Hoja de Datos del Fotodiodo de Silicio PIN PD15-21B/TR8 - Paquete 1206 (1.6x0.8x0.55mm) - Rango Espectral 730-1100nm - Pico 940nm - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El PD15-21B/TR8 es un fotodiodo de Silicio PIN de alto rendimiento encapsulado en un paquete miniatura de montaje superficial (SMD). Este componente está diseñado específicamente para aplicaciones de detección dentro del espectro infrarrojo, ofreciendo una solución compacta y fiable para diseños electrónicos modernos que requieren detección óptica.

1.1 Ventajas Principales y Posicionamiento del Producto

Este dispositivo está diseñado para ofrecer varios beneficios clave esenciales para la detección de precisión. Cuenta con untiempo de respuesta rápido, lo que le permite detectar cambios rápidos en la intensidad de la luz, algo crítico para aplicaciones como conteo, clasificación y detección de posición. Laalta sensibilidad fotoeléctricagarantiza una detección de señal fiable incluso en condiciones de baja iluminación. Además, lapequeña capacitancia de unióncontribuye a su rendimiento de alta velocidad. El producto se suministra en cinta estándar de la industria de 8 mm en carretes de 7 pulgadas de diámetro, facilitando los procesos de montaje automatizado. Cumple plenamente con las normativas medioambientales, ya que está libre de plomo, cumple con RoHS, cumple con REACH de la UE y está libre de halógenos (con Bromo <900 ppm, Cloro <900 ppm y su suma <1500 ppm).

1.2 Mercado Objetivo y Aplicaciones

Los mercados objetivo principales incluyen la automatización industrial, la electrónica de consumo y los sistemas de seguridad. Su tamaño miniatura y formato SMD lo hacen ideal para aplicaciones con espacio limitado. Los casos de uso típicos incluyen:

• Interruptores Ópticos Miniatura:Utilizados en detección de objetos, detección de papel en impresoras y sensores de ranura.
• Contadores y Clasificadores:Empleados en líneas de montaje para el conteo y clasificación de piezas basados en la detección de presencia/ausencia.
• Sensores de Posición:Utilizados para detección de bordes, conmutación de límite y sistemas de codificadores rotativos.
• Sistemas Aplicados de Infrarrojos:Parte integral de sistemas que utilizan emisores infrarrojos para transmisión de datos, detección de proximidad y detección de luz ambiental.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

Una comprensión exhaustiva de las especificaciones del dispositivo es crucial para un diseño de circuito y una integración del sistema adecuados.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estos valores definen los límites más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No se recomienda operar el dispositivo continuamente en o cerca de estos límites.

• Voltaje Inverso (V_R):32 V. Este es el voltaje máximo que se puede aplicar en polarización inversa a través de los terminales del fotodiodo.
• Temperatura de Operación (T_opr):-25°C a +85°C. El rango de temperatura ambiente para una operación fiable.
• Temperatura de Almacenamiento (T_stg):-40°C a +85°C. El rango de temperatura para el almacenamiento sin operación.
• Temperatura de Soldadura (T_sol):260°C durante un máximo de 5 segundos. Esto define la temperatura máxima del perfil de reflujo.
• Disipación de Potencia (P_d):150 mW a o por debajo de una temperatura ambiente libre de 25°C. Esto limita la potencia eléctrica total que el dispositivo puede manejar de forma segura.

2.2 Características Electro-Ópticas

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

• Ancho de Banda Espectral (λ_0.5):730 nm a 1100 nm. Este es el rango de longitud de onda donde la responsividad del fotodiodo es al menos la mitad de su valor pico. Indica sensibilidad a la luz infrarroja cercana.
• Longitud de Onda de Sensibilidad Pico (λ_P):940 nm (típico). El dispositivo está emparejado espectralmente con diodos emisores de infrarrojos (IREDs) comunes que operan en esta longitud de onda, maximizando la eficiencia del sistema.
• Corriente de Cortocircuito (I_SC):0.8 μA (típico) bajo una irradiancia (E_e) de 1 mW/cm² a 940 nm. Esta es la fotocorriente generada cuando el fotodiodo opera en modo fotovoltaico (polarización cero).
• Corriente Luminosa Inversa (I_L):0.2 μA (mín) a 0.8 μA (típico) bajo una irradiancia de 1 mW/cm² a 940 nm con un voltaje de polarización inversa (V_R) de 5V. Este parámetro es relevante para la operación en modo fotoconductivo, donde se aplica una polarización inversa externa para mejorar la velocidad y la linealidad.
• Corriente de Oscuridad (I_D):10 nA (máx) con V_R=10V en completa oscuridad (E_e=0). Esta es la pequeña corriente de fuga que fluye incluso cuando no hay luz presente. Una corriente de oscuridad baja es esencial para una buena relación señal-ruido, especialmente en aplicaciones con poca luz.
• Voltaje de Ruptura Inversa (BV_R):32 V (mín), 170 V (típico) medido a una corriente inversa de 100 μA. Esto indica un voltaje de ruptura muy alto, proporcionando un amplio margen de operación por debajo del valor máximo absoluto de 32V.

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.

3.1 Reducción de Potencia

Fig.1: Disipación de Potencia vs. Temperatura Ambientemuestra cómo la disipación de potencia máxima permitida disminuye a medida que la temperatura ambiente aumenta por encima de 25°C. Los diseñadores deben reducir la potencia en consecuencia para evitar sobreesfuerzo térmico.

3.2 Respuesta Espectral

Fig.2: Sensibilidad Espectralrepresenta gráficamente la responsividad relativa del fotodiodo a través del espectro de luz, confirmando su pico a 940 nm y el ancho de banda definido de 730-1100 nm.

3.3 Dependencia de la Temperatura

Fig.3: Corriente de Oscuridad vs. Temperatura Ambienteilustra que la corriente de oscuridad aproximadamente se duplica por cada aumento de 10°C en la temperatura. Este es un comportamiento fundamental de los semiconductores y debe considerarse en aplicaciones de alta temperatura o de precisión.Fig.4: Corriente Luminosa Inversa vs. Irradiancia (E_e)demuestra la relación lineal entre la potencia de la luz incidente y la fotocorriente generada, una característica clave de los fotodiodos PIN.

3.4 Respuesta Angular

Fig.5: Intensidad Radiante Relativa vs. Desplazamiento Angularmuestra la sensibilidad direccional del dispositivo. El encapsulado de epoxi negro con una lente esférica proporciona un ángulo de visión específico, lo que influye en cómo se debe alinear el fotodiodo con una fuente de luz en el diseño del sistema.

4. Información Mecánica y del Paquete

4.1 Dimensiones del Paquete

El dispositivo se ajusta a la huella estándar SMD 1206 (3216 métrico): aproximadamente 1.6 mm de longitud, 0.8 mm de ancho y 0.55 mm de altura (excluyendo la cúpula de la lente). Se proporcionan dibujos dimensionales detallados con tolerancias de ±0.1 mm para el diseño del patrón de pistas de la PCB. Se da un diseño de almohadilla sugerido como referencia, pero se recomienda a los diseñadores que lo modifiquen según su proceso específico de fabricación de PCB y sus requisitos térmicos.

4.2 Identificación de Polaridad

El fotodiodo está moldeado en epoxi negro. El terminal del cátodo suele estar marcado o identificado en el dibujo de contorno del paquete. La conexión de polaridad correcta es esencial para el funcionamiento adecuado en modo de polarización inversa (fotoconductivo).

5. Directrices de Soldadura y Montaje

El manejo adecuado es crítico para mantener la fiabilidad y el rendimiento del dispositivo.

5.1 Almacenamiento y Sensibilidad a la Humedad

El dispositivo es sensible a la humedad. La bolsa barrera de humedad no debe abrirse hasta que esté listo para su uso. Después de abrirla, la "vida útil en planta" es de 168 horas (7 días) cuando se almacena a 10-30°C y ≤60% HR. Los dispositivos no utilizados deben volver a embolsarse con desecante. Si se excede la vida útil en planta o el desecante indica absorción de humedad, se requiere un horneado a 60°C ±5°C y <5% HR durante 96 horas antes de su uso.

5.2 Soldadura por Reflujo

Se recomienda un perfil de temperatura de soldadura sin plomo, con una temperatura máxima de 260°C durante un máximo de 5 segundos. La soldadura por reflujo no debe realizarse más de dos veces. Debe evitarse el estrés en el cuerpo del componente durante el calentamiento y el alabeo de la PCB después de la soldadura.

5.3 Soldadura Manual y Retrabajo

Si es necesaria la soldadura manual, utilice un soldador con una temperatura de punta inferior a 350°C y una capacidad de 25W o menos. El tiempo de contacto por terminal debe ser inferior a 3 segundos, con intervalos de más de 2 segundos entre la soldadura de cada terminal. Se desaconseja encarecidamente el retrabajo. Si es inevitable, debe utilizarse un soldador de doble punta especializado para calentar ambos terminales simultáneamente, y el efecto en las características del dispositivo debe verificarse de antemano.

6. Información de Embalaje y Pedido

6.1 Especificaciones de Cinta y Carrete

El producto se suministra en cinta portadora en relieve de 8 mm de ancho en carretes de 7 pulgadas (178 mm) de diámetro. Cada carrete contiene 2000 piezas. Se proporcionan las dimensiones detalladas de la cinta portadora y del carrete para garantizar la compatibilidad con los equipos automatizados de pick-and-place.

6.2 Especificación de la Etiqueta

La etiqueta del carrete incluye información estándar como el Número de Parte del Cliente (CPN), el Número de Parte del Fabricante (P/N), el Número de Lote, la Cantidad, la Longitud de Onda Pico (HUE), las Categorías (CAT), la Referencia (REF), el Nivel de Sensibilidad a la Humedad (MSL-X) y el País de Fabricación.

7. Consideraciones de Diseño de Aplicación

7.1 Protección del Circuito

Nota Crítica:La hoja de datos advierte explícitamente que sedebeutilizar una resistencia limitadora de corriente externa en serie con el fotodiodo. Sin esta resistencia, un ligero cambio de voltaje puede causar un gran cambio de corriente, lo que podría llevar a la quema inmediata del dispositivo. El valor de la resistencia debe calcularse en función del voltaje de alimentación y la fotocorriente máxima esperada.

7.2 Modos de Polarización

El fotodiodo puede utilizarse en dos modos principales:

1. Modo Fotovoltaico (Polarización Cero):El fotodiodo genera un voltaje/corriente cuando está iluminado, sin aplicar polarización externa. Este modo ofrece una corriente de oscuridad y ruido muy bajos, pero tiene tiempos de respuesta más lentos.
2. Modo Fotoconductivo (Polarización Inversa):Se aplica un voltaje inverso externo (por ejemplo, 5V como en la condición de prueba). Esto amplía la región de agotamiento, reduciendo la capacitancia de unión y, por lo tanto, aumentando la velocidad y el ancho de banda. También mejora la linealidad pero aumenta la corriente de oscuridad.

La elección depende del requisito de la aplicación en cuanto a velocidad frente a rendimiento de ruido.

7.3 Interfaz con Amplificadores

Para amplificar la pequeña fotocorriente (rango de μA), se utiliza comúnmente un circuito de amplificador de transimpedancia (TIA). Este circuito convierte la corriente del fotodiodo en un voltaje de salida proporcional. Las consideraciones clave de diseño para el TIA incluyen seleccionar un amplificador operacional con baja corriente de polarización de entrada y bajo ruido, y calcular la resistencia y el condensador de realimentación para la ganancia y el ancho de banda deseados manteniendo la estabilidad.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los fototransistores, este fotodiodo de Silicio PIN ofrece una velocidad y linealidad superiores debido a su región intrínseca, que reduce la capacitancia. Su respuesta depende puramente de la luz incidente, a diferencia de un fototransistor que tiene ganancia de corriente y puede ser más lento y menos lineal. En comparación con otros fotodiodos, su paquete 1206 ofrece un buen equilibrio entre miniaturización y facilidad de manejo/montaje, mientras que su alto voltaje de ruptura y su emparejamiento espectral específico con IREDs de 940nm son ventajas distintivas para aplicaciones específicas de detección infrarroja.

9. Preguntas Frecuentes (FAQ)

9.1 ¿Cuál es la diferencia entre I_SCe I_L?

I_SC(Corriente de Cortocircuito) se mide con cero voltios a través del diodo (modo fotovoltaico). I_L(Corriente Luminosa Inversa) se mide con un voltaje de polarización inversa aplicado (modo fotoconductivo). I_Les típicamente muy cercana a I_SCpara fotodiodos PIN.

9.2 ¿Por qué es obligatoria una resistencia en serie?

Un fotodiodo, cuando está iluminado, actúa esencialmente como una fuente de corriente. Si se conecta directamente a una fuente de voltaje sin una resistencia en serie, no hay ningún mecanismo para limitar la corriente, lo que lleva a una disipación de potencia excesiva y a un fallo instantáneo.

9.3 ¿Cómo selecciono el voltaje inverso de operación?

Para el modo fotoconductivo, se puede utilizar un voltaje inverso entre 5V y un valor seguro por debajo del valor máximo de 32V. Una polarización inversa más alta reduce aún más la capacitancia (aumentando la velocidad) pero también aumenta ligeramente la corriente de oscuridad. Un punto de operación común es 5V o 12V.

10. Estudio de Caso de Diseño y Uso

Caso: Conteo de Objetos en una Cinta Transportadora

Un LED infrarrojo (940nm) se coloca en un lado de la cinta transportadora, y el fotodiodo PD15-21B/TR8 se coloca directamente enfrente. Los objetos que pasan entre ellos interrumpen el haz infrarrojo. El fotodiodo opera en modo fotoconductivo con una polarización inversa de 5V suministrada a través de una resistencia en serie de 10kΩ para protección. La caída de voltaje a través de una resistencia de carga (o la salida de un amplificador de transimpedancia conectado al fotodiodo) es monitoreada por un microcontrolador. Una caída repentina en este voltaje indica la presencia de un objeto, activando un conteo. El tiempo de respuesta rápido del fotodiodo permite un conteo preciso de objetos que se mueven a alta velocidad. El pequeño paquete 1206 facilita la integración en una cabeza de sensor compacta.

11. Principio de Funcionamiento

Un fotodiodo PIN es un dispositivo semiconductor con una región intrínseca (I) ancha y ligeramente dopada intercalada entre regiones de tipo P y tipo N. Cuando los fotones con energía mayor que el bandgap del semiconductor golpean el dispositivo, crean pares electrón-hueco en la región intrínseca. Bajo la influencia del campo eléctrico incorporado (o una polarización inversa aplicada externamente), estos portadores de carga se separan, generando una fotocorriente que es proporcional a la intensidad de la luz incidente. La región intrínseca reduce la capacitancia de unión, permitiendo tiempos de respuesta más rápidos en comparación con los fotodiodos PN estándar.

12. Tendencias de la Industria

La tendencia en la optoelectrónica continúa hacia una mayor miniaturización, mayor integración y un rendimiento mejorado. Existe una creciente demanda de sensores en electrónica de consumo (teléfonos inteligentes, wearables), automoción (LiDAR, monitorización del conductor) e IoT industrial. Fotodiodos como el PD15-21B/TR8, que ofrecen un equilibrio entre rendimiento, tamaño y costo, están bien posicionados para estos mercados. Los desarrollos futuros pueden incluir fotodiodos integrados con amplificación en chip e interfaces digitales, así como dispositivos sensibles a longitudes de onda específicas para aplicaciones de análisis espectral.

Descargo de responsabilidad: La información proporcionada en este documento es para referencia técnica. Los diseñadores deben verificar todos los parámetros y asegurarse de que su aplicación opere dentro de los valores máximos absolutos especificados. El rendimiento puede variar según las condiciones de operación.