Hoja de Datos del Fotodiodo de Silicio PIN PD438B con Semi-Lente de 4.8mm - Diámetro 4.8mm - Lente Negra - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El PD438B es un fotodiodo de silicio PIN de alto rendimiento diseñado para aplicaciones que requieren respuesta rápida y alta sensibilidad a la luz infrarroja. Está alojado en un encapsulado plástico cilíndrico de vista lateral compacto con un diámetro de 4.8mm. Una característica clave de este dispositivo es su encapsulado epoxi, formulado para actuar como un filtro infrarrojo (IR) integrado. Este filtro incorporado está emparejado espectralmente con emisores IR comunes, mejorando la relación señal-ruido al pasar selectivamente la longitud de onda IR objetivo mientras atenúa la luz visible no deseada.

Las ventajas principales del PD438B incluyen sus tiempos de respuesta rápidos, alta fotosensibilidad y baja capacitancia de unión, lo que lo hace adecuado para circuitos de detección de alta velocidad. El dispositivo está construido con materiales libres de plomo (Pb-free) y cumple con regulaciones ambientales relevantes como RoHS y REACH de la UE, asegurando su idoneidad para la fabricación electrónica moderna.

Los mercados y aplicaciones principales para este fotodiodo son la electrónica de consumo y la detección industrial. Es ideal para su uso como detector de luz de alta velocidad en sistemas como cámaras, videograbadoras y cámaras de video. Sus características también lo convierten en un componente confiable en varios interruptores optoelectrónicos y módulos de detección donde es crucial la detección precisa de señales IR.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

El dispositivo está diseñado para operar de manera confiable dentro de límites ambientales y eléctricos especificados. Exceder estos Límites Absolutos Máximos puede causar daño permanente.

• Voltaje Inverso (VR):32 V. Este es el voltaje máximo que se puede aplicar en polarización inversa a través de los terminales del fotodiodo.
• Disipación de Potencia (Pd):150 mW. Esta especificación considera la potencia total que el dispositivo puede manejar, principalmente de la corriente de fuga inversa bajo polarización.
• Temperatura de Operación (Topr):-40°C a +85°C. El rango de rendimiento garantizado para el fotodiodo durante operación normal.
• Temperatura de Almacenamiento (Tstg):-40°C a +100°C. El rango de temperatura seguro para el dispositivo cuando no está energizado.
• Temperatura de Soldadura (Tsol):260°C durante una duración máxima de 5 segundos. Esto define las restricciones del perfil de soldadura por reflujo para prevenir daños al encapsulado epoxi y al chip semiconductor.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros, medidos a una temperatura estándar de 25°C, definen el rendimiento central de fotodetección del PD438B.

• Ancho de Banda Espectral (λ0.5):400 nm a 1100 nm. Esto define el rango de longitud de onda donde la responsividad del fotodiodo es al menos la mitad de su valor pico. Confirma sensibilidad desde la luz azul visible hasta el infrarrojo cercano.
• Longitud de Onda de Sensibilidad Pico (λp):940 nm (Típico). El fotodiodo es más sensible a la luz infrarroja en esta longitud de onda, que es estándar para muchos LED IR y sistemas de control remoto.
• Voltaje en Circuito Abierto (VOC):0.35 V (Típico) bajo una irradiancia (Ee) de 5 mW/cm² a 940nm. Este es el voltaje generado por el fotodiodo en modo fotovoltaico (sin polarización externa) bajo condiciones de luz especificadas.
• Corriente de Cortocircuito (ISC):18 µA (Típico) bajo 1 mW/cm² a 940nm. Esta es la fotocorriente generada cuando los terminales del diodo están en cortocircuito, representando su salida de corriente máxima para un nivel de luz dado.
• Corriente de Luz Inversa (IL):18 µA (Típico) a VR=5V bajo 1 mW/cm² a 940nm. Esta es la fotocorriente medida cuando el diodo está polarizado inversamente, que es el modo de operación estándar para respuesta lineal y de alta velocidad.
• Corriente de Oscuridad (Id):5 nA (Típico), 30 nA (Máx) a VR=10V en completa oscuridad. Esta es la pequeña corriente de fuga que fluye incluso cuando no hay luz presente. Una corriente de oscuridad baja es crucial para detectar señales de luz débiles.
• Voltaje de Ruptura Inversa (BVR):170 V (Típico), 32 V (Mín). El voltaje al cual la corriente inversa aumenta bruscamente. El voltaje inverso de operación siempre debe mantenerse muy por debajo de este valor.
• Capacitancia Total (Ct):25 pF (Típico) a VR=3V y 1 MHz. Esta capacitancia de unión impacta directamente la velocidad del dispositivo; una capacitancia más baja permite tiempos de respuesta más rápidos.
• Tiempo de Subida/Bajada (tr/tf):50 ns / 50 ns (Típico) con VR=10V y una resistencia de carga (RL) de 1 kΩ. Estos parámetros especifican qué tan rápido puede cambiar la corriente de salida del fotodiodo en respuesta a un pulso de luz, definiendo su capacidad de alta velocidad.

Se especifican las tolerancias para parámetros clave: Intensidad Luminosa (±10%), Longitud de Onda Dominante (±1nm), y Voltaje Directo (±0.1V), asegurando consistencia en lotes de producción.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que ilustran cómo varían los parámetros clave con las condiciones de operación. Estas son esenciales para los diseñadores de circuitos.

3.1 Sensibilidad Espectral

La curva de respuesta espectral muestra la sensibilidad relativa del fotodiodo a través de diferentes longitudes de onda. Tendrá un pico pronunciado alrededor de 940 nm debido al epoxi integrado que filtra IR, con una sensibilidad significativamente reducida en el espectro visible (400-700 nm). Esta curva es crítica para asegurar que el detector esté emparejado con la longitud de onda del emisor.

3.2 Corriente de Oscuridad vs. Temperatura Ambiente

Esta curva típicamente muestra un aumento exponencial en la corriente de oscuridad (Id) a medida que sube la temperatura ambiente. Los diseñadores deben tener en cuenta este aumento del piso de ruido en aplicaciones de alta temperatura o al detectar señales de luz muy bajas.

3.3 Corriente de Luz Inversa vs. Irradiancia (Ee)

Este gráfico demuestra la relación lineal entre la potencia de luz incidente (irradiancia) y la fotocorriente generada (IL) cuando el diodo está polarizado inversamente. La linealidad es una característica clave de los fotodiodos PIN, haciéndolos adecuados para aplicaciones de medición de luz.

3.4 Capacitancia Terminal vs. Voltaje Inverso

La capacitancia de unión (Ct) disminuye a medida que aumenta el voltaje de polarización inversa (VR). Esta curva permite a los diseñadores seleccionar un voltaje de polarización de operación que optimice el equilibrio entre velocidad (menor capacitancia a mayor voltaje) y consumo de energía/calor.

3.5 Tiempo de Respuesta vs. Resistencia de Carga

El tiempo de subida/bajada (tr/tf) está influenciado por la constante de tiempo RC formada por la capacitancia de unión del fotodiodo y la resistencia de carga externa (RL). Esta curva muestra cómo aumenta el tiempo de respuesta con resistencias de carga más grandes, guiando la selección de RL para la velocidad deseada en circuitos de amplificador de transimpedancia.

3.6 Disipación de Potencia vs. Temperatura Ambiente

Esta curva de reducción de potencia indica la disipación de potencia máxima permitida en función de la temperatura ambiente. A medida que aumenta la temperatura, la potencia máxima segura que el dispositivo puede manejar disminuye linealmente, lo cual es vital para la gestión térmica en el diseño del sistema.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Dimensiones del Encapsulado

El PD438B está alojado en un encapsulado cilíndrico de vista lateral con un diámetro nominal de 4.8mm. El dibujo mecánico detallado en la hoja de datos proporciona todas las dimensiones críticas, incluido el diámetro del cuerpo, la longitud, el espaciado de las patillas y el diámetro de las patillas. Se aplica una tolerancia estándar de ±0.25mm a todas las dimensiones del encapsulado a menos que se especifique lo contrario. La configuración de vista lateral está diseñada para aplicaciones donde la trayectoria de la luz es paralela a la superficie de la PCB.

4.2 Identificación de Polaridad

El fotodiodo es un componente polarizado. El cátodo se identifica típicamente por una patilla más larga, un punto plano en el encapsulado o una marca específica. El diagrama del encapsulado en la hoja de datos indica claramente las conexiones del ánodo y el cátodo, que deben observarse durante el montaje para asegurar la polarización correcta (polarización inversa para operación normal).

5. Guías de Soldadura y Montaje

Para mantener la confiabilidad y prevenir daños durante el proceso de montaje, se deben seguir condiciones de soldadura específicas.

• Soldadura por Reflujo:El componente es adecuado para montaje superficial utilizando técnicas de soldadura por reflujo. La temperatura máxima de soldadura no debe exceder los 260°C, y el tiempo por encima de esta temperatura debe limitarse a 5 segundos o menos para prevenir daños térmicos al encapsulado epoxi y al chip semiconductor.
• Soldadura Manual:Si es necesaria la soldadura manual, se debe usar un soldador con control de temperatura. El tiempo de contacto con las patillas debe minimizarse, y se recomienda disipar el calor de la patilla entre la unión y el cuerpo del encapsulado.
• Condiciones de Almacenamiento:Los dispositivos deben almacenarse en sus bolsas originales de barrera de humedad en un ambiente controlado dentro del rango de temperatura de almacenamiento de -40°C a +100°C y con baja humedad para prevenir la oxidación de las patillas.

6. Información de Embalaje y Pedido

6.1 Especificación de Embalaje

El flujo de embalaje estándar para el PD438B es el siguiente: 500 piezas se empaquetan en una bolsa antiestática. Seis de estas bolsas se colocan en un cartón interior. Finalmente, diez cartones interiores se empaquetan en un cartón maestro de envío (exterior), resultando en un total de 30,000 piezas por cartón maestro.

6.2 Especificación de Etiqueta

La etiqueta en el embalaje contiene varios identificadores clave:

• CPN:Número de Producto del Cliente (si está asignado).
• P/N:El número de producto del fabricante (PD438B).
• QTY:La cantidad de dispositivos en el paquete.
• CAT, HUE, REF:Códigos que representan el rango de intensidad luminosa, el rango de longitud de onda dominante y el rango de voltaje directo, respectivamente, para productos que son clasificados.
• LOT No:El número de lote de fabricación rastreable.

Este etiquetado asegura la trazabilidad y el manejo correcto del material a lo largo de la cadena de suministro.

7. Notas de Aplicación y Consideraciones de Diseño

7.1 Circuitos de Aplicación Típicos

El PD438B se usa más comúnmente en una de dos configuraciones de circuito:

1. Modo Fotovoltaico (Polarización Cero):El fotodiodo se conecta directamente a una carga de alta impedancia (como la entrada de un amplificador operacional). Este modo ofrece corriente de oscuridad y ruido mínimos, pero tiene una respuesta más lenta y menor linealidad. Es adecuado para medición de luz de baja velocidad y precisión.
2. Modo Fotoconductivo (Polarización Inversa):El fotodiodo se conecta con el cátodo a un voltaje positivo y el ánodo a una tierra virtual (por ejemplo, la entrada inversora de un amplificador de transimpedancia). Este es el modo recomendado para el PD438B para aprovechar sus capacidades de alta velocidad. La polarización inversa reduce la capacitancia de unión (aumentando la velocidad) y mejora la linealidad. El valor de la resistencia de retroalimentación en el amplificador de transimpedancia establece la ganancia (Vout = Ifoto * Rretroalimentación).

7.2 Consideraciones de Diseño

• Selección del Voltaje de Polarización:Elija un voltaje de polarización inversa (por ejemplo, 5V a 10V) que proporcione un buen equilibrio entre velocidad (menor capacitancia) y consumo de energía. No exceda el voltaje inverso máximo de 32V.
• Selección del Amplificador:Para aplicaciones de alta velocidad, combine el PD438B con un amplificador operacional de bajo ruido y alto ancho de banda configurado como amplificador de transimpedancia. La corriente de polarización de entrada y el ruido de voltaje del amplificador deben ser bajos para no degradar la señal del fotodiodo.
• Diseño de PCB:Mantenga el fotodiodo y su amplificador asociado cerca para minimizar la capacitancia parásita y la captación de ruido en el nodo sensible de alta impedancia. Use un anillo de guardia conectado a un punto de baja impedancia (como la salida del amplificador o un plano de tierra) alrededor de la conexión del ánodo del fotodiodo para reducir corrientes de fuga.
• Alineación Óptica:Asegure una alineación mecánica adecuada entre el emisor IR y el fotodiodo. El encapsulado de vista lateral está diseñado para esto. Considere usar un tubo o barrera para bloquear la luz ambiente y la diafonía.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

El PD438B se diferencia en el mercado a través de varias características clave:

• Filtro IR Integrado:El propio encapsulado epoxi actúa como filtro, eliminando la necesidad de un componente de filtro separado, reduciendo el número de piezas, el costo y simplificando el montaje.
• Encapsulado de Vista Lateral:El factor de forma cilíndrico de vista lateral es ideal para aplicaciones donde la trayectoria de la luz corre paralela a la PCB, como en sensores de ranura, sistemas de detección de borde y ciertos tipos de codificadores.
• Rendimiento Equilibrado:Ofrece una combinación bien equilibrada de velocidad (50 ns), sensibilidad (18 µA a 1 mW/cm²) y baja corriente de oscuridad, lo que lo convierte en una opción versátil para una amplia gama de tareas de detección IR de media a alta velocidad.
• Cumplimiento Ambiental:Su construcción libre de plomo y cumplimiento con RoHS y REACH lo hacen adecuado para mercados globales con estrictas regulaciones ambientales.

En comparación con fotodiodos más grandes, ofrece una huella más pequeña. En comparación con fotodiodos sin filtro, proporciona un rechazo superior al ruido de luz visible ambiental.

9. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P1: ¿Cuál es el propósito de la lente epoxi negra?

R1: El epoxi negro no es solo por apariencia; está formulado para ser un filtro infrarrojo efectivo. Transmite la longitud de onda IR objetivo (con pico a 940 nm) mientras absorbe gran parte de la luz visible, reduciendo significativamente la interferencia de fuentes de luz ambiente como la iluminación de la habitación.

P2: ¿Debo operar el PD438B con o sin voltaje de polarización inversa?

R2: Para operación de alta velocidad (como lo indica su tiempo de subida de 50 ns), se recomienda encarecidamente operar el PD438B en modo fotoconductivo con polarización inversa, típicamente entre 5V y 10V. Esto reduce la capacitancia de unión y mejora la linealidad y la velocidad.

P3: ¿Cómo convierto la fotocorriente en una señal de voltaje utilizable?

R3: El método más común y efectivo es usar un circuito de amplificador de transimpedancia (TIA). El fotodiodo se conecta entre la entrada inversora y la salida de un amplificador operacional, con una resistencia de retroalimentación que determina la ganancia (Vout = -Ifoto * Rf). A menudo se agrega un pequeño capacitor de retroalimentación en paralelo con la resistencia para estabilizar el circuito y limitar el ancho de banda.

P4: ¿Cuál es la importancia del parámetro "Corriente de Oscuridad"?

R4: La corriente de oscuridad es la pequeña corriente que fluye a través del fotodiodo cuando está en completa oscuridad y bajo polarización inversa. Actúa como una fuente de ruido. Una corriente de oscuridad más baja (5 nA típico para el PD438B) significa que el dispositivo puede detectar señales de luz más débiles sin que la señal sea enmascarada por su propio ruido.

P5: ¿Se puede usar este fotodiodo para detección de luz visible?

R5: Si bien su rango espectral comienza en 400 nm (violeta), su sensibilidad en el espectro visible está muy atenuada por la lente epoxi que filtra IR. Su sensibilidad máxima está firmemente en el infrarrojo a 940 nm. Para la detección primaria de luz visible, un fotodiodo sin un encapsulado que filtre IR sería más apropiado.

10. Principios 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 golpean el dispositivo, crean pares electrón-hueco en la región intrínseca. Bajo la influencia de un campo eléctrico de polarización inversa externo, estos portadores de carga se separan, generando una fotocorriente que es proporcional a la intensidad de la luz incidente. La región intrínseca ancha permite varias ventajas: crea una región de agotamiento más grande para la absorción de fotones (aumentando la sensibilidad), reduce la capacitancia de unión (aumentando la velocidad) y permite operar a voltajes inversos más altos. El PD438B utiliza silicio, que tiene un bandgap adecuado para detectar luz desde el espectro visible hasta el infrarrojo cercano.

11. Descargo de Responsabilidad y Notas de Uso

La información contenida en este documento técnico está sujeta a cambios sin previo aviso. Los gráficos y valores típicos proporcionados son para orientación de diseño y no representan especificaciones garantizadas. Al implementar este componente, los diseñadores deben adherirse estrictamente a los Límites Absolutos Máximos para prevenir fallas del dispositivo. El fabricante no asume ninguna responsabilidad por cualquier daño resultante del uso de este producto fuera de sus condiciones de operación especificadas. Este producto no está destinado para su uso en aplicaciones críticas para la seguridad, de soporte vital, militares, automotrices o aeroespaciales sin consulta previa y calificación específica.