancia (TIA) es a menudo preferida para convertir la pequeña fotocorriente en un voltaje utilizable manteniendo el ancho de banda. Paraaplicaciones sensibles al ruido, la especificación de corriente de oscuridad y su dependencia de la temperatura son críticas; puede ser necesario enfriar el dispositivo o usar técnicas de detección síncrona. La linealidad de la fotocorriente con la irradiancia simplifica los diseños de medición de potencia óptica. Asegúrese de que la apertura óptica y la alineación sean correctas para la orientación del encapsulado de vista lateral.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los fotodiodos estándar sin lente o filtro, el PD438C ofrece una ventaja distinta debido a suepoxi con semi-lente y filtro IR integrado. Esto elimina la necesidad de un filtro óptico separado, reduciendo el número de componentes, la complejidad del montaje y el costo. El encapsulado de vista lateral es un factor de forma específico que resuelve los desafíos de integración en diseños con espacio limitado donde no se pueden usar sensores de vista superior. Su combinación de velocidad relativamente alta (50 ns) y buena sensibilidad (18 µA a 1 mW/cm²) ofrece un perfil de rendimiento equilibrado para muchas aplicaciones de rango medio, posicionándolo entre dispositivos de muy alta velocidad y baja sensibilidad y fotodiodos más lentos pero de alta sensibilidad.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es el propósito de la "semi-lente"?

R: La semi-lente ayuda a enfocar la luz entrante en el área activa del chip de silicio, aumentando el área de recolección efectiva y, por lo tanto, la responsividad (sensibilidad) del dispositivo en comparación con una ventana plana.

P: ¿Por qué la sensibilidad máxima está en 940 nm?

R: Las propiedades de absorción inherentes del silicio alcanzan su punto máximo en la región del infrarrojo cercano. 940 nm es una longitud de onda muy común para emisores infrarrojos (LEDs), ya que es invisible para el ojo humano y está fácilmente disponible. El epoxi está sintonizado para coincidir con esto.

P: ¿Debo usar este fotodiodo en modo fotovoltaico (sin polarización) o fotoconductivo (con polarización inversa)?

R: Para la máxima velocidad y linealidad, se recomienda el modo fotoconductivo (aplicando un voltaje inverso, ej., 5V). Reduce la capacitancia de unión y amplía la región de agotamiento. El modo fotovoltaico (sin polarización) ofrece menor ruido (sin corriente de oscuridad) pero es más lento.

P: ¿Cómo afecta la temperatura al rendimiento?

R: Como se muestra en las curvas, la corriente de oscuridad aumenta significativamente con la temperatura, lo que puede ser una fuente de ruido. La fotocorriente en sí también tiene un ligero coeficiente de temperatura. Para una operación estable, puede ser necesaria una compensación de temperatura o un entorno controlado en aplicaciones de precisión.

10. Ejemplos Prácticos de Diseño y Uso

Ejemplo 1: Sensor de Proximidad por Infrarrojos:Un LED IR emite pulsos a 940 nm. La luz reflejada es detectada por el PD438C. El encapsulado de vista lateral permite que tanto el emisor como el detector se coloquen en la misma PCB, mirando en la misma dirección. El filtro IR integrado en el PD438C ayuda a rechazar la luz visible ambiental, mejorando la relación señal-ruido de la señal IR reflejada. Un microcontrolador mide la corriente del fotodiodo a través de un TIA para determinar la presencia o distancia de un objeto.

Ejemplo 2: Interruptor Óptico de Ranura:El PD438C se monta en un lado de un soporte en forma de U, enfrentado a un LED IR en el otro lado. Un objeto que pasa por la ranura interrumpe el haz. El tiempo de respuesta rápido (50 ns) permite detectar eventos de muy alta velocidad o codificar movimientos rápidos.

11. Introducción al Principio de Funcionamiento

Un fotodiodo PIN es un dispositivo semiconductor con una región intrínseca (I) ancha y ligeramente dopada intercalada entre una región tipo P y una tipo N. Cuando fotones con energía mayor que el bandgap del semiconductor (para el silicio, longitudes de onda más cortas que ~1100 nm) golpean el dispositivo, generan pares electrón-hueco en la región intrínseca. Bajo la influencia del campo eléctrico interno (en modo fotovoltaico) o de un voltaje inverso aplicado (en modo fotoconductivo), estos portadores de carga se separan, creando una fotocorriente medible que es proporcional a la intensidad de la luz incidente. La región intrínseca ancha permite un volumen de agotamiento mayor, lo que mejora la eficiencia cuántica (sensibilidad) y reduce la capacitancia de unión, permitiendo una operación de mayor velocidad en comparación con un fotodiodo PN estándar.

12. Tendencias y Evolución de la Industria

El mercado de fotodiodos como el PD438C continúa siendo impulsado por las tendencias en automatización, electrónica de consumo y comunicación. Existe un impulso constante hacia unamayor velocidadpara soportar una transmisión de datos más rápida en enlaces ópticos. Unasensibilidad mejorada(menor ruido, mayor responsividad) permite operar con emisores de menor potencia o a distancias más largas. Laminiaturizaciónes otra tendencia clave, que lleva a fotodiodos en encapsulados de montaje superficial más pequeños. Además, la integración está avanzando, con más dispositivos que incorporan el fotodiodo, el amplificador y, a veces, incluso la lógica digital en un solo encapsulado (ej., arreglos de fotodiodos, sensores ópticos integrados). El PD438C, con su filtro óptico integrado, representa un paso en esta tendencia de integración, simplificando la lista de materiales para los diseñadores de sistemas.