Fiche technique de la photodiode PIN au silicium PD438C/S46 - Diamètre 4,8mm - Tension inverse 32V - Sensibilité de crête 940nm

1. Vue d'ensemble du produit

Le PD438C/S46 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 4,8mm. Une caractéristique clé de ce composant est que le boîtier en époxy agit lui-même comme un filtre infrarouge (IR) intégré, accordé spectralement aux émetteurs IR courants, améliorant ainsi ses performances dans les systèmes de détection IR en filtrant la lumière visible non désirée.

Cette photodiode se caractérise par ses temps de réponse rapides, sa haute photosensibilité et sa faible capacité de jonction, la rendant adaptée à la détection optique rapide. Elle est fabriquée à partir de matériaux sans plomb et est conforme aux réglementations environnementales en vigueur.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques absolues maximales

Le composant est conçu pour fonctionner de manière fiable dans les limites spécifiées. Le dépassement de ces valeurs peut entraîner des dommages permanents.

• Tension inverse (V_R):32 V - La tension maximale pouvant être appliquée en polarisation inverse aux bornes de la photodiode.
• Puissance dissipée (P_d):150 mW - La puissance maximale que le composant peut dissiper, principalement sous forme de chaleur, dans des conditions spécifiées.
• Température de fonctionnement (T_opr):-40°C à +85°C - La plage de température ambiante pour laquelle le composant est garanti de respecter ses spécifications publiées.
• Température de stockage (T_stg):-40°C à +100°C - La plage de température pour un stockage sûr lorsque le composant n'est pas alimenté.
• Température de soudure (T_sol):260°C pendant une durée ne dépassant pas 5 secondes, ce qui est typique des procédés de soudure par refusion sans plomb.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres sont mesurés à une température ambiante (T_a) de 25°C et définissent les performances principales de la photodiode.

• Bande spectrale (λ_0.5):840 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 est principalement sensible dans la région du proche infrarouge.
• Longueur d'onde de sensibilité de crête (λ_p):940 nm (Typique). La longueur d'onde de la lumière à laquelle la photodiode est la plus sensible. Cela correspond à la longueur d'onde d'émission courante de nombreuses LED IR.
• Tension en circuit ouvert (V_OC):0,35 V (Typique) lorsqu'elle est éclairée avec un éclairement énergétique (E_e) de 5 mW/cm² à 940nm. C'est la tension générée par la photodiode sans charge externe.
• Courant de court-circuit (I_SC):18 µA (Typique) à E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm. C'est le photocourant lorsque la sortie est court-circuitée.
• Courant photoélectrique inverse (I_L):18 µA (Typique, Min 10,2 µA) à E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm, et une tension de polarisation inverse (V_R) de 5V. C'est le paramètre de fonctionnement principal en mode photoconducteur.
• Courant d'obscurité (I_d):5 nA (Typique, Max 30 nA) à V_R= 10V dans l'obscurité totale. C'est le faible courant de fuite qui circule même en l'absence de lumière, un paramètre clé pour le rapport signal sur bruit.
• Tension de claquage inverse (BV_R):Min 32V, Typ 170V, mesurée à un courant inverse de 100 µA. Cela indique la tension à laquelle la jonction se claque.
• Capacité totale (C_t):18 pF (Typique) à V_R= 3V et une fréquence de test de 1 MHz. Une capacité plus faible permet des temps de réponse plus rapides.
• Temps de montée/descente (t_r/t_f):50 ns / 50 ns (Typique) avec V_R= 10V et une résistance de charge (R_L) de 1 kΩ. Ceci spécifie la vitesse de réponse de la photodiode à une impulsion lumineuse.

Les tolérances pour les paramètres clés sont spécifiées comme suit : Intensité lumineuse ±10%, Longueur d'onde dominante ±1nm, Tension directe ±0,1V.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques illustrant les performances dans différentes conditions. Celles-ci sont essentielles pour les ingénieurs de conception.

3.1 Sensibilité spectrale

Une courbe traçant la sensibilité relative en fonction de la longueur d'onde. Elle confirme la sensibilité de crête à environ 940nm et montre la réponse spectrale qui diminue vers les limites de la plage 840-1100nm. La lentille en époxy intégrée agit comme un filtre, atténuant la réponse en dehors de la bande IR cible.

3.2 Courant d'obscurité en fonction de la température ambiante

Cette courbe montre typiquement que le courant d'obscurité (I_d) augmente de façon exponentielle avec la température. Comprendre cette relation est crucial pour les applications fonctionnant sur une large plage de températures, car elle définit la limite inférieure de lumière détectable (bruit de fond).

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

Ce graphique démontre la relation linéaire entre le photocourant généré (I_L) et la densité de puissance lumineuse incidente. La photodiode fonctionne dans une région hautement linéaire dans les conditions spécifiées, ce qui est vital pour les applications de mesure analogique de la lumière.

3.4 Capacité des bornes en fonction de la tension inverse

La capacité de jonction (C_t) diminue avec l'augmentation de la tension de polarisation inverse. C'est une propriété fondamentale des jonctions PN. Les concepteurs peuvent utiliser une tension de polarisation plus élevée pour réduire la capacité et ainsi améliorer la bande passante et la vitesse de réponse, au détriment d'une légère augmentation du courant d'obscurité.

3.5 Temps de réponse en fonction de la résistance de charge

Cette courbe montre comment le temps de montée/descente est affecté par la valeur de la résistance de charge externe (R_L). Un R_Lplus petit entraîne généralement une réponse plus rapide mais produit une excursion de tension de sortie plus faible. Ce graphique aide à optimiser le compromis vitesse-amplitude dans la conception du circuit.

3.6 Puissance dissipée en fonction de la température ambiante

Illustre la dégradation de la puissance maximale dissipable autorisée lorsque la température ambiante augmente. À des températures supérieures à 25°C, le composant ne peut pas dissiper la totalité des 150mW, et la puissance maximale doit être réduite linéairement jusqu'à zéro à la température de jonction maximale.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions du boîtier

Le PD438C/S46 est conditionné dans un boîtier plastique cylindrique latéral d'un diamètre nominal de 4,8mm. Le dessin dimensionnel spécifie le diamètre du corps, la longueur, l'espacement des broches et le diamètre des broches. Une note critique spécifie que toutes les tolérances dimensionnelles sont de ±0,25mm sauf indication contraire sur le dessin. La configuration latérale est idéale 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 polarité est généralement indiquée sur le boîtier ou sur le dessin. Pour une photodiode, la cathode est généralement connectée à la tension d'alimentation positive lorsqu'elle fonctionne en polarisation inverse (mode photoconducteur), et l'anode est connectée à la masse du circuit ou à l'entrée d'un amplificateur de transimpédance. Une polarité correcte est essentielle pour un fonctionnement adéquat.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Le composant est adapté aux procédés d'assemblage standard pour composants montés en surface.

• Soudure par refusion :La température de soudure maximale recommandée est de 260°C. Le temps pendant lequel les broches du composant sont exposées à des températures égales ou supérieures à ce pic ne doit pas dépasser 5 secondes. Ceci est conforme aux profils de refusion sans plomb typiques (par exemple, IPC/JEDEC J-STD-020).
• Soudure manuelle :Si une soudure manuelle est nécessaire, un fer à souder à température contrôlée doit être utilisé. Le temps de contact par broche doit être minimisé pour éviter un transfert de chaleur excessif vers la puce semi-conductrice sensible.
• Nettoyage :Les procédés de nettoyage standard de PCB peuvent être utilisés, mais la compatibilité des agents de nettoyage avec le matériau du boîtier plastique doit être vérifiée.
• Conditions de stockage :Les composants doivent être stockés dans leurs sacs barrières à l'humidité d'origine à des températures comprises entre -40°C et +100°C et à faible humidité pour éviter l'oxydation des broches et l'absorption d'humidité par le boîtier.

6. Informations sur l'emballage et la commande

6.1 Spécifications de l'emballage

Le flux d'emballage standard est le suivant : 500 pièces sont emballées dans un sachet. Cinq sachets sont ensuite placés dans un carton intérieur. Enfin, dix cartons intérieurs sont emballés dans un carton maître (extérieur). Cela donne un total de 25 000 pièces par carton maître.

6.2 Spécifications de l'étiquette

Les étiquettes sur l'emballage contiennent des informations clés pour la traçabilité et l'identification :

• CPN :Numéro de produit du client (si attribué).
• P/N :Numéro de produit du fabricant (par exemple, PD438C/S46).
• QTY :Quantité de composants dans l'emballage.
• CAT, HUE, REF :Codes pour le rang d'intensité lumineuse, le rang de longueur d'onde dominante et le rang de tension directe, respectivement, indiquant le triage des performances.
• LOT No :Numéro de lot de fabrication pour la traçabilité.
• REF :Un numéro de référence pour identifier l'étiquette.

7. Suggestions d'application

7.1 Scénarios d'application typiques

• Détecteur photo haute vitesse :Idéal pour les liaisons de données optiques, les codeurs et la détection d'impulsions où le temps de réponse de 50ns est un avantage clé.
• Applications pour caméras :Peut être utilisé dans les systèmes de mise au point automatique, les cellules photoélectriques ou comme détecteur de présence IR.
• Interrupteur optoélectronique :Utilisé dans la détection d'objets, les capteurs à fente et les interrupteurs de fin de course. Le filtre IR intégré aide à rejeter les interférences de la lumière ambiante.
• Magnétoscopes et caméras vidéo :Historiquement utilisé dans les capteurs de compteur de bande, les récepteurs de télécommande ou d'autres fonctions de détection optique internes.

7.2 Considérations de conception

• Tension de polarisation :Il est recommandé de fonctionner en mode photoconducteur (avec polarisation inverse) pour un fonctionnement rapide et linéaire. Une polarisation de 5V à 10V est typique, équilibrant la vitesse (capacité plus faible) et le bruit (courant d'obscurité plus faible).
• Topologie du circuit :Pour une vitesse et une linéarité optimales, utilisez un amplificateur de transimpédance (TIA) pour convertir le photocourant en tension. La résistance et le condensateur de contre-réaction du TIA doivent être choisis en fonction de la bande passante souhaitée et de la capacité de la photodiode.
• Alignement optique :Le boîtier latéral nécessite une conception mécanique minutieuse pour assurer un alignement correct avec la source lumineuse, qui est souvent également une LED IR latérale.
• Rejet de la lumière ambiante :Bien que l'époxy agisse comme un filtre IR, pour les environnements avec des sources IR puissantes (par exemple, la lumière du soleil), des techniques de filtrage optique supplémentaire ou de modulation/démodulation peuvent être nécessaires.

8. Comparaison et différenciation technique

Le PD438C/S46 offre plusieurs avantages distincts dans sa catégorie :

• Filtre IR intégré :Contrairement à de nombreuses photodiodes basiques nécessitant un filtre séparé, l'époxy du boîtier est formulé pour filtrer la lumière, simplifiant l'assemblage et réduisant le nombre de composants.
• Boîtier latéral :Le boîtier cylindrique latéral de 4,8mm est un facteur de forme spécifique optimisé pour les applications où le trajet lumineux est parallèle au PCB, offrant un champ de vision compact et dirigé.
• Performance équilibrée :Il offre un bon équilibre entre vitesse (50ns), sensibilité (18 µA à 1 mW/cm²) et courant d'obscurité (5 nA), en faisant un choix polyvalent pour la détection IR générale.
• Caractéristiques robustes :Avec une tension inverse nominale de 32V et une large plage de température de fonctionnement (-40°C à +85°C), il convient aux environnements industriels et automobiles (pour les applications non critiques en termes de sécurité selon l'avertissement).

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

Q : Quelle est la différence entre le fonctionnement en mode photovoltaïque (polarisation nulle) et photoconducteur (polarisation inverse) ?

A : En mode photovoltaïque (V_R=0V), la photodiode génère sa propre tension (voir V_OC). Elle a un courant d'obscurité très faible mais une capacité plus élevée et une réponse plus lente. Le mode photoconducteur (application de V_R) élargit la région de déplétion, réduisant la capacité et accélérant la réponse (voir t_r/t_f), au prix d'un faible courant d'obscurité constant (I_d). Pour la détection haute vitesse, le mode photoconducteur est préféré.

Q : Comment interpréter le paramètre "Courant photoélectrique inverse (I_L)" ?

A : C'est le paramètre le plus utile pour la conception de circuit. Il vous indique que dans une condition lumineuse spécifique (1 mW/cm² à 940nm) et avec une polarisation inverse de 5V, vous pouvez vous attendre à un photocourant typique de 18 µA. Votre circuit d'amplification doit être conçu pour gérer cette plage de courant. La valeur minimale de 10,2 µA est importante pour la conception dans le pire des cas.

Q : Pourquoi le courant d'obscurité est-il important ?

A : Le courant d'obscurité est la principale source de bruit dans une photodiode en l'absence de lumière. Il fixe la limite inférieure de lumière détectable. Un courant d'obscurité plus faible (5 nA typique pour ce composant) signifie que le capteur peut détecter des signaux lumineux plus faibles. Notez que le courant d'obscurité double approximativement tous les 10°C d'augmentation de température.

Q : Puis-je l'utiliser avec des sources lumineuses autres que 940nm ?

A : Oui, mais avec une sensibilité réduite. Reportez-vous à la courbe de sensibilité spectrale. La photodiode répondra à la lumière d'environ 840nm à 1100nm, mais le courant de sortie pour la même puissance optique sera plus faible si la longueur d'onde n'est pas proche du pic de 940nm.

10. Cas pratique de conception et d'utilisation

Cas : Conception d'un capteur de proximité IR pour un robinet automatique.

1. Bloc système :Une LED IR (émettant à 940nm) et la photodiode PD438C/S46 sont placées côte à côte derrière une fenêtre translucide. La LED est pulsée. Lorsqu'aucun objet n'est présent, la plupart de la lumière IR se disperse. Lorsqu'une main est placée près du robinet, la lumière IR réfléchie entre dans la photodiode.
2. Raisonnement de la sélection des composants :Le PD438C/S46 est choisi car sa sensibilité de crête à 940nm correspond à la LED. Le filtre IR intégré dans son boîtier aide à rejeter la lumière visible ambiante des lampes au plafond, réduisant les déclenchements intempestifs. Le boîtier latéral permet à l'émetteur et au détecteur d'être montés à plat sur le PCB, pointant vers l'extérieur.
3. Conception du circuit :La photodiode est polarisée en inverse avec 5V. Sa sortie est connectée à un amplificateur de transimpédance. Le gain de l'amplificateur (résistance de contre-réaction) est réglé de sorte que le signal réfléchi attendu (une fraction des 18 µA/mW/cm²) produise une tension utilisable. Un comparateur après l'amplificateur détecte lorsque cette tension dépasse un seuil prédéfini.
4. Optimisation :La fréquence et la durée de l'impulsion de la LED sont choisies pour être en dehors de la fréquence du scintillement de la lumière ambiante (par exemple, 100Hz de l'éclairage secteur). Le système ne recherche que le signal synchronisé avec l'impulsion de la LED, offrant une excellente immunité au bruit.

11. Introduction au principe 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 d'énergie supérieure à la largeur de bande interdite du semi-conducteur (pour le silicium, longueurs d'onde inférieures à ~1100nm) frappent le dispositif, ils peuvent créer des paires électron-trou dans la région intrinsèque. Sous l'influence du champ électrique interne (en mode photovoltaïque) ou d'un champ de polarisation inverse appliqué (en mode photoconducteur), ces porteurs de charge sont séparés, générant un photocourant proportionnel à l'intensité lumineuse incidente. La large région intrinsèque dans une structure PIN réduit la capacité de jonction (permettant une réponse plus rapide) et augmente le volume d'absorption des photons (améliorant la sensibilité), par rapport à une photodiode PN standard.

12. Tendances et contexte technologiques

Les photodiodes PIN au silicium comme le PD438C/S46 sont des solutions matures, fiables et économiques pour la détection dans le proche infrarouge. Les tendances actuelles dans le domaine incluent :

• Intégration :Évolution vers des solutions intégrées combinant la photodiode, l'amplificateur, et parfois même le pilote de LED et la logique numérique dans un seul boîtier ou puce (par exemple, opto-ASIC).
• Miniaturisation :Développement de photodiodes dans des boîtiers montés en surface plus petits (par exemple, boîtiers à l'échelle de la puce) pour les applications à espace restreint comme les appareils mobiles.
• Matériaux spécialisés :Pour les longueurs d'onde au-delà de la coupure du silicium (~1100nm), des matériaux comme l'InGaAs sont utilisés. Cependant, le silicium reste dominant pour le spectre visible et proche-IR en raison de son faible coût et de son excellente fabricabilité.
• Performance améliorée :La recherche en cours se concentre sur la réduction supplémentaire de la capacité et du courant d'obscurité pour améliorer la vitesse et la sensibilité, souvent grâce à des profils de dopage et des structures de dispositif avancés.

Le PD438C/S46 représente un composant bien optimisé et spécifique à l'application dans ce paysage technologique plus large, offrant un équilibre pratique entre performance, taille et coût pour une large gamme de tâches de détection IR industrielles et grand public.