Hoja de Datos del Fotodiodo de Silicio PIN PD438B/S46 - Semilente de 4.8mm - Carcasa Negra - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El PD438B/S46 es un fotodiodo de silicio PIN de alto rendimiento diseñado para aplicaciones que requieren respuesta rápida y alta sensibilidad. Se aloja en una carcasa plástica cilíndrica compacta de vista lateral con un semilente de 4.8mm. Una característica clave de este dispositivo es su resina de encapsulado, formulada para actuar como un filtro infrarrojo (IR) integrado. Este filtro está emparejado espectralmente con emisores IR comunes, mejorando su rendimiento en aplicaciones de detección IR al reducir la sensibilidad a la luz visible no deseada.

Las ventajas principales de este fotodiodo incluyen sus tiempos de respuesta rápidos, críticos para aplicaciones de transmisión de datos de alta velocidad y conmutación, y su alta fotosensibilidad, que le permite detectar niveles de luz bajos de manera efectiva. Su pequeña capacitancia de unión contribuye a la respuesta rápida y lo hace adecuado para circuitos de alta frecuencia. El dispositivo está construido con materiales libres de plomo y cumple con regulaciones ambientales relevantes como RoHS y REACH de la UE, lo que lo hace apto para productos con estrictos requisitos de cumplimiento ambiental.

Los mercados y aplicaciones principales para el PD438B/S46 están en la electrónica de consumo, la automatización industrial y los sistemas de comunicación. Sus especificaciones lo convierten en un componente ideal para diseñadores que trabajan en enlaces de datos ópticos de alta velocidad, sistemas de detección de presencia y equipos de medición de luz de precisión.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

El dispositivo está clasificado para soportar una tensión inversa máxima (VR) de 32V. La disipación de potencia máxima (Pd) es de 150 mW, lo que define los límites térmicos de operación. Los terminales pueden soldarse a una temperatura de hasta 260°C durante un tiempo no superior a 5 segundos, lo que es compatible con los procesos estándar de soldadura por reflujo. El rango de temperatura de operación se especifica de -40°C a +85°C, y puede almacenarse en entornos de -40°C a +100°C. Estas clasificaciones garantizan un rendimiento fiable en una amplia variedad de condiciones ambientales.

2.2 Características Electro-Ópticas

La respuesta espectral del fotodiodo está definida por su rango de ancho de banda espectral (λ0.5), que abarca desde 840 nm hasta 1100 nm. La longitud de onda de sensibilidad máxima (λp) está en 940 nm, situándolo directamente en la región del infrarrojo cercano, comúnmente utilizada para mandos a distancia, sensores ópticos y comunicación por espacio libre.

Bajo una irradiancia de 5 mW/cm² a 940 nm, la tensión de circuito abierto típica (VOC) es de 0.35V. La corriente de cortocircuito (ISC), medida a 1 mW/cm² y 940 nm, es típicamente de 18 µA. Este parámetro es una medida directa de la capacidad del dispositivo para generar corriente bajo iluminación.

La corriente luminosa inversa (IL) es la fotocorriente generada cuando el diodo está polarizado en inversa. A VR=5V y Ee=1 mW/cm² (λp=940nm), el valor típico es de 18 µA, con un valor mínimo garantizado de 10.2 µA. La corriente de oscuridad (Id), que es la corriente de fuga sin iluminación a VR=10V, es típicamente de 5 nA con un máximo de 30 nA. Una corriente de oscuridad baja es esencial para lograr una buena relación señal-ruido, especialmente en escenarios de detección de poca luz.

La tensión de ruptura inversa (BVR) se especifica con un mínimo de 32V cuando circula una corriente de 100 µA, con un valor típico tan alto como 170V. La capacitancia total de terminal (Ct) a VR=5V y 1 MHz es típicamente de 18 pF. Esta baja capacitancia es un factor clave que permite los tiempos de subida y bajada rápidos. Los tiempos de subida y bajada (tr/tf) son típicamente de 50 nanosegundos cuando el dispositivo opera a VR=10V con una resistencia de carga (RL) de 1 kΩ.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que ofrecen una visión más profunda del comportamiento del dispositivo bajo condiciones variables.

Figura 1: Disipación de Potencia vs. Temperatura AmbienteIlustra la reducción de la disipación de potencia máxima permitida a medida que aumenta la temperatura ambiente. Este gráfico es crucial para el diseño de gestión térmica para evitar sobrecalentamiento y garantizar la fiabilidad a largo plazo.

Figura 2: Sensibilidad EspectralMuestra la responsividad relativa del fotodiodo a lo largo del espectro de longitudes de onda desde aproximadamente 600 nm hasta 1200 nm. La curva alcanza su máximo en 940 nm y muestra la acción de filtrado efectiva de la resina del encapsulado, que atenúa la respuesta fuera de la banda IR objetivo.

Figura 3: Corriente de Oscuridad vs. Temperatura AmbienteDemuestra cómo la corriente de fuga (Id) aumenta exponencialmente con la temperatura. Esta relación es vital para aplicaciones que operan a temperaturas elevadas, ya que define el nivel de ruido base del sensor.

Figura 4: Corriente Luminosa Inversa vs. Irradiancia (Ee)Representa la relación lineal entre la fotocorriente generada y la densidad de potencia de la luz incidente. Esta linealidad es una propiedad fundamental de los fotodiodos PIN y es esencial para aplicaciones de medición de luz analógica.

Figura 5: Capacitancia de Terminal vs. Tensión InversaMuestra que la capacitancia de unión disminuye al aumentar la tensión de polarización inversa. Los diseñadores pueden usar esta relación para optimizar la velocidad de su circuito seleccionando un punto de polarización apropiado.

Figura 6: Tiempo de Respuesta vs. Resistencia de CargaIndica cómo el tiempo de subida/bajada de la señal de salida del fotodiodo se ve afectado por la resistencia de carga conectada. Se logra una respuesta más rápida con resistencias de carga más bajas, aunque esto puede comprometer la amplitud de la tensión de salida.

4. Información Mecánica y de Empaquetado

4.1 Dimensiones de la Carcasa

El PD438B/S46 viene en una carcasa cilíndrica de vista lateral. Las dimensiones clave incluyen un diámetro del cuerpo y una altura del semilente como se define en el dibujo de la carcasa. Todas las tolerancias no especificadas para dimensiones lineales son de ±0.25mm. La carcasa es de color negro, lo que ayuda a reducir la interferencia de luz parásita. La configuración de vista lateral permite detectar luz desde una dirección paralela al plano de la PCB, lo que es útil en aplicaciones como detección de papel en impresoras o detección de bordes.

4.2 Identificación de Polaridad

El cátodo se identifica típicamente por un terminal más largo, una muesca o un punto plano en el cuerpo de la carcasa. Se debe observar la polaridad correcta durante el montaje, ya que la polarización inversa es la condición operativa estándar para los fotodiodos utilizados en modo fotoconductivo.

5. Guías de Soldadura y Montaje

El dispositivo es adecuado para procesos de soldadura por ola y soldadura por reflujo. El límite absoluto máximo para la temperatura de soldadura de los terminales es de 260°C, con la nota de que el tiempo de soldadura no debe exceder los 5 segundos. Se recomienda seguir las guías IPC estándar para soldar componentes electrónicos. El dispositivo debe almacenarse en un entorno seco y antiestático dentro de su rango de temperatura de almacenamiento especificado de -40°C a +100°C para prevenir la absorción de humedad y daños por electricidad estática.

6. Información de Empaquetado y Pedido

La especificación de embalaje estándar es la siguiente: de 200 a 500 piezas se empaquetan en una bolsa barrera de humedad. Seis de estas bolsas se colocan en un cartón interior. Diez cartones interiores se empaquetan luego en un cartón maestro de envío. La etiqueta en el embalaje incluye campos para el número de pieza del cliente (CPN), el número de pieza del fabricante (P/N), la cantidad de embalaje (QTY) y el número de lote (LOT No.). Otros campos como CAT, HUE y REF, comunes en los LED para denotar intensidad, longitud de onda y clasificación de tensión, no son aplicables para este fotodiodo ya que no se clasifica de la misma manera; estos campos pueden dejarse en blanco o usarse para otra información de trazabilidad.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Detección Fotoeléctrica de Alta Velocidad:Ideal para codificadores ópticos, comunicación de datos sobre fibra óptica de plástico (POF) y detección de haz láser donde se requiere respuesta en nanosegundos.
• Aplicaciones en Cámaras:Puede usarse para detección de luz ambiental (ALS) o detección de proximidad por IR en teléfonos inteligentes, tabletas y cámaras digitales. El filtro IR incorporado ayuda a medir con precisión los niveles de IR.
• Interruptores Optoelectrónicos:Adecuado para detección de objetos, conteo y detección de posición en máquinas expendedoras, automatización industrial y sistemas de seguridad.
• Electrónica de Consumo:Utilizado en videograbadoras y videocámaras para detección de fin de cinta o recepción de señales de control.

7.2 Consideraciones de Diseño

Al diseñar un circuito con el PD438B/S46, considere lo siguiente:

• Tensión de Polarización:Se aplica una tensión de polarización inversa (típicamente de 5V a 10V según las condiciones de la hoja de datos) para ampliar la región de agotamiento, reduciendo la capacitancia y mejorando la velocidad. Asegúrese de que la tensión no exceda el límite máximo de 32V.
• Resistencia de Carga (RL):El valor de RL en la configuración de transimpedancia afecta directamente al ancho de banda y a la tensión de salida. Una RL más pequeña da una respuesta más rápida pero una señal de salida más baja. La Figura 6 de la hoja de datos es una referencia clave.
• Amplificación:La fotocorriente es pequeña (microamperios). Casi siempre se utiliza un amplificador de transimpedancia (TIA) para convertir esta corriente en una señal de tensión utilizable. Elija un amplificador operacional con baja corriente de polarización de entrada y ancho de banda suficiente.
• Reducción de Ruido:Proteja el fotodiodo y sus trazas de conexión del ruido eléctrico. Use un condensador de desacoplo cerca de los pines de alimentación del dispositivo si se utiliza un circuito de polarización activo. La baja corriente de oscuridad ayuda a mantener una buena relación señal-ruido.
• Consideraciones Ópticas:Asegúrese de que la lente esté limpia y despejada. La carcasa de vista lateral puede requerir un diseño mecánico cuidadoso para alinear correctamente la trayectoria de la luz.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los fotodiodos PN estándar, la estructura PIN del PD438B/S46 ofrece ventajas distintivas. La región intrínseca (I) entre las capas P y N crea una región de agotamiento más grande. Esto resulta en dos beneficios principales:1) Capacitancia de Unión Más Baja:La región de agotamiento más grande actúa como un dieléctrico más ancho, reduciendo significativamente la capacitancia (típicamente 18 pF), lo que es el principal habilitador para la operación de alta velocidad.2) Mejor Linealidad y Sensibilidad:La amplia región intrínseca permite una recolección más eficiente de portadores fotogenerados en un volumen más amplio, lo que conduce a una mejor linealidad entre la fotocorriente y la irradiancia y potencialmente a una mayor eficiencia cuántica en su longitud de onda máxima.

Además, la integración de una resina filtro IR directamente en el encapsulado es una característica diferenciadora. Elimina la necesidad de un filtro IR externo separado, ahorrando espacio, reduciendo costos y simplificando el montaje. Esto lo hace particularmente ventajoso para diseños compactos de electrónica de consumo.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es la diferencia entre la corriente de cortocircuito (ISC) y la corriente luminosa inversa (IL)?

R: ISC se mide con cero voltios a través del diodo (condición de cortocircuito). IL se mide cuando el diodo está polarizado en inversa (por ejemplo, a VR=5V). En la práctica, para un fotodiodo PIN, estos valores son muy similares porque la fotocorriente es en gran medida independiente de la tensión de polarización inversa en el rango operativo normal.

P: ¿Por qué se especifica el tiempo de subida/bajada con una carga de 1 kΩ?

R: La carga de 1 kΩ representa una condición de carga común para pruebas y circuitos simples. El tiempo de respuesta real en su aplicación dependerá de la resistencia de carga específica de su circuito y las capacitancias parásitas, como se muestra en la Figura 6.

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

R: Si bien el material de silicio en sí es sensible a la luz visible (como se ve en la curva espectral que se extiende hasta ~600nm), la carcasa de resina negra actúa como un filtro fuerte. Su sensibilidad en el espectro visible estará muy atenuada en comparación con su máximo en 940 nm. Está diseñado principalmente para aplicaciones de infrarrojo cercano.

P: ¿Cómo interpreto los valores "Típ." en la tabla de características?

R: "Típ." significa valor típico, que es el promedio esperado bajo condiciones especificadas. No está garantizado. Para fines de diseño, especialmente para parámetros críticos, debe usar los valores "Mín." o "Máx." para asegurar que su circuito funcione correctamente en todas las variaciones y condiciones de producción.

10. Ejemplos Prácticos de Diseño y Uso

Ejemplo 1: Interruptor Simple de Detección de Objetos

Se puede construir un interruptor optoelectrónico básico emparejando el PD438B/S46 con un LED IR (por ejemplo, que emita a 940 nm). El fotodiodo se conecta en polarización inversa con una resistencia de pull-up a Vcc (por ejemplo, 5V). El nodo de salida entre la resistencia y el cátodo del fotodiodo se envía a un comparador o a un pin de entrada digital de un microcontrolador. Cuando un objeto interrumpe el haz IR entre el LED y el fotodiodo, la fotocorriente cae, haciendo que la tensión en el nodo de salida aumente, activando la señal de detección. El tiempo de respuesta rápido permite detectar objetos en movimiento rápido.

Ejemplo 2: Sensor de Luz Ambiental con Microcontrolador

Para la medición analógica del nivel de luz, el fotodiodo puede conectarse a un amplificador de transimpedancia. La tensión de salida del TIA, que es proporcional a la intensidad de la luz IR incidente, se envía luego a una entrada de convertidor analógico-digital (ADC) de un microcontrolador. El MCU puede usar esta lectura para ajustar automáticamente el brillo de una pantalla o para determinar si hay una señal de control remoto IR presente. El filtro IR integrado ayuda a garantizar que la lectura sea específica del componente IR de la luz ambiental.

11. Introducción al Principio de Funcionamiento

Un fotodiodo PIN es un dispositivo semiconductor que convierte la luz en corriente eléctrica. Consiste en una capa de material semiconductor intrínseco (no dopado o ligeramente dopado) (la región "I") intercalada entre una capa de tipo P y una capa de tipo N. Cuando fotones con energía mayor que el bandgap del semiconductor (para el silicio, luz con longitud de onda menor a ~1100 nm) golpean el dispositivo, pueden crear pares electrón-hueco en la región intrínseca. Cuando se aplica una tensión de polarización inversa, crea un fuerte campo eléctrico a través de la región intrínseca. Este campo barre rápidamente los portadores fotogenerados hacia los terminales respectivos (electrones hacia el lado N y huecos hacia el lado P), generando una fotocorriente medible en el circuito externo. El ancho de la región intrínseca es clave: permite una generación y recolección eficiente de portadores mientras mantiene baja la capacitancia del dispositivo.

12. Tendencias y Contexto Tecnológico

Los fotodiodos de silicio PIN como el PD438B/S46 representan una tecnología madura y altamente fiable. Las tendencias actuales en este campo se centran en varias áreas:Miniaturización:Desarrollo de huellas de encapsulado más pequeñas (por ejemplo, encapsulados a escala de chip) para aplicaciones con espacio limitado como dispositivos portátiles y teléfonos móviles.Integración:Combinar el fotodiodo con circuitos de amplificación, digitalización y procesamiento de señales en un solo chip para crear sensores ópticos inteligentes.Rendimiento Mejorado:Investigación en estructuras como fotodiodos de avalancha (APDs) para aplicaciones que requieren sensibilidad extrema, aunque estos son más complejos y costosos.Nuevos Materiales:Exploración de materiales como germanio o compuestos III-V (por ejemplo, InGaAs) para detección en longitudes de onda infrarrojas más largas, que no son accesibles con silicio estándar. Para aplicaciones principales de infrarrojo cercano hasta 1100 nm, el silicio sigue siendo el material dominante y rentable de elección debido a su excelente capacidad de fabricación y rendimiento.