Hoja de Datos del Fotodiodo PIN de Silicio Semi-Lente PD438C/S46 de 4.8mm - Diámetro 4.8mm - Voltaje Inverso 32V - Sensibilidad Pico 940nm - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El PD438C/S46 es un fotodiodo PIN de silicio de alto rendimiento diseñado para aplicaciones que requieren respuesta rápida y alta sensibilidad a la luz infrarroja. Se aloja en un encapsulado plástico cilíndrico compacto de vista lateral con un diámetro de 4.8mm. Una característica clave de este dispositivo es que el propio encapsulado de epoxi actúa como un filtro infrarrojo (IR) integrado, que está ajustado espectralmente a los emisores IR comunes, mejorando su rendimiento en sistemas de detección IR al filtrar la luz visible no deseada.

Este fotodiodo se caracteriza por sus tiempos de respuesta rápidos, alta fotosensibilidad y pequeña capacitancia de unión, lo que lo hace adecuado para detección óptica de alta velocidad. Está construido con materiales libres de plomo y cumple con las regulaciones ambientales pertinentes.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

El dispositivo está diseñado para operar de manera confiable dentro de los límites especificados. Exceder estos límites puede causar daño permanente.

• Voltaje Inverso (V_R):32 V - El voltaje máximo que se puede aplicar en polarización inversa a través de los terminales del fotodiodo.
• Disipación de Potencia (P_d):150 mW - La potencia máxima que el dispositivo puede disipar, principalmente como calor, bajo condiciones especificadas.
• Temperatura de Operación (T_opr):-40°C a +85°C - El rango de temperatura ambiente en el que se garantiza que el dispositivo cumple con sus especificaciones publicadas.
• Temperatura de Almacenamiento (T_stg):-40°C a +100°C - El rango de temperatura para un almacenamiento seguro cuando el dispositivo no está energizado.
• Temperatura de Soldadura (T_sol):260°C durante un tiempo no superior a 5 segundos, lo que es típico para procesos de soldadura por reflujo sin plomo.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros se miden a una temperatura ambiente (T_a) de 25°C y definen el rendimiento central del fotodiodo.

• Ancho de Banda Espectral (λ_0.5):840 nm a 1100 nm. Esto define el rango de longitudes de onda donde la responsividad del fotodiodo es al menos la mitad de su valor pico. Es sensible principalmente en la región del infrarrojo cercano.
• Longitud de Onda de Sensibilidad Pico (λ_p):940 nm (Típico). La longitud de onda de la luz a la que el fotodiodo es más sensible. Esto coincide con la longitud de onda de emisión común de muchos LED IR.
• Voltaje en Circuito Abierto (V_OC):0.35 V (Típico) cuando se ilumina con una irradiancia (E_e) de 5 mW/cm² a 940nm. Este es el voltaje generado por el fotodiodo sin carga externa.
• Corriente de Cortocircuito (I_SC):18 µA (Típico) a E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm. Esta es la fotocorriente cuando la salida está en cortocircuito.
• Corriente Luminosa Inversa (I_L):18 µA (Típico, Mín 10.2 µA) a E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm, y un voltaje de polarización inversa (V_R) de 5V. Este es el parámetro operativo principal en modo fotoconductivo.
• Corriente de Oscuridad (I_d):5 nA (Típico, Máx 30 nA) a V_R= 10V en completa oscuridad. Esta es la pequeña corriente de fuga que fluye incluso cuando no hay luz presente, un parámetro clave para la relación señal-ruido.
• Voltaje de Ruptura Inversa (BV_R):Mín 32V, Típ 170V, medido a una corriente inversa de 100 µA. Esto indica el voltaje al que la unión se rompe.
• Capacitancia Total (C_t):18 pF (Típico) a V_R= 3V y una frecuencia de prueba de 1 MHz. Una capacitancia más baja permite tiempos de respuesta más rápidos.
• Tiempo de Subida/Bajada (t_r/t_f):50 ns / 50 ns (Típico) con V_R= 10V y una resistencia de carga (R_L) de 1 kΩ. Esto especifica la velocidad de respuesta del fotodiodo a un pulso de luz.

Las tolerancias para los parámetros clave se especifican como: Intensidad Luminosa ±10%, Longitud de Onda Dominante ±1nm, Voltaje Directo ±0.1V.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que ilustran el rendimiento bajo condiciones variables. Estas son esenciales para los ingenieros de diseño.

3.1 Sensibilidad Espectral

Una curva que grafica la sensibilidad relativa frente a la longitud de onda. Confirma la sensibilidad pico aproximadamente a 940nm y muestra la respuesta espectral disminuyendo hacia los límites del rango de 840-1100nm. La lente de epoxi integrada actúa como un filtro, atenuando la respuesta fuera de la banda IR objetivo.

3.2 Corriente de Oscuridad vs. Temperatura Ambiente

Esta curva típicamente muestra que la corriente de oscuridad (I_d) aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura. Comprender esta relación es crítico para aplicaciones que operan en un amplio rango de temperaturas, ya que define el límite inferior de luz detectable (piso de ruido).

3.3 Corriente Luminosa Inversa vs. Irradiancia (E_e)

Este gráfico demuestra la relación lineal entre la fotocorriente generada (I_L) y la densidad de potencia de la luz incidente. El fotodiodo opera en una región altamente lineal bajo las condiciones especificadas, lo que es vital para aplicaciones de medición de luz analógica.

3.4 Capacitancia Terminal vs. Voltaje Inverso

La capacitancia de unión (C_t) disminuye al aumentar el voltaje de polarización inversa. Esta es una propiedad fundamental de las uniones PN. Los diseñadores pueden usar un voltaje de polarización más alto para reducir la capacitancia y así mejorar el ancho de banda y la velocidad de respuesta, a cambio de un ligero aumento en la corriente de oscuridad.

3.5 Tiempo de Respuesta vs. Resistencia de Carga

Esta curva muestra cómo el tiempo de subida/bajada se ve afectado por el valor de la resistencia de carga externa (R_L). Una R_Lmás pequeña generalmente resulta en una respuesta más rápida pero produce una excursión de voltaje de salida más pequeña. Este gráfico ayuda a optimizar el compromiso velocidad-amplitud en el diseño del circuito.

3.6 Disipación de Potencia vs. Temperatura Ambiente

Ilustra la reducción de la disipación de potencia máxima permitida a medida que aumenta la temperatura ambiente. A temperaturas superiores a 25°C, el dispositivo no puede disipar los 150mW completos, y la potencia máxima debe reducirse linealmente a cero en la temperatura máxima de unión.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Dimensiones del Encapsulado

El PD438C/S46 se encapsula en un paquete plástico cilíndrico de vista lateral con un diámetro nominal de 4.8mm. El dibujo dimensional especifica el diámetro del cuerpo, la longitud, el espaciado de los terminales y el diámetro de los terminales. Una nota crítica especifica que todas las tolerancias dimensionales son de ±0.25mm a menos que se indique lo contrario en el dibujo. La configuración de vista lateral es ideal para aplicaciones donde la trayectoria de la luz es paralela a la superficie del PCB.

4.2 Identificación de Polaridad

La polaridad se indica típicamente en el encapsulado o en el dibujo. Para un fotodiodo, el cátodo generalmente se conecta al voltaje de alimentación positivo cuando se opera en polarización inversa (modo fotoconductivo), y el ánodo se conecta a la tierra del circuito o a la entrada de un amplificador de transimpedancia. La polaridad correcta es esencial para un funcionamiento adecuado.

5. Guías de Soldadura y Montaje

El dispositivo es adecuado para procesos estándar de montaje superficial.

• Soldadura por Reflujo:La temperatura máxima de soldadura recomendada es de 260°C. El tiempo que los terminales del dispositivo están expuestos a temperaturas iguales o superiores a este pico no debe exceder los 5 segundos. Esto es consistente con los perfiles típicos de reflujo sin plomo (por ejemplo, IPC/JEDEC J-STD-020).
• Soldadura Manual:Si es necesaria la soldadura manual, se debe usar un cautín con control de temperatura. El tiempo de contacto por terminal debe minimizarse para evitar una transferencia excesiva de calor al sensible dado semiconductor.
• Limpieza:Se pueden usar procesos estándar de limpieza de PCB, pero se debe verificar la compatibilidad de los agentes de limpieza con el material del encapsulado plástico.
• Condiciones de Almacenamiento:Los dispositivos deben almacenarse en sus bolsas originales barrera de humedad a temperaturas entre -40°C y +100°C y con baja humedad para prevenir la oxidación de los terminales y la absorción de humedad por el encapsulado.

6. Información de Embalaje y Pedido

6.1 Especificación de Empaque

El flujo de empaque estándar es el siguiente: 500 piezas se empacan en una bolsa. Cinco bolsas se colocan luego en un cartón interno. Finalmente, diez cartones internos se empacan en un cartón maestro (exterior). Esto da un total de 25,000 piezas por cartón maestro.

6.2 Especificación de Etiqueta

Las etiquetas en el embalaje contienen información clave para trazabilidad e identificación:

• CPN:Número de Producto del Cliente (si se asigna).
• P/N:Número de Producto del Fabricante (por ejemplo, PD438C/S46).
• QTY:Cantidad de dispositivos en el paquete.
• CAT, HUE, REF:Códigos para el rango de intensidad luminosa, rango de longitud de onda dominante y rango de voltaje directo, respectivamente, que indican la clasificación de rendimiento.
• LOT No:Número de lote de fabricación para trazabilidad.
• REF:Un número de referencia para identificar la etiqueta.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Detector Fotoeléctrico de Alta Velocidad:Ideal para enlaces de datos ópticos, codificadores y detección de pulsos donde el tiempo de respuesta de 50ns es una ventaja clave.
• Aplicaciones en Cámaras:Puede usarse en sistemas de enfoque automático, fotometría o como detector de presencia IR.
• Interruptor Optoelectrónico:Utilizado en detección de objetos, sensores de ranura e interruptores de límite. El filtro IR integrado ayuda a rechazar la interferencia de la luz ambiente.
• VCRs y Videocámaras:Históricamente utilizado en sensores de contador de cinta, receptores de control remoto u otras funciones ópticas internas de detección.

7.2 Consideraciones de Diseño

• Voltaje de Polarización:Se recomienda operar en modo fotoconductivo (con polarización inversa) para una operación de alta velocidad y lineal. Una polarización de 5V a 10V es típica, equilibrando velocidad (capacitancia más baja) y ruido (corriente de oscuridad más baja).
• Topología del Circuito:Para obtener la mejor velocidad y linealidad, use un amplificador de transimpedancia (TIA) para convertir la fotocorriente en un voltaje. La resistencia y el capacitor de retroalimentación en el TIA deben elegirse en función del ancho de banda deseado y la capacitancia del fotodiodo.
• Alineación Óptica:El encapsulado de vista lateral requiere un diseño mecánico cuidadoso para garantizar una alineación adecuada con la fuente de luz, que a menudo también es un LED IR de vista lateral.
• Rechazo de Luz Ambiente:Si bien el epoxi actúa como un filtro IR, para entornos con fuentes IR fuertes (por ejemplo, luz solar), pueden ser necesarias técnicas adicionales de filtrado óptico o modulación/demodulación.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

El PD438C/S46 ofrece varias ventajas distintivas en su clase:

• Filtro IR Integrado:A diferencia de muchos fotodiodos básicos que requieren un filtro separado, el epoxi del encapsulado está formulado para filtrar la luz, simplificando el montaje y reduciendo el número de componentes.
• Encapsulado de Vista Lateral:El encapsulado cilíndrico de vista lateral de 4.8mm es un factor de forma específico optimizado para aplicaciones donde la trayectoria de la luz corre paralela al PCB, ofreciendo un campo de visión compacto y dirigido.
• Rendimiento Equilibrado:Proporciona un buen equilibrio entre velocidad (50ns), sensibilidad (18 µA a 1 mW/cm²) y corriente de oscuridad (5 nA), lo que lo convierte en una opción versátil para detección IR de propósito general.
• Especificaciones Robustas:Con una clasificación de voltaje inverso de 32V y un amplio rango de temperatura de operación (-40°C a +85°C), es adecuado para entornos industriales y automotrices (para aplicaciones no críticas de seguridad según el descargo de responsabilidad).

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es la diferencia entre operar en modo fotovoltaico (polarización cero) y modo fotoconductivo (polarización inversa)?

A: En modo fotovoltaico (V_R=0V), el fotodiodo genera su propio voltaje (ver V_OC). Tiene una corriente de oscuridad muy baja pero mayor capacitancia y respuesta más lenta. El modo fotoconductivo (aplicando V_R) ensancha la región de agotamiento, reduciendo la capacitancia y acelerando la respuesta (ver t_r/t_f), a costa de una pequeña corriente de oscuridad constante (I_d). Para detección de alta velocidad, se prefiere el modo fotoconductivo.

P: ¿Cómo interpreto el parámetro "Corriente Luminosa Inversa (I_L)"?

A: Este es el parámetro más útil para el diseño de circuitos. Te indica que bajo una condición de luz específica (1 mW/cm² a 940nm) y con una polarización inversa de 5V, puedes esperar una fotocorriente típicamente de 18 µA. Tu circuito amplificador debe diseñarse para manejar este rango de corriente. El valor mínimo de 10.2 µA es importante para el diseño del peor caso.

P: ¿Por qué es importante la corriente de oscuridad?

A: La corriente de oscuridad es la fuente principal de ruido en un fotodiodo cuando no hay luz presente. Establece el límite inferior de luz detectable. Una corriente de oscuridad más baja (5 nA típico para este dispositivo) significa que el sensor puede detectar señales de luz más débiles. Nota que la corriente de oscuridad se duplica aproximadamente cada 10°C de aumento en la temperatura.

P: ¿Puedo usar esto con fuentes de luz distintas a 940nm?

A: Sí, pero con sensibilidad reducida. Consulta la curva de Sensibilidad Espectral. El fotodiodo responderá a la luz desde aproximadamente 840nm hasta 1100nm, pero la corriente de salida para la misma potencia óptica será menor si la longitud de onda no está cerca del pico de 940nm.

10. Caso Práctico de Diseño y Uso

Caso: Diseño de un Sensor de Proximidad IR para un Grifo Automático.

1. Diagrama de Bloques del Sistema:Un LED IR (que emite a 940nm) y el fotodiodo PD438C/S46 se colocan uno al lado del otro detrás de una ventana translúcida. El LED se pulsa. Cuando no hay objeto presente, la mayor parte de la luz IR se dispersa. Cuando se coloca una mano cerca del grifo, la luz IR reflejada entra en el fotodiodo.
2. Razón de Selección del Componente:Se elige el PD438C/S46 porque su sensibilidad pico a 940nm coincide con el LED. El filtro IR integrado en su encapsulado ayuda a rechazar la luz visible ambiente de las lámparas superiores, reduciendo las falsas activaciones. El encapsulado de vista lateral permite que tanto el emisor como el detector se monten planos en el PCB, apuntando hacia afuera.
3. Diseño del Circuito:El fotodiodo se polariza inversamente con 5V. Su salida se conecta a un amplificador de transimpedancia. La ganancia del amplificador (resistencia de retroalimentación) se ajusta para que la señal reflejada esperada (una fracción de los 18 µA/mW/cm²) produzca un voltaje utilizable. Un comparador después del amplificador detecta cuando este voltaje supera un umbral establecido.
4. Optimización:La frecuencia y duración del pulso del LED se eligen para estar fuera de la frecuencia del parpadeo de la luz ambiente (por ejemplo, 100Hz de la iluminación de red). El sistema solo busca la señal sincronizada con el pulso del LED, proporcionando una excelente inmunidad al ruido.

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 ~1100nm) golpean el dispositivo, pueden crear pares electrón-hueco en la región intrínseca. Bajo la influencia del campo eléctrico incorporado (en modo fotovoltaico) o de un campo de polarización inversa aplicado (en modo fotoconductivo), estos portadores de carga se separan, generando una fotocorriente que es proporcional a la intensidad de la luz incidente. La región intrínseca ancha en una estructura PIN reduce la capacitancia de unión (permitiendo una respuesta más rápida) y aumenta el volumen para la absorción de fotones (mejorando la sensibilidad), en comparación con un fotodiodo PN estándar.

12. Tendencias y Contexto Tecnológico

Los fotodiodos PIN de silicio como el PD438C/S46 son soluciones maduras, confiables y rentables para la detección de infrarrojo cercano. Las tendencias actuales en el campo incluyen:

• Integración:Avanzar hacia soluciones integradas que combinan el fotodiodo, el amplificador y, a veces, incluso el controlador del LED y la lógica digital en un solo encapsulado o chip (por ejemplo, opto-ASICs).
• Miniaturización:Desarrollo de fotodiodos en encapsulados de montaje superficial más pequeños (por ejemplo, encapsulados a escala de chip) para aplicaciones con espacio limitado como dispositivos móviles.
• Materiales Especializados:Para longitudes de onda más allá del corte del silicio (~1100nm), se utilizan materiales como InGaAs. Sin embargo, el silicio sigue siendo dominante para el espectro visible y de infrarrojo cercano debido a su bajo costo y excelente capacidad de fabricación.
• Rendimiento Mejorado:La investigación en curso se centra en reducir aún más la capacitancia y la corriente de oscuridad para mejorar la velocidad y la sensibilidad, a menudo a través de perfiles de dopado avanzados y estructuras de dispositivos.

El PD438C/S46 representa un componente bien optimizado y específico para la aplicación dentro de este panorama tecnológico más amplio, ofreciendo un equilibrio práctico de rendimiento, tamaño y costo para una amplia gama de tareas de detección IR industriales y de consumo.