Fiche technique de la photodiode PIN au silicium PD438B - 4,8 mm de diamètre - Lentille noire - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

Le PD438B est une photodiode PIN au silicium haute performance conçue pour les applications nécessitant une réponse rapide et une sensibilité élevée à la lumière infrarouge. Elle est logée dans un boîtier plastique cylindrique latéral compact d'un diamètre de 4,8 mm. Une caractéristique clé de ce composant est son boîtier en époxy, formulé pour agir comme un filtre infrarouge (IR) intégré. Ce filtre intégré est adapté spectralement aux émetteurs IR courants, améliorant le rapport signal/bruit en laissant passer sélectivement la longueur d'onde IR cible tout en atténuant la lumière visible indésirable.

Les avantages principaux du PD438B incluent ses temps de réponse rapides, sa haute photosensibilité et sa faible capacité de jonction, le rendant adapté aux circuits de détection haute vitesse. Le composant est fabriqué avec des matériaux sans plomb (Pb-free) et est conforme aux réglementations environnementales pertinentes telles que RoHS et REACH de l'UE, garantissant son adéquation pour la fabrication électronique moderne.

Les marchés et applications cibles principaux de cette photodiode sont l'électronique grand public et la détection industrielle. Elle est idéalement adaptée pour être utilisée comme détecteur photo haute vitesse dans des systèmes tels que les appareils photo, les magnétoscopes et les caméras vidéo. Ses caractéristiques en font également un composant fiable dans divers interrupteurs et modules de détection optoélectroniques où la détection précise des signaux IR est critique.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques maximales absolues

Le composant est conçu pour fonctionner de manière fiable dans des limites environnementales et électriques spécifiées. Dépasser ces caractéristiques maximales absolues peut causer des dommages permanents.

• Tension inverse (VR) :32 V. C'est la tension maximale qui peut être appliquée en polarisation inverse aux bornes de la photodiode.
• Puissance dissipée (Pd) :150 mW. Cette valeur tient compte de la puissance totale que le composant peut supporter, principalement due au courant de fuite inverse sous polarisation.
• Température de fonctionnement (Topr) :-40°C à +85°C. La plage de performance garantie pour la photodiode pendant le fonctionnement normal.
• Température de stockage (Tstg) :-40°C à +100°C. La plage de température sûre pour le composant lorsqu'il n'est pas alimenté.
• Température de soudure (Tsol) :260°C pour une durée maximale de 5 secondes. Ceci définit les contraintes du profil de soudure par refusion pour éviter d'endommager le boîtier.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres, mesurés à une température standard de 25°C, définissent les performances fondamentales de photodétection du PD438B.

• Bande passante spectrale (λ0,5) :400 nm à 1100 nm. Ceci définit la plage de longueurs d'onde où la sensibilité de la photodiode est au moins la moitié de sa valeur de crête. Elle confirme la sensibilité de la lumière bleue visible jusqu'au proche infrarouge.
• Longueur d'onde de sensibilité de crête (λp) :940 nm (Typique). La photodiode est la plus sensible à la lumière infrarouge à cette longueur d'onde, qui est standard pour de nombreuses LED IR et systèmes de télécommande.
• Tension en circuit ouvert (VOC) :0,35 V (Typique) sous un éclairement énergétique (Ee) de 5 mW/cm² à 940 nm. C'est la tension générée par la photodiode en mode photovoltaïque (sans polarisation externe) dans des conditions lumineuses spécifiées.
• Courant de court-circuit (ISC) :18 µA (Typique) sous 1 mW/cm² à 940 nm. C'est le photocourant généré lorsque les bornes de la diode sont court-circuitées, représentant son courant de sortie maximal pour un niveau de lumière donné.
• Courant photoélectrique inverse (IL) :18 µA (Typique) à VR=5V sous 1 mW/cm² à 940 nm. C'est le photocourant mesuré lorsque la diode est polarisée en inverse, ce qui est le mode de fonctionnement standard pour une réponse linéaire et haute vitesse.
• Courant d'obscurité (Id) :5 nA (Typique), 30 nA (Max) à VR=10V dans l'obscurité totale. C'est le faible courant de fuite qui circule même en l'absence de lumière. Un faible courant d'obscurité est crucial pour détecter des signaux lumineux faibles.
• Tension de claquage inverse (BVR) :170 V (Typique), 32 V (Min). La tension à laquelle le courant inverse augmente brusquement. La tension inverse de fonctionnement doit toujours être maintenue bien en dessous de cette valeur.
• Capacité totale (Ct) :25 pF (Typique) à VR=3V et 1 MHz. Cette capacité de jonction impacte directement la vitesse du composant ; une capacité plus faible permet des temps de réponse plus rapides.
• Temps de montée/descente (tr/tf) :50 ns / 50 ns (Typique) avec VR=10V et une résistance de charge (RL) de 1 kΩ. Ces paramètres spécifient la rapidité avec laquelle le courant de sortie de la photodiode peut changer en réponse à une impulsion lumineuse, définissant ses capacités haute vitesse.

Les tolérances pour les paramètres clés sont spécifiées : Intensité lumineuse (±10%), Longueur d'onde dominante (±1 nm), et Tension directe (±0,1 V), garantissant la cohérence des lots de production.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques qui illustrent comment les paramètres clés varient avec les conditions de fonctionnement. Celles-ci sont essentielles pour les concepteurs de circuits.

3.1 Sensibilité spectrale

La courbe de réponse spectrale montre la sensibilité relative de la photodiode à différentes longueurs d'onde. Elle présente un pic prononcé autour de 940 nm dû à l'époxy filtrant IR intégré, avec une sensibilité significativement réduite dans le spectre visible (400-700 nm). Cette courbe est critique pour s'assurer que le détecteur est adapté à la longueur d'onde de l'émetteur.

3.2 Courant d'obscurité en fonction de la température ambiante

Cette courbe montre typiquement une augmentation exponentielle du courant d'obscurité (Id) lorsque la température ambiante augmente. Les concepteurs doivent tenir compte de ce bruit de fond accru dans les applications à haute température ou lors de la détection de signaux lumineux très faibles.

3.3 Courant photoélectrique inverse en fonction de l'éclairement énergétique (Ee)

Ce graphique démontre la relation linéaire entre la puissance lumineuse incidente (éclairement énergétique) et le photocourant généré (IL) lorsque la diode est polarisée en inverse. La linéarité est une caractéristique clé des photodiodes PIN, les rendant adaptées aux applications de mesure de lumière.

3.4 Capacité terminale en fonction de la tension inverse

La capacité de jonction (Ct) diminue lorsque la tension de polarisation inverse (VR) augmente. Cette courbe permet aux concepteurs de sélectionner une tension de polarisation de fonctionnement qui optimise le compromis entre la vitesse (capacité plus faible à tension plus élevée) et la consommation d'énergie/la chaleur.

3.5 Temps de réponse en fonction de la résistance de charge

Le temps de montée/descente (tr/tf) est influencé par la constante de temps RC formée par la capacité de jonction de la photodiode et la résistance de charge externe (RL). Cette courbe montre comment le temps de réponse augmente avec des résistances de charge plus grandes, guidant la sélection de RL pour la vitesse souhaitée dans les circuits d'amplificateur de transimpédance.

3.6 Puissance dissipée en fonction de la température ambiante

Cette courbe de déclassement indique la puissance maximale dissipable admissible en fonction de la température ambiante. Lorsque la température augmente, la puissance maximale sûre que le composant peut supporter diminue linéairement, ce qui est vital pour la gestion thermique dans la conception du système.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions du boîtier

Le PD438B est logé dans un boîtier cylindrique latéral d'un diamètre nominal de 4,8 mm. Le dessin mécanique détaillé dans la fiche technique fournit toutes les dimensions critiques, y compris le diamètre du corps, la longueur, l'espacement des broches et le diamètre des broches. Une tolérance standard de ±0,25 mm s'applique à toutes les dimensions du boîtier sauf indication contraire. La configuration latérale est conçue pour les applications où le trajet lumineux est parallèle à la surface de la carte de circuit imprimé.

4.2 Identification de la polarité

La photodiode est un composant polarisé. La cathode est généralement identifiée par une broche plus longue, un méplat sur le boîtier ou un marquage spécifique. Le diagramme du boîtier dans la fiche technique indique clairement les connexions anode et cathode, qui doivent être respectées lors de l'assemblage pour garantir une polarisation correcte (polarisation inverse pour le fonctionnement normal).

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Pour maintenir la fiabilité et prévenir les dommages pendant le processus d'assemblage, des conditions de soudure spécifiques doivent être suivies.

• Soudure par refusion :Le composant est adapté à l'assemblage en montage en surface en utilisant des techniques de soudure par refusion. La température de soudure de pointe ne doit pas dépasser 260°C, et le temps au-dessus de cette température doit être limité à 5 secondes ou moins pour éviter les dommages thermiques au boîtier en époxy et à la puce semi-conductrice.
• Soudure manuelle :Si une soudure manuelle est nécessaire, un fer à souder à température contrôlée doit être utilisé. Le temps de contact avec les broches doit être minimisé, et il est recommandé de mettre une pince de refroidissement sur la broche entre le joint et le corps du boîtier.
• Conditions de stockage :Les composants doivent être stockés dans leurs sacs barrières à l'humidité d'origine dans un environnement contrôlé dans la plage de température de stockage de -40°C à +100°C et à faible humidité pour prévenir l'oxydation des broches.

6. Informations sur l'emballage et la commande

6.1 Spécifications de l'emballage

Le flux d'emballage standard pour le PD438B est le suivant : 500 pièces sont emballées dans un sac anti-statique. Six de ces sacs sont ensuite placés dans un carton intérieur. Enfin, dix cartons intérieurs sont emballés dans un carton d'expédition principal (extérieur), ce qui donne un total de 30 000 pièces par carton principal.

6.2 Spécifications de l'étiquette

L'étiquette sur l'emballage contient plusieurs identifiants clés :

• CPN :Numéro de produit du client (si attribué).
• P/N :Le numéro de produit du fabricant (PD438B).
• QTY :La quantité de composants dans l'emballage.
• CAT, HUE, REF :Codes représentant respectivement le rang d'intensité lumineuse, le rang de longueur d'onde dominante et le rang de tension directe, pour les produits triés.
• LOT No :Le numéro de lot de fabrication traçable.

Cet étiquetage assure la traçabilité et une manutention correcte des matériaux tout au long de la chaîne d'approvisionnement.

7. Notes d'application et considérations de conception

7.1 Circuits d'application typiques

Le PD438B est le plus couramment utilisé dans l'une des deux configurations de circuit :

1. Mode photovoltaïque (polarisation nulle) :La photodiode est connectée directement à une charge à haute impédance (comme l'entrée d'un ampli-op). Ce mode offre un courant d'obscurité et un bruit minimaux mais a une réponse plus lente et une linéarité inférieure. Il convient à la mesure de lumière de précision à basse vitesse.
2. Mode photoconducteur (polarisation inverse) :La photodiode est connectée avec la cathode à une tension positive et l'anode à une masse virtuelle (par exemple, l'entrée inverseuse d'un amplificateur de transimpédance). C'est le mode recommandé pour le PD438B pour exploiter ses capacités haute vitesse. La polarisation inverse réduit la capacité de jonction (augmentant la vitesse) et améliore la linéarité. La valeur de la résistance de rétroaction dans l'amplificateur de transimpédance détermine le gain (Vout = Iphoto * Rfeedback).

7.2 Considérations de conception

• Sélection de la tension de polarisation :Choisissez une tension de polarisation inverse (par exemple, 5V à 10V) qui offre un bon compromis entre la vitesse (capacité plus faible) et la consommation d'énergie. Ne dépassez pas la tension inverse maximale de 32V.
• Sélection de l'amplificateur :Pour les applications haute vitesse, associez le PD438B avec un amplificateur opérationnel à faible bruit et à large bande passante configuré en amplificateur de transimpédance. Le courant de polarisation d'entrée et le bruit de tension de l'amplificateur doivent être faibles pour ne pas dégrader le signal de la photodiode.
• Conception du PCB :Gardez la photodiode et son amplificateur associé proches l'un de l'autre pour minimiser la capacité parasite et la captation de bruit sur le nœud haute impédance sensible. Utilisez une bague de garde connectée à un point à faible impédance (comme la sortie de l'amplificateur ou un plan de masse) autour de la connexion de l'anode de la photodiode pour réduire les courants de fuite.
• Alignement optique :Assurez un alignement mécanique correct entre l'émetteur IR et la photodiode. Le boîtier latéral est conçu pour cela. Envisagez d'utiliser un tube ou une barrière pour bloquer la lumière ambiante et la diaphonie.

8. Comparaison et différenciation techniques

Le PD438B se différencie sur le marché par plusieurs caractéristiques clés :

• Filtre IR intégré :Le boîtier en époxy lui-même agit comme filtre, éliminant le besoin d'un composant filtre séparé, réduisant le nombre de pièces, le coût et simplifiant l'assemblage.
• Boîtier latéral :Le facteur de forme cylindrique latéral est idéal pour les applications où le trajet lumineux est parallèle au PCB, comme dans les capteurs à fente, les systèmes de détection de bord et certains types d'encodeurs.
• Performance équilibrée :Il offre une combinaison bien équilibrée de vitesse (50 ns), de sensibilité (18 µA à 1 mW/cm²) et de faible courant d'obscurité, en faisant un choix polyvalent pour une large gamme de tâches de détection IR à vitesse moyenne à élevée.
• Conformité environnementale :Sa construction sans plomb et sa conformité à RoHS et REACH le rendent adapté aux marchés mondiaux avec des réglementations environnementales strictes.

Comparé aux photodiodes plus grandes, il offre un encombrement plus réduit. Comparé aux photodiodes non filtrées, il offre un rejet supérieur du bruit de la lumière visible ambiante.

9. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q1 : Quel est le but de la lentille en époxy noire ?

R1 : L'époxy noir n'est pas seulement pour l'apparence ; il est formulé pour être un filtre infrarouge efficace. Il transmet la longueur d'onde IR cible (pic à 940 nm) tout en absorbant une grande partie de la lumière visible, réduisant significativement les interférences des sources de lumière ambiante comme l'éclairage de la pièce.

Q2 : Dois-je faire fonctionner le PD438B avec ou sans tension de polarisation inverse ?

R2 : Pour un fonctionnement haute vitesse (comme indiqué par son temps de montée de 50 ns), il est fortement recommandé de faire fonctionner le PD438B en mode photoconducteur avec une polarisation inverse, typiquement entre 5V et 10V. Cela réduit la capacité de jonction et améliore la linéarité et la vitesse.

Q3 : Comment convertir le photocourant en un signal de tension utilisable ?

R3 : La méthode la plus courante et efficace est d'utiliser un circuit d'amplificateur de transimpédance (TIA). La photodiode se connecte entre l'entrée inverseuse et la sortie d'un ampli-op, avec une résistance de rétroaction déterminant le gain (Vout = -Iphoto * Rf). Un petit condensateur de rétroaction est souvent ajouté en parallèle avec la résistance pour stabiliser le circuit et limiter la bande passante.

Q4 : Quelle est la signification du paramètre "Courant d'obscurité" ?

R4 : Le courant d'obscurité est le faible courant qui traverse la photodiode lorsqu'elle est dans l'obscurité totale et sous polarisation inverse. Il agit comme une source de bruit. Un courant d'obscurité plus faible (5 nA typique pour le PD438B) signifie que le composant peut détecter des signaux lumineux plus faibles sans que le signal ne soit masqué par son propre bruit.

Q5 : Cette photodiode peut-elle être utilisée pour la détection de lumière visible ?

R5 : Bien que sa plage spectrale commence à 400 nm (violet), sa sensibilité dans le spectre visible est grandement atténuée par la lentille en époxy filtrant les IR. Sa sensibilité de crête est fermement dans l'infrarouge à 940 nm. Pour une détection primaire de lumière visible, une photodiode sans boîtier filtrant IR serait plus appropriée.

10. Principes de fonctionnement

Une photodiode PIN est un dispositif semi-conducteur avec une large région intrinsèque (I) légèrement dopée prise en sandwich entre une région de type P et une région de type N. Lorsque des photons ayant une énergie supérieure à la largeur de bande interdite du semi-conducteur frappent le dispositif, ils créent des paires électron-trou dans la région intrinsèque. Sous l'influence d'un champ électrique de polarisation inverse externe, ces porteurs de charge sont séparés, générant un photocourant proportionnel à l'intensité lumineuse incidente. La large région intrinsèque permet plusieurs avantages : elle crée une région de déplétion plus grande pour l'absorption des photons (augmentant la sensibilité), réduit la capacité de jonction (augmentant la vitesse) et permet un fonctionnement à des tensions inverses plus élevées. Le PD438B utilise du silicium, qui a une largeur de bande interdite adaptée à la détection de la lumière du spectre visible au proche infrarouge.

11. Clause de non-responsabilité et notes d'utilisation

Les informations contenues dans ce document technique sont sujettes à modification sans préavis. Les graphiques et valeurs typiques fournis sont à titre indicatif pour la conception et ne représentent pas des spécifications garanties. Lors de la mise en œuvre de ce composant, les concepteurs doivent strictement respecter les Caractéristiques Maximales Absolues pour éviter la défaillance du dispositif. Le fabricant n'assume aucune responsabilité pour tout dommage résultant de l'utilisation de ce produit en dehors de ses conditions de fonctionnement spécifiées. Ce produit n'est pas destiné à être utilisé dans des applications critiques pour la sécurité, de maintien de la vie, militaires, automobiles ou aérospatiales sans consultation préalable et qualification spécifique.