Fiche technique de la photodiode PD333-3B/L4 - 5mm Semi-Lentille - Silicium PIN - Boîtier noir - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

Le PD333-3B/L4 est une photodiode PIN au silicium, rapide et à haute sensibilité, logée dans un boîtier plastique cylindrique à vue latérale. Sa caractéristique principale est son boîtier époxy intégré qui fait également office de filtre infrarouge (IR), l'adaptant spectralement aux émetteurs IR courants. Cette intégration simplifie la conception optique en réduisant le besoin de composants de filtrage externes. Le dispositif est conçu pour les applications nécessitant des temps de réponse rapides et une détection fiable de la lumière infrarouge, en particulier dans la gamme de longueurs d'onde de 940 nm.

Ses principaux avantages incluent ses temps de réponse rapides, sa haute photosensibilité et sa faible capacité de jonction, éléments cruciaux pour l'intégrité du signal dans les applications haute vitesse. Le composant est conforme aux réglementations RoHS et REACH de l'UE, et est fabriqué selon des procédés sans plomb, en adéquation avec les normes environnementales et de sécurité modernes pour les composants électroniques.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques absolues maximales

Le dispositif est conçu pour fonctionner dans des limites environnementales et électriques spécifiques afin d'assurer sa fiabilité et d'éviter tout dommage. La tension inverse maximale (VR) est de 32 V. La puissance dissipée maximale (Pd) est de 150 mW. Le composant peut supporter des températures de soudure des broches (Tsol) allant jusqu'à 260 °C pendant une durée ne dépassant pas 5 secondes, ce qui est compatible avec les procédés standards de soudure par refusion. La plage de température de fonctionnement (Topr) est de -40 °C à +85 °C, et la plage de température de stockage (Tstg) est de -40 °C à +100 °C, indiquant des performances robustes dans une large gamme de conditions.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Les performances de la photodiode sont caractérisées dans des conditions standard (Ta=25°C). Sa bande passante spectrale (λ0,5) s'étend de 840 nm à 1100 nm, avec une sensibilité maximale (λp) à 940 nm. Cela la rend idéale pour une utilisation avec des LED IR à 940 nm. Les paramètres électriques clés incluent une tension en circuit ouvert (VOC) typique de 0,42 V sous un éclairement de 5 mW/cm² à 940 nm, et un courant de court-circuit (ISC) typique de 10 µA sous un éclairement de 1 mW/cm² à 940 nm.

Le courant photoélectrique inverse (IL), qui est le courant généré sous polarisation inverse, est typiquement de 12 µA (VR=5V, Ee=1mW/cm², λp=940nm). Le courant d'obscurité (Id), un paramètre critique pour la sensibilité en faible lumière, est spécifié à un maximum de 10 nA (VR=10V). La tension de claquage inverse (BVR) a un minimum de 32 V et une valeur typique de 170 V. La capacité totale des bornes (Ct) est typiquement de 5 pF à VR=5V et 1 MHz, une faible valeur contribuant aux capacités haute vitesse du dispositif.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques illustrant le comportement du dispositif dans différentes conditions. Ces graphiques sont essentiels pour les ingénieurs concepteurs afin de prédire les performances dans des applications réelles au-delà des conditions de test standard.

3.1 Caractéristiques thermiques et optiques

La figure 1 montre la relation entre la puissance dissipable et la température ambiante. Lorsque la température augmente, la puissance maximale admissible diminue linéairement, une caractéristique standard de déclassement pour les dispositifs semi-conducteurs. La figure 2 représente la courbe de sensibilité spectrale, confirmant la réponse maximale à 940 nm et les points de coupure définis à 840 nm et 1100 nm où la sensibilité chute à la moitié de sa valeur maximale.

3.2 Courant en fonction de l'éclairement et de la température

La figure 3 illustre comment le courant d'obscurité (Id) augmente de façon exponentielle avec la température ambiante. C'est une propriété fondamentale des jonctions semi-conductrices et elle est critique pour les applications fonctionnant à des températures élevées, car l'augmentation du courant d'obscurité élève le bruit de fond. La figure 4 montre la relation linéaire entre le courant photoélectrique inverse (IL) et l'éclairement énergétique (Ee), démontrant la génération de photocourant prévisible et linéaire de la photodiode.

3.3 Capacité et temps de réponse

La figure 5 trace la capacité des bornes en fonction de la tension inverse. La capacité diminue avec l'augmentation de la polarisation inverse, un comportement typique des photodiodes PIN. Une capacité plus faible permet des temps de réponse plus rapides. La figure 6 montre la relation entre le temps de réponse et la résistance de charge. Le temps de réponse augmente avec une résistance de charge plus élevée en raison de la constante de temps RC formée par la capacité de jonction et la charge externe. Pour les applications haute vitesse, une résistance de charge de faible valeur (par exemple, 50 Ω) est généralement utilisée, bien que cela compromette l'amplitude du signal au profit de la vitesse.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

Le PD333-3B/L4 est fourni dans un boîtier cylindrique à vue latérale. Le corps du boîtier est noir, ce qui aide à réduire les réflexions internes et les interférences de lumière parasite. La conception "semi-lentille" aide à focaliser la lumière incidente sur la zone active en silicium, améliorant la sensibilité effective. Les dimensions détaillées du boîtier sont fournies dans la fiche technique, toutes les mesures étant en millimètres. Les tolérances critiques pour le placement mécanique sont typiquement de ±0,25 mm. L'orientation latérale est particulièrement utile pour les applications où le trajet lumineux est parallèle à la surface de la carte de circuit imprimé, comme dans les capteurs à fente ou les systèmes de détection de bord.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Le composant convient aux procédés standards d'assemblage de cartes de circuit imprimé. La caractéristique absolue maximale pour la température de soudure des broches est de 260 °C. Il est crucial que le temps de soudure à cette température ne dépasse pas 5 secondes pour éviter d'endommager le boîtier plastique ou la puce semi-conductrice interne. Les profils standards de soudure par refusion IR ou à la vague utilisés pour les assemblages sans plomb sont généralement applicables. Une manipulation appropriée pour éviter la contamination de la surface de la lentille est essentielle pour maintenir les performances optiques. Le stockage doit se faire dans la plage de température spécifiée de -40 °C à +100 °C dans un environnement sec.

6. Informations d'emballage et de commande

La spécification d'emballage standard est de 500 pièces par sachet, 5 sachets par boîte et 10 boîtes par carton. Cet emballage en vrac est typique pour les lignes d'assemblage automatisées. L'étiquette sur l'emballage comprend des informations critiques pour la traçabilité et la vérification : le numéro de production du client (CPN), le numéro de pièce (P/N), la quantité emballée (QTY), les grades de qualité (CAT), la longueur d'onde de crête (HUE), un code de référence (REF) et le numéro de lot de fabrication. Le mois de production est également indiqué. Les utilisateurs doivent recouper les informations de l'étiquette avec leurs registres internes et les spécifications de la fiche technique.

7. Suggestions d'application

7.1 Scénarios d'application typiques

Le PD333-3B/L4 est bien adapté à plusieurs applications clés. En tant quedétecteur photoélectrique haute vitesse, il peut être utilisé dans les liaisons de communication de données utilisant la lumière infrarouge, les scanners de codes-barres ou les systèmes de détection d'impulsions. Son intégration dans desappareils photopeut servir pour les systèmes d'assistance à la mise au point automatique ou la mesure de la lumière. Dans lescommutateurs optoélectroniques, il constitue la moitié réceptrice d'un interrupteur optique ou d'un capteur réfléchissant, couramment trouvés dans les imprimantes, les codeurs et les rideaux de sécurité. Son utilisation dans lesmagnétoscopes et caméras vidéoconcernait historiquement les capteurs de fin de bande ou les récepteurs de télécommande, bien que des principes similaires s'appliquent à l'électronique grand public moderne.

7.2 Considérations de conception

Lors de la conception avec cette photodiode, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Pour lapolarisation, elle est généralement utilisée en polarisation inverse (mode photoconducteur) pour améliorer la vitesse et la linéarité, bien que le mode photovoltaïque (polarisation nulle) puisse être utilisé pour les applications à faible bruit. Le choix de l'amplificateur opérationneldans le circuit d'amplificateur de transimpédance (TIA) est critique ; il doit avoir un faible courant de polarisation d'entrée et un faible bruit pour éviter de dégrader le signal provenant de la photodiode à faible courant d'obscurité. Lapropriété de filtrage IRdu boîtier est bénéfique, mais les concepteurs doivent s'assurer que la longueur d'onde de la source (par exemple, 940 nm) correspond à la sensibilité maximale. Pour un fonctionnement haute vitesse, une conception minutieuse de la carte de circuit imprimé pour minimiser la capacité et l'inductance parasites au niveau du nœud de la photodiode est essentielle.

8. Comparaison et différenciation technique

Comparé aux photodiodes standard sans lentille ou filtre intégré, le PD333-3B/L4 offre une solution optique plus compacte et simplifiée. Le filtre IR intégré élimine le besoin d'un composant de filtrage séparé, économisant de l'espace, des coûts et réduisant la complexité d'assemblage. Son boîtier à vue latérale offre un avantage mécanique distinct par rapport aux boîtiers à vue de dessus pour des géométries de trajet optique spécifiques. La combinaison d'une tension de claquage relativement élevée (min 32 V, typ 170 V) et d'un faible courant d'obscurité constitue un équilibre favorable pour de nombreuses applications de détection industrielle nécessitant un bon rapport signal/bruit et un fonctionnement robuste.

9. Questions fréquemment posées (basées sur les paramètres techniques)

Q : Quelle est l'importance de la sensibilité maximale à 940 nm ?

R : 940 nm est une longueur d'onde très courante pour les LED infrarouges car elle est invisible à l'œil humain et a une bonne transmission atmosphérique. Faire correspondre la réponse maximale de la photodiode à la longueur d'onde de l'émetteur maximise la force du signal et l'efficacité du système.

Q : Comment la spécification du courant d'obscurité affecte-t-elle ma conception ?

R : Le courant d'obscurité est la principale source de bruit dans une photodiode en l'absence de lumière. Un faible courant d'obscurité (10 nA max pour ce dispositif) signifie que le capteur peut détecter des signaux lumineux très faibles sans être submergé par son propre bruit interne, améliorant ainsi la sensibilité et la plage dynamique.

Q : Puis-je l'utiliser pour la détection de lumière visible ?

R : Le boîtier époxy intégré agit comme un filtre IR, atténuant considérablement la lumière visible. Par conséquent, cette variante spécifique n'est pas adaptée aux applications nécessitant une sensibilité dans le spectre visible. Pour la détection de lumière visible, un boîtier transparent ou avec un filtre différent serait nécessaire.

Q : Quelle résistance de charge dois-je utiliser pour une vitesse optimale ?

R : En se référant à la figure 6, pour le temps de réponse le plus rapide (de l'ordre de la nanoseconde), une faible résistance de charge (par exemple, 50 Ω à 100 Ω) est nécessaire. Cependant, cela produit un signal de tension plus faible. Un circuit d'amplificateur de transimpédance est souvent la meilleure solution, offrant à la fois une haute vitesse et un bon gain de signal.

10. Cas pratique de conception

Cas : Conception d'un capteur de proximité infrarouge

Dans un capteur de proximité typique, une LED IR émet des impulsions lumineuses, et le PD333-3B/L4 détecte la lumière réfléchie par un objet. Le filtre IR intégré est crucial ici, car il bloque la lumière visible ambiante (par exemple, provenant de l'éclairage de la pièce) qui pourrait saturer le capteur ou créer des déclenchements erronés. Le temps de réponse rapide permet une pulsation rapide de la LED, permettant une détection rapide et potentiellement une mesure de distance via des méthodes de temps de vol ou de déphasage dans des systèmes plus avancés. Le boîtier à vue latérale permet à la fois à la LED et à la photodiode d'être montées sur le même plan de la carte de circuit imprimé, orientées dans la même direction, ce qui est idéal pour la détection par réflexion. Un circuit simple impliquerait de polariser la photodiode avec une polarisation inverse de 5 V via une grande résistance, et d'utiliser un comparateur ou un amplificateur haute vitesse pour détecter l'impulsion de courant générée lorsque de la lumière réfléchie est présente.

11. Introduction au principe de fonctionnement

Une photodiode PIN est un dispositif semi-conducteur avec une large région intrinsèque (I) faiblement dopée prise en sandwich entre une région de type p (P) et une région de type n (N). Lorsqu'elle est polarisée en inverse, cette structure crée une grande région de déplétion. Les photons incidents sur le dispositif avec une énergie supérieure à la largeur de bande interdite du semi-conducteur créent des paires électron-trou dans cette région de déplétion. Le fort champ électrique présent dû à la polarisation inverse sépare rapidement ces porteurs, les faisant dériver vers les contacts respectifs, générant un photocourant proportionnel à l'intensité de la lumière incidente. La large région intrinsèque réduit la capacité de jonction (permettant une haute vitesse) et augmente le volume d'absorption des photons (améliorant la sensibilité), en particulier pour les longueurs d'onde plus longues comme l'infrarouge où la profondeur de pénétration est plus grande.

12. Tendances technologiques

La tendance dans la technologie des photodiodes continue vers une plus grande intégration, un bruit plus faible et une fonctionnalité accrue. Cela inclut l'intégration de circuits d'amplification et de conditionnement de signal sur la même puce ou dans le même boîtier (par exemple, des combinaisons photodiode-amplificateur). Il y a également une poussée vers des dispositifs avec des courants d'obscurité et des capacités encore plus faibles pour les applications en instrumentation scientifique, imagerie médicale et LiDAR. L'utilisation de matériaux autres que le silicium, comme l'InGaAs, étend la sensibilité plus loin dans l'infrarouge pour les télécommunications et la détection de gaz. De plus, les innovations en matière de boîtiers visent à fournir des caractéristiques optiques plus précises, telles que des lentilles à champ de vision (FOV) défini et un filtrage encore plus efficace directement dans le boîtier, comme on le voit dans le PD333-3B/L4.