Hoja de Datos del Fotodiodo PD333-3B/L4 - 5mm Semi-Lente - Silicio PIN - Carcasa Negra - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El PD333-3B/L4 es un fotodiodo de silicio PIN de alta velocidad y alta sensibilidad, alojado en una carcasa cilíndrica de plástico de vista lateral. Su característica definitoria es la carcasa de epoxi integrada que también funciona como un filtro de infrarrojos (IR), lo que la hace espectralmente compatible con los emisores IR comunes. Esta integración simplifica el diseño óptico al reducir la necesidad de componentes de filtrado externos. El dispositivo está diseñado para aplicaciones que requieren tiempos de respuesta rápidos y detección confiable de luz infrarroja, particularmente en el rango de longitud de onda de 940nm.

Las ventajas clave incluyen sus tiempos de respuesta rápidos, alta fotosensibilidad y baja capacitancia de unión, que son críticos para la integridad de la señal en aplicaciones de alta velocidad. El componente cumple con las regulaciones RoHS y REACH de la UE, y se fabrica utilizando procesos libres de plomo, alineándose con los estándares ambientales y de seguridad modernos para componentes electrónicos.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

El dispositivo está clasificado para operar dentro de límites ambientales y eléctricos específicos para garantizar la confiabilidad y prevenir daños. La tensión inversa máxima (VR) es de 32V. La potencia disipada máxima (Pd) es de 150mW. El componente puede soportar temperaturas de soldadura de terminales (Tsol) de hasta 260°C durante una duración no superior a 5 segundos, lo que es compatible con los procesos estándar de soldadura por reflujo. El rango de temperatura de operación (Topr) es de -40°C a +85°C, y el rango de temperatura de almacenamiento (Tstg) es de -40°C a +100°C, lo que indica un rendimiento robusto en una amplia gama de condiciones.

2.2 Características Electro-Ópticas

El rendimiento del fotodiodo se caracteriza en condiciones estándar (Ta=25°C). Su ancho de banda espectral (λ0.5) va de 840nm a 1100nm, con una sensibilidad máxima (λp) en 940nm. Esto lo hace ideal para su uso con LEDs IR de 940nm. Los parámetros eléctricos clave incluyen una tensión de circuito abierto (VOC) típica de 0.42V cuando se ilumina con 5mW/cm² a 940nm, y una corriente de cortocircuito (ISC) típica de 10µA bajo una iluminación de 1mW/cm² a 940nm.

La corriente luminosa inversa (IL), que es la fotocorriente generada bajo polarización inversa, es típicamente de 12µA (VR=5V, Ee=1mW/cm², λp=940nm). La corriente de oscuridad (Id), un parámetro crítico para la sensibilidad en condiciones de poca luz, se especifica con un máximo de 10nA (VR=10V). La tensión de ruptura inversa (BVR) tiene un mínimo de 32V y un valor típico de 170V. La capacitancia total de terminales (Ct) es típicamente de 5pF a VR=5V y 1MHz, un valor bajo que contribuye a la capacidad de alta velocidad del dispositivo.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que ilustran el comportamiento del dispositivo bajo diversas condiciones. Estos gráficos son esenciales para que los ingenieros de diseño predigan el rendimiento en aplicaciones del mundo real más allá de las condiciones de prueba estándar.

3.1 Características Térmicas y Ópticas

La Figura 1 muestra la relación entre la potencia disipable permitida y la temperatura ambiente. A medida que aumenta la temperatura, la potencia máxima permisible disminuye linealmente, una característica estándar de desclasificación para dispositivos semiconductores. La Figura 2 representa la curva de sensibilidad espectral, confirmando la respuesta máxima en 940nm y los puntos de corte definidos en 840nm y 1100nm donde la sensibilidad cae a la mitad de su valor máximo.

3.2 Corriente vs. Iluminación y Temperatura

La Figura 3 ilustra cómo la corriente de oscuridad (Id) aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura ambiente. Esta es una propiedad fundamental de las uniones semiconductoras y es crítica para aplicaciones que operan a temperaturas elevadas, ya que el aumento de la corriente de oscuridad eleva el piso de ruido. La Figura 4 muestra la relación lineal entre la corriente luminosa inversa (IL) y la irradiancia (Ee), demostrando la generación de fotocorriente predecible y lineal del fotodiodo.

3.3 Capacitancia y Tiempo de Respuesta

La Figura 5 grafica la capacitancia de terminales frente a la tensión inversa. La capacitancia disminuye con el aumento de la polarización inversa, un comportamiento típico de los fotodiodos PIN. Una capacitancia más baja permite tiempos de respuesta más rápidos. La Figura 6 muestra la relación entre el tiempo de respuesta y la resistencia de carga. El tiempo de respuesta aumenta con una mayor resistencia de carga debido a la constante de tiempo RC formada por la capacitancia de unión y la carga externa. Para aplicaciones de alta velocidad, típicamente se utiliza una resistencia de carga de bajo valor (por ejemplo, 50Ω), aunque esto sacrifica la amplitud de la señal por velocidad.

4. Información Mecánica y de Carcasa

El PD333-3B/L4 viene en una carcasa cilíndrica de vista lateral. El cuerpo de la carcasa es negro, lo que ayuda a reducir las reflexiones internas y la interferencia de luz parásita. El diseño de "semi-lente" ayuda a enfocar la luz entrante en el área activa de silicio, mejorando la sensibilidad efectiva. En la hoja de datos se proporcionan las dimensiones detalladas de la carcasa, con todas las medidas en milímetros. Las tolerancias críticas para la colocación mecánica son típicamente de ±0.25mm. La orientación de vista lateral es particularmente útil para aplicaciones donde la trayectoria de la luz es paralela a la superficie de la PCB, como en sensores de ranura o sistemas de detección de bordes.

5. Guías de Soldadura y Montaje

El componente es adecuado para procesos estándar de montaje de PCB. El límite absoluto máximo para la temperatura de soldadura de terminales es de 260°C. Es crucial que el tiempo de soldadura a esta temperatura no exceda los 5 segundos para evitar daños a la carcasa de plástico o al chip semiconductor interno. Los perfiles estándar de soldadura por reflujo IR o por ola utilizados para ensamblajes libres de plomo son generalmente aplicables. Un manejo adecuado para evitar la contaminación de la superficie de la lente es esencial para mantener el rendimiento óptico. El almacenamiento debe realizarse dentro del rango de temperatura especificado de -40°C a +100°C en un ambiente seco.

6. Información de Embalaje y Pedido

La especificación de embalaje estándar es de 500 piezas por bolsa, 5 bolsas por caja y 10 cajas por cartón. Este embalaje a granel es típico para líneas de montaje automatizadas. La etiqueta en el embalaje incluye información crítica para la trazabilidad y verificación: Número de Producción del Cliente (CPN), Número de Pieza (P/N), Cantidad de Embalaje (QTY), grados de calidad (CAT), longitud de onda máxima (HUE), un código de referencia (REF) y el Número de Lote de fabricación. También se indica el mes de producción. Los usuarios deben cotejar la información de la etiqueta con sus registros internos y las especificaciones de la hoja de datos.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

El PD333-3B/L4 es muy adecuado para varias aplicaciones clave. Comodetector fotoeléctrico de alta velocidad, puede usarse en enlaces de comunicación de datos que utilizan luz infrarroja, escáneres de códigos de barras o sistemas de detección de pulsos. Su integración encámaraspuede ser para sistemas de asistencia de enfoque automático o medición de luz. Eninterruptores optoelectrónicos, forma la mitad receptora de un interruptor óptico o sensor reflectivo, comúnmente encontrado en impresoras, codificadores y cortinas de seguridad. Su uso enVCRs y videocámarashistóricamente se refería a sensores de fin de cinta o receptores de control remoto, aunque principios similares se aplican a la electrónica de consumo moderna.

7.2 Consideraciones de Diseño

Al diseñar con este fotodiodo, se deben considerar varios factores. Para lapolarización, típicamente se opera en polarización inversa (modo fotoconductivo) para mejorar la velocidad y linealidad, aunque el modo fotovoltaico (polarización cero) puede usarse para aplicaciones de bajo ruido. La elección delamplificador operacionalen el circuito de amplificador de transimpedancia (TIA) es crítica; debe tener una corriente de polarización de entrada baja y bajo ruido para evitar degradar la señal del fotodiodo de baja corriente de oscuridad. Lapropiedad de filtrado IRde la carcasa es beneficiosa, pero los diseñadores deben asegurarse de que la longitud de onda de la fuente (por ejemplo, 940nm) coincida con la sensibilidad máxima. Para operación de alta velocidad, un diseño cuidadoso de la PCB para minimizar la capacitancia e inductancia parásitas en el nodo del fotodiodo es esencial.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los fotodiodos estándar sin lente o filtro integrado, el PD333-3B/L4 ofrece una solución óptica más compacta y simplificada. El filtro IR incorporado elimina la necesidad de un componente de filtro separado, ahorrando espacio, costo y complejidad de montaje. Su carcasa de vista lateral ofrece una ventaja mecánica distinta sobre las carcasas de vista superior para geometrías de trayectoria óptica específicas. La combinación de una tensión de ruptura relativamente alta (mín. 32V, típ. 170V) y una baja corriente de oscuridad es un equilibrio favorable para muchas aplicaciones de detección industrial que requieren una buena relación señal-ruido y una operación robusta.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es la importancia de la sensibilidad máxima en 940nm?

R: 940nm es una longitud de onda muy común para los LEDs infrarrojos porque es invisible para el ojo humano y tiene una buena transmisión atmosférica. Hacer coincidir la respuesta máxima del fotodiodo con la longitud de onda del emisor maximiza la fuerza de la señal y la eficiencia del sistema.

P: ¿Cómo afecta la especificación de corriente de oscuridad a mi diseño?

R: La corriente de oscuridad es la fuente principal de ruido en un fotodiodo cuando no hay luz presente. Una corriente de oscuridad baja (10nA máx. para este dispositivo) significa que el sensor puede detectar señales de luz muy débiles sin ser abrumado por su propio ruido interno, mejorando la sensibilidad y el rango dinámico.

P: ¿Puedo usar esto para detección de luz visible?

R: La carcasa de epoxi integrada actúa como un filtro IR, atenuando significativamente la luz visible. Por lo tanto, esta variante específica no es adecuada para aplicaciones que requieren sensibilidad en el espectro visible. Para la detección de luz visible, se requeriría una carcasa transparente o con un filtro diferente.

P: ¿Qué resistencia de carga debo usar para una velocidad óptima?

R: Haciendo referencia a la Figura 6, para el tiempo de respuesta más rápido (en el rango de nanosegundos), es necesaria una resistencia de carga baja (por ejemplo, 50Ω a 100Ω). Sin embargo, esto produce una señal de voltaje más pequeña. Un circuito de amplificador de transimpedancia es a menudo la mejor solución, proporcionando tanto alta velocidad como una buena ganancia de señal.

10. Caso Práctico de Diseño

Caso: Diseño de un Sensor de Proximidad por Infrarrojos

En un sensor de proximidad típico, un LED IR emite pulsos de luz, y el PD333-3B/L4 detecta la luz reflejada por un objeto. El filtro IR incorporado es crucial aquí, ya que bloquea la luz visible ambiental (por ejemplo, de la iluminación de la habitación) que podría saturar el sensor o crear falsos disparos. El tiempo de respuesta rápido permite un pulsado rápido del LED, permitiendo una detección rápida y potencialmente permitiendo la medición de distancia mediante métodos de tiempo de vuelo o cambio de fase en sistemas más avanzados. La carcasa de vista lateral permite que tanto el LED como el fotodiodo se monten en el mismo plano de la PCB, mirando en la misma dirección, lo que es ideal para la detección reflectiva. Un circuito simple implicaría polarizar el fotodiodo con una polarización inversa de 5V a través de una resistencia grande, y usar un comparador o amplificador de alta velocidad para detectar el pulso de corriente generado cuando hay luz reflejada.

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 de tipo p (P) y una de tipo n (N). Cuando se polariza inversamente, esta estructura crea una gran región de agotamiento. Los fotones incidentes en el dispositivo con energía mayor que el bandgap del semiconductor crean pares electrón-hueco dentro de esta región de agotamiento. El fuerte campo eléctrico presente debido a la polarización inversa separa rápidamente estos portadores, haciendo que se desplacen a los contactos respectivos, generando una fotocorriente que es proporcional a la intensidad de la luz incidente. La región intrínseca ancha reduce la capacitancia de unión (permitiendo alta velocidad) y aumenta el volumen para la absorción de fotones (mejorando la sensibilidad), especialmente para longitudes de onda más largas como el infrarrojo donde la profundidad de penetración es mayor.

12. Tendencias Tecnológicas

La tendencia en la tecnología de fotodiodos continúa hacia una mayor integración, menor ruido y mayor funcionalidad. Esto incluye la integración de circuitos de amplificación y acondicionamiento de señal en el mismo chip o en el mismo paquete (por ejemplo, combinaciones fotodiodo-amplificador). También existe un impulso hacia dispositivos con corrientes de oscuridad y capacitancias aún más bajas para aplicaciones en instrumentación científica, imágenes médicas y LiDAR. El uso de materiales más allá del silicio, como InGaAs, extiende la sensibilidad aún más en el infrarrojo para telecomunicaciones y detección de gases. Además, las innovaciones en empaquetado apuntan a proporcionar características ópticas más precisas, como lentes con campo de visión (FOV) definido y un filtrado aún más efectivo directamente en el paquete, como se ve en el PD333-3B/L4.