Hoja de Datos Técnica del Fotodiodo de Silicio PIN Subminiatura Redondo de 1.8mm PD42-21B/TR8 - Diámetro 1.8mm - Lente Negro - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El PD42-21B/TR8 es un fotodiodo de silicio PIN de alta velocidad y alta sensibilidad diseñado para aplicaciones de detección infrarroja. Alojado en un encapsulado SMD (dispositivo de montaje superficial) de vista superior esférico y miniatura de 1.8mm de diámetro con molde de plástico negro, este componente está optimizado espectralmente para coincidir con los diodos emisores de infrarrojos comunes. Su función principal es convertir la luz incidente, particularmente en el espectro infrarrojo, en una corriente eléctrica.

Las ventajas principales del dispositivo derivan de su tiempo de respuesta rápido, alta fotosensibilidad y pequeña capacitancia de unión, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren detección de luz rápida y fiable. Se suministra en formato de cinta y carrete compatible con procesos de ensamblaje automatizados, cumpliendo con los estándares ambientales modernos al ser sin plomo (Pb-free), compatible con RoHS, compatible con REACH de la UE y libre de halógenos.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen las condiciones más allá de las cuales puede ocurrir daño permanente en el dispositivo. No se garantiza el funcionamiento bajo estas condiciones.

• Voltaje Inverso (VR):32 V - El voltaje máximo que se puede aplicar en polarización inversa a través de los terminales del fotodiodo.
• Temperatura de Operación (Topr):-25°C a +85°C - El rango de temperatura ambiente para el funcionamiento normal del dispositivo.
• Temperatura de Almacenamiento (Tstg):-40°C a +85°C - El rango de temperatura para almacenamiento sin operación.
• Temperatura de Soldadura (Tsol):260°C durante un máximo de 5 segundos - El límite de temperatura máxima durante la soldadura por reflujo.
• Disipación de Potencia (Pd):150 mW a 25°C - La potencia máxima que el dispositivo puede disipar.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros, medidos a 25°C, definen el rendimiento del fotodiodo bajo condiciones de prueba especificadas.

• Ancho de Banda Espectral (λ0.5):730 nm a 1100 nm - El rango de longitudes de onda donde la responsividad del fotodiodo es al menos la mitad de su valor pico. Esto define su ventana de sensibilidad.
• Longitud de Onda de Sensibilidad Pico (λP):940 nm (Típico) - La longitud de onda de la luz a la que el fotodiodo es más sensible. Esto lo alinea con los LED IR comunes de 940nm.
• Voltaje de Circuito Abierto (VOC):0.42 V (Típico) a Ee=5 mW/cm², λP=940nm - El voltaje generado a través de los terminales del fotodiodo bajo iluminación cuando no se extrae corriente (circuito abierto).
• Corriente de Cortocircuito (ISC):4.0 μA (Típico) a Ee=1 mW/cm², λP=875nm - La corriente que fluye a través del fotodiodo cuando sus terminales están en cortocircuito bajo iluminación.
• Corriente de Luz Inversa (IL):4.0 μA (Típico) a Ee=1 mW/cm², λP=875nm, VR=5V - La fotocorriente generada cuando el dispositivo está polarizado inversamente. Este es el parámetro operativo principal para la mayoría de los circuitos de detección.
• Corriente de Oscuridad (ID):10 nA (Máx) a VR=10V - La pequeña corriente de fuga inversa que fluye cuando el dispositivo está en completa oscuridad. Valores más bajos indican una mejor relación señal-ruido.
• Voltaje de Ruptura Inversa (VBR):32 V (Mín), 170 V (Típ) a IR=100μA - El voltaje al cual la corriente inversa aumenta bruscamente. Operar cerca o por encima de este voltaje puede causar daños.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos incluye curvas características típicas que proporcionan una visión visual del comportamiento del dispositivo más allá de las especificaciones de un solo punto.

3.1 Sensibilidad Espectral (Fig. 1)

Esta curva grafica la responsividad relativa del fotodiodo frente a la longitud de onda de la luz incidente. Confirma gráficamente el ancho de banda espectral y la sensibilidad pico a 940nm. La curva muestra un aumento brusco en la sensibilidad desde alrededor de 700nm, alcanzando un pico a 940nm, y luego disminuyendo gradualmente hacia 1100nm. Esta forma es característica de los fotodetectores basados en silicio.

3.2 Corriente de Luz Inversa vs. Irradiancia (Fig. 2)

Este gráfico ilustra la relación entre la fotocorriente generada (IL) y la densidad de potencia de la luz incidente (Ee). Para un fotodiodo PIN que opera en modo fotoconductivo (polarizado inversamente), esta relación es típicamente lineal en un amplio rango. Esta linealidad es crucial para aplicaciones de detección de luz analógica donde la señal de salida debe ser directamente proporcional a la intensidad de la luz.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Dimensiones del Encapsulado

El PD42-21B/TR8 es un dispositivo subminiatura redondo con un diámetro de cuerpo de 1.8mm. El dibujo mecánico detallado proporciona todas las dimensiones críticas, incluida la altura total, la forma de la lente, el espaciado de los terminales y las recomendaciones de las almohadillas. El diseño sugerido de las almohadillas es de referencia; los diseñadores deben ajustarlo según sus reglas de diseño de PCB específicas y los requisitos térmicos/mecánicos. Todas las tolerancias dimensionales son típicamente ±0.1mm a menos que se especifique lo contrario.

4.2 Identificación de Polaridad

El dispositivo tiene dos terminales. La conexión correcta de la polaridad es esencial para el funcionamiento adecuado en un circuito de polarización inversa. El dibujo de la hoja de datos indica el cátodo y el ánodo. Típicamente, el terminal más largo o una marca específica en el encapsulado denota el cátodo. Conectar el cátodo a un voltaje más positivo (en polarización inversa) es la condición operativa estándar.

4.3 Especificación del Empaquetado

El componente se suministra en cinta portadora con relieve en carretes de 7 pulgadas de diámetro. Las dimensiones de la cinta (tamaño del bolsillo, paso, etc.) están especificadas para garantizar la compatibilidad con el equipo estándar de colocación SMD pick-and-place. Cada carrete contiene 1000 piezas, que es una cantidad común para la producción de volumen medio.

5. Directrices de Soldadura y Ensamblaje

5.1 Perfil de Soldadura por Reflujo

El dispositivo es adecuado para procesos de soldadura por reflujo sin plomo (Pb-free). La temperatura máxima pico no debe exceder los 260°C, y el tiempo por encima de 260°C debe ser limitado. El número total de ciclos de reflujo no debe exceder dos para evitar daños por estrés térmico al encapsulado de plástico y a la unión interna del chip.

5.2 Soldadura Manual

Si es necesaria la soldadura manual, se debe tener extremo cuidado. La temperatura de la punta del soldador debe estar por debajo de 350°C, y el tiempo de contacto por terminal debe limitarse a 3 segundos o menos. Se recomienda un soldador de baja potencia (≤25W). Se debe permitir un intervalo de enfriamiento entre la soldadura de cada terminal para evitar el sobrecalentamiento localizado.

5.3 Rework y Reparación

Se desaconseja firmemente el rework después de la soldadura inicial. Si es inevitable, se debe usar un soldador de doble punta especializado para calentar ambos terminales simultáneamente, permitiendo una extracción segura sin aplicar un estrés mecánico excesivo. El impacto potencial en el rendimiento del dispositivo debido al rework debe evaluarse de antemano.

6. Precauciones de Almacenamiento y Manipulación

• Sensibilidad a la Humedad:El dispositivo es sensible a la humedad. La bolsa no debe abrirse hasta que esté listo para su uso. El almacenamiento de pre-acondicionamiento debe ser a ≤30°C y ≤90% HR.
• Vida Útil en Planta:Después de abrir la bolsa barrera de humedad, los componentes deben usarse dentro de las 168 horas (7 días) si se almacenan a ≤30°C y ≤60% HR.
• Horneado:Si se excede el tiempo de almacenamiento o el desecante indica alta humedad, se requiere un tratamiento de horneado a 60±5°C durante 24 horas para eliminar la humedad absorbida y prevenir el \"efecto palomita\" durante el reflujo.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La aplicación principal es como fotodetector de alta velocidad. En un circuito típico, el fotodiodo se polariza inversamente con un voltaje por debajo de su límite máximo (por ejemplo, 5V como en la condición de prueba). La fotocorriente (IL) fluye a través de una resistencia de carga (RL). La caída de voltaje a través de RL, que es proporcional a la intensidad de la luz, luego se amplifica mediante un amplificador de transimpedancia (TIA) o un amplificador de voltaje posterior. El tiempo de respuesta rápido lo hace adecuado para la detección de luz pulsada y la comunicación de datos.

7.2 Consideraciones de Diseño

• Voltaje de Polarización:Se recomienda un voltaje de polarización inversa (por ejemplo, 5V) para una velocidad y linealidad óptimas. Una polarización más alta puede reducir aún más la capacitancia de unión, aumentando el ancho de banda, pero debe mantenerse por debajo de V_R.
• Limitación/Protección de Corriente:Como se señala en las precauciones, el fotodiodo en sí no limita la corriente. En circuitos donde podría estar expuesto a luz de alta intensidad o conectado incorrectamente, puede ser necesaria una resistencia en serie para evitar una corriente excesiva que pueda dañar la unión.
• Diseño Óptico:La lente negra ayuda a reducir la sensibilidad a la luz parásita. Para un rendimiento óptimo, el fotodiodo debe emparejarse con una fuente de IR (como un LED de 850nm o 940nm) y potencialmente con un filtro óptico para bloquear la luz ambiental no deseada, especialmente la luz visible que también puede detectar en cierta medida.

7.3 Escenarios de Aplicación

• Detección Fotoeléctrica de Alta Velocidad:Adecuado para sistemas de barrera de luz, conteo de objetos y codificadores donde es necesario detectar transiciones rápidas de encendido/apagado de la luz.
• Fotocopiadoras y Escáneres:Puede usarse como sensor para detectar la presencia de documentos, atasco de papel o como parte de la matriz de detección de imágenes en sensores de imagen por contacto (CIS).
• Máquinas de Juego y Electrónica de Consumo:Utilizado en receptores de control remoto por IR, sensores de proximidad y sistemas de reconocimiento de gestos.
• Sistemas Aplicados de Infrarrojos:Cualquier sistema que utilice luz infrarroja modulada o pulsada para transmisión de datos, medición de distancia (tiempo de vuelo) o simple detección de presencia.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los fotodiodos PN estándar, la estructura PIN ofrece ventajas clave: una región de agotamiento más ancha (la capa \"I\" o intrínseca) que resulta enmenor capacitancia de unión(permitiendo una respuesta más rápida) y le permite operar eficientemente a voltajes de polarización inversa más bajos. El pequeño encapsulado de 1.8mm lo hace ideal para diseños con espacio limitado. La lente negra proporciona un grado de supresión de luz visible incorporada en comparación con las variantes de lente transparente, lo que es beneficioso en aplicaciones específicas de IR.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es la diferencia entre la corriente de cortocircuito (I_SC) y la corriente de luz inversa (I_L)?

R: I_SCse mide con voltaje cero a través del diodo (modo fotovoltaico). I_Lse mide con una polarización inversa aplicada (modo fotoconductivo). I_Les típicamente el parámetro utilizado en el diseño de circuitos, ya que es más estable y lineal, y la polarización inversa acelera la respuesta.

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

R: La corriente de oscuridad es el ruido de fondo del fotodiodo. En aplicaciones de baja luz, una corriente de oscuridad alta puede enmascarar la pequeña señal de fotocorriente, reduciendo la sensibilidad y la relación señal-ruido. La especificación máxima de 10 nA es bastante baja para un fotodiodo de silicio.

P: ¿Puedo usar esto con una fuente de luz visible?

R: Sí, pero con eficiencia reducida. La curva de respuesta espectral muestra que es sensible desde ~730nm, por lo que detectará bien la luz roja y del infrarrojo cercano. Para un rendimiento óptimo con luz visible (por ejemplo, azul o verde), sería más apropiado un fotodiodo con un pico espectral diferente.

10. Principios de Operación

Un fotodiodo PIN es un dispositivo semiconductor con una región tipo p, una región intrínseca (no dopada) y una región tipo n. Cuando se polariza inversamente, se forma una amplia región de agotamiento principalmente a través de la capa intrínseca. Los fotones incidentes con energía mayor que el bandgap del semiconductor son absorbidos, creando pares electrón-hueco. El fuerte campo eléctrico en la región de agotamiento separa rápidamente estos pares, haciendo que se desplacen hacia los terminales respectivos, generando así una fotocorriente que es proporcional a la intensidad de la luz incidente. La capa intrínseca reduce la capacitancia y permite una recolección eficiente de portadores en un área más amplia, mejorando la velocidad y la eficiencia cuántica.