Fiche technique de la photodiode PIN au silicium PD438B/S46 - 4.8mm semi-lentille - Boîtier noir - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Le PD438B/S46 est une photodiode PIN au silicium haute performance conçue pour les applications nécessitant une réponse rapide et une sensibilité élevée. Elle est logée dans un boîtier plastique cylindrique compact vue latérale avec une semi-lentille de 4.8mm. Une caractéristique clé de ce composant est sa résine de conditionnement, formulée pour agir comme un filtre infrarouge (IR) intégré. Ce filtre est adapté spectralement aux émetteurs IR courants, améliorant ses performances dans les applications de détection IR en réduisant la sensibilité à la lumière visible non désirée.

Les avantages principaux de cette photodiode incluent ses temps de réponse rapides, essentiels pour les applications de transmission de données et de commutation à haute vitesse, ainsi que sa haute photosensibilité, lui permettant de détecter efficacement de faibles niveaux de lumière. Sa faible capacité de jonction contribue à la réponse rapide et la rend adaptée aux circuits haute fréquence. Le composant est fabriqué avec des matériaux sans plomb et est conforme aux réglementations environnementales pertinentes telles que RoHS et REACH de l'UE, le rendant adapté aux produits ayant des exigences strictes de conformité environnementale.

Les marchés et applications cibles principaux du PD438B/S46 se trouvent dans l'électronique grand public, l'automatisation industrielle et les systèmes de communication. Ses spécifications en font un composant idéal pour les concepteurs travaillant sur les liaisons de données optiques à haute vitesse, les systèmes de détection de présence et les équipements de mesure de lumière de précision.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques absolues maximales

Le composant est conçu pour supporter une tension inverse maximale (VR) de 32V. La dissipation de puissance maximale (Pd) est de 150 mW, ce qui définit les limites thermiques de fonctionnement. Les broches peuvent être soudées à une température allant jusqu'à 260°C pendant une durée n'excédant pas 5 secondes, ce qui est compatible avec les procédés de soudure par refusion standards. La plage de température de fonctionnement est spécifiée de -40°C à +85°C, et il peut être stocké dans des environnements allant de -40°C à +100°C. Ces caractéristiques garantissent des performances fiables dans une grande variété de conditions environnementales.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

La réponse spectrale de la photodiode est définie par sa plage de largeur de bande spectrale (λ0.5), qui s'étend de 840 nm à 1100 nm. La longueur d'onde de sensibilité maximale (λp) est à 940 nm, la plaçant directement dans la région du proche infrarouge, couramment utilisée pour les télécommandes, les capteurs optiques et les communications en espace libre.

Sous une irradiance de 5 mW/cm² à 940 nm, la tension en circuit ouvert typique (VOC) est de 0.35V. Le courant de court-circuit (ISC), mesuré à 1 mW/cm² et 940 nm, est typiquement de 18 µA. Ce paramètre est une mesure directe de la capacité de génération de courant du composant sous éclairement.

Le courant photoélectrique inverse (IL) est le photocourant généré lorsque la diode est polarisée en inverse. À VR=5V et Ee=1 mW/cm² (λp=940nm), la valeur typique est de 18 µA, avec une valeur minimale garantie de 10.2 µA. Le courant d'obscurité (Id), qui est le courant de fuite sans éclairement à VR=10V, est typiquement de 5 nA avec un maximum de 30 nA. Un faible courant d'obscurité est essentiel pour obtenir un bon rapport signal/bruit, en particulier dans les scénarios de détection en faible lumière.

La tension de claquage inverse (BVR) est spécifiée à un minimum de 32V lorsqu'un courant de 100 µA circule, avec une valeur typique pouvant atteindre 170V. La capacité totale des bornes (Ct) à VR=5V et 1 MHz est typiquement de 18 pF. Cette faible capacité est un facteur clé permettant les temps de montée et de descente rapides. Les temps de montée et de descente (tr/tf) sont tous deux typiquement de 50 nanosecondes lorsque le composant fonctionne à VR=10V avec une résistance de charge (RL) de 1 kΩ.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques qui offrent un aperçu plus approfondi du comportement du composant dans diverses conditions.

Figure 1 : Dissipation de puissance vs Température ambianteillustre la dégradation de la dissipation de puissance maximale admissible lorsque la température ambiante augmente. Ce graphique est crucial pour la conception de la gestion thermique afin de prévenir la surchauffe et d'assurer une fiabilité à long terme.

Figure 2 : Sensibilité spectralemontre la réponse relative de la photodiode sur le spectre des longueurs d'onde d'environ 600 nm à 1200 nm. La courbe culmine à 940 nm et montre l'action de filtrage efficace de la résine du boîtier, qui atténue la réponse en dehors de la bande IR cible.

Figure 3 : Courant d'obscurité vs Température ambiantedémontre comment le courant de fuite (Id) augmente de façon exponentielle avec la température. Cette relation est vitale pour les applications fonctionnant à des températures élevées, car elle définit le bruit de fond du capteur.

Figure 4 : Courant photoélectrique inverse vs Irradiance (Ee)représente la relation linéaire entre le photocourant généré et la densité de puissance lumineuse incidente. Cette linéarité est une propriété fondamentale des photodiodes PIN et est essentielle pour les applications de mesure analogique de la lumière.

Figure 5 : Capacité des bornes vs Tension inversemontre que la capacité de jonction diminue avec l'augmentation de la tension de polarisation inverse. Les concepteurs peuvent utiliser cette relation pour optimiser la vitesse de leur circuit en sélectionnant un point de polarisation approprié.

Figure 6 : Temps de réponse vs Résistance de chargeindicates how the rise/fall time of the photodiode's output signal is affected by the load resistance connected to it. Faster response is achieved with lower load resistances, though this may trade off against output voltage swing.

4. Informations mécaniques et de conditionnement

4.1 Dimensions du boîtier

Le PD438B/S46 est fourni dans un boîtier cylindrique vue latérale. Les dimensions clés incluent un diamètre de corps et une hauteur de semi-lentille comme défini dans le dessin du boîtier. Toutes les tolérances non spécifiées pour les dimensions linéaires sont de ±0.25mm. Le boîtier est de couleur noire, ce qui aide à réduire les interférences de lumière parasite. La configuration vue latérale permet de détecter la lumière depuis une direction parallèle au plan du PCB, ce qui est utile dans des applications comme la détection de papier dans les imprimantes ou la détection de bord.

4.2 Identification de la polarité

La cathode est généralement identifiée par une broche plus longue, une encoche ou un méplat sur le corps du boîtier. La polarité correcte doit être respectée lors de l'assemblage, car la polarisation inverse est la condition de fonctionnement standard pour les photodiodes utilisées en mode photoconducteur.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Le composant est adapté aux procédés de soudure à la vague et par refusion. La caractéristique absolue maximale pour la température de soudure des broches est de 260°C, avec une note indiquant que le temps de soudure ne doit pas excéder 5 secondes. Il est recommandé de suivre les directives IPC standard pour le soudage des composants électroniques. Le composant doit être stocké dans un environnement sec et anti-statique dans sa plage de température de stockage spécifiée de -40°C à +100°C pour éviter l'absorption d'humidité et les dommages électrostatiques.

6. Informations de conditionnement et de commande

La spécification de conditionnement standard est la suivante : 200 à 500 pièces sont conditionnées dans un sac barrière à l'humidité. Six de ces sacs sont placés dans un carton intérieur. Dix cartons intérieurs sont ensuite conditionnés dans un carton d'expédition principal. L'étiquette sur l'emballage comprend des champs pour le numéro de pièce client (CPN), le numéro de pièce fabricant (P/N), la quantité conditionnée (QTY) et le numéro de lot (LOT No.). D'autres champs comme CAT, HUE et REF, courants pour les LED pour désigner l'intensité, la longueur d'onde et les classes de tension, ne sont pas applicables pour cette photodiode car elle n'est pas classée de la même manière ; ces champs peuvent être laissés vides ou utilisés pour d'autres informations de traçabilité.

7. Suggestions d'application

7.1 Scénarios d'application typiques

• Détection photo haute vitesse :Idéal pour les codeurs optiques, la communication de données sur fibre optique plastique (POF) et la détection de faisceau laser où une réponse en nanosecondes est requise.
• Applications caméra :Peut être utilisé pour la détection de lumière ambiante (ALS) ou la détection de proximité IR dans les smartphones, tablettes et appareils photo numériques. Le filtre IR intégré aide à mesurer avec précision les niveaux IR.
• Commutateurs optoélectroniques :Adapté pour la détection d'objets, le comptage et la détection de position dans les distributeurs automatiques, l'automatisation industrielle et les systèmes de sécurité.
• Électronique grand public :Utilisé dans les magnétoscopes et caméras vidéo pour la détection de fin de bande ou la réception de signaux de contrôle.

7.2 Considérations de conception

Lors de la conception d'un circuit avec le PD438B/S46, considérez les points suivants :

• Tension de polarisation :Une tension de polarisation inverse (typiquement 5V à 10V selon les conditions de la fiche technique) est appliquée pour élargir la zone de déplétion, réduisant la capacité et améliorant la vitesse. Assurez-vous que la tension n'excède pas la caractéristique maximale de 32V.
• Résistance de charge (RL) :La valeur de RL dans la configuration transimpédance affecte directement la bande passante et la tension de sortie. Un RL plus petit donne une réponse plus rapide mais un signal de sortie plus faible. La Figure 6 de la fiche technique est une référence clé.
• Amplification :Le photocourant est faible (microampères). Un amplificateur transimpédance (TIA) est presque toujours utilisé pour convertir ce courant en un signal de tension utilisable. Choisissez un ampli-op avec un faible courant de polarisation d'entrée et une bande passante suffisante.
• Réduction du bruit :Protégez la photodiode et ses pistes de connexion du bruit électrique. Utilisez un condensateur de découplage près des broches d'alimentation du composant si un circuit de polarisation actif est utilisé. Le faible courant d'obscurité aide à maintenir un bon rapport signal/bruit.
• Considérations optiques :Assurez-vous que la lentille est propre et non obstruée. Le boîtier vue latérale peut nécessiter une conception mécanique minutieuse pour aligner correctement le chemin lumineux.

8. Comparaison et différenciation technique

Comparée aux photodiodes PN standard, la structure PIN du PD438B/S46 offre des avantages distincts. La région intrinsèque (I) entre les couches P et N crée une zone de déplétion plus large. Cela se traduit par deux avantages principaux :1) Capacité de jonction plus faible :La zone de déplétion plus large agit comme un diélectrique plus épais, réduisant significativement la capacité (typiquement 18 pF), ce qui est le principal facteur permettant un fonctionnement à haute vitesse.2) Linéarité et sensibilité améliorées :La large région intrinsèque permet une collecte plus efficace des porteurs photogénérés sur un volume plus large, conduisant à une meilleure linéarité du photocourant vs irradiance et potentiellement à une efficacité quantique plus élevée à sa longueur d'onde de crête.

De plus, l'intégration d'une résine filtrante IR directement dans le boîtier est une caractéristique différenciante. Elle élimine le besoin d'un filtre IR externe séparé, économisant de l'espace, réduisant les coûts et simplifiant l'assemblage. Cela la rend particulièrement avantageuse pour les conceptions d'électronique grand public compactes.

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

Q : Quelle est la différence entre le courant de court-circuit (ISC) et le courant photoélectrique inverse (IL) ?

R : L'ISC est mesuré avec zéro volt aux bornes de la diode (condition de court-circuit). L'IL est mesuré lorsque la diode est polarisée en inverse (par exemple, à VR=5V). En pratique, pour une photodiode PIN, ces valeurs sont très similaires car le photocourant est largement indépendant de la tension de polarisation inverse dans la plage de fonctionnement normale.

Q : Pourquoi le temps de montée/descente est-il spécifié avec une charge de 1 kΩ ?

R : La charge de 1 kΩ représente une condition de charge courante pour les tests et les circuits simples. Le temps de réponse réel dans votre application dépendra de la résistance de charge spécifique de votre circuit et des capacités parasites, comme le montre la Figure 6.

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

R : Bien que le matériau silicium lui-même soit sensible à la lumière visible (comme on le voit dans la courbe spectrale s'étendant jusqu'à ~600nm), le boîtier en résine noire agit comme un filtre puissant. Sa sensibilité dans le spectre visible sera grandement atténuée par rapport à son pic à 940 nm. Elle est principalement conçue pour les applications proche-IR.

Q : Comment interpréter les valeurs "Typ." dans le tableau des caractéristiques ?

R : "Typ." signifie valeur typique, qui est la moyenne attendue dans des conditions spécifiées. Elle n'est pas garantie. À des fins de conception, en particulier pour les paramètres critiques, vous devez utiliser les valeurs "Min." ou "Max." pour vous assurer que votre circuit fonctionnera correctement pour toutes les variations de production et conditions.

10. Exemples pratiques de conception et d'utilisation

Exemple 1 : Commutateur de détection d'objet simple

Un interrupteur optique de base peut être construit en associant le PD438B/S46 avec une LED IR (par exemple, émettant à 940 nm). La photodiode est connectée en polarisation inverse avec une résistance de pull-up vers Vcc (par exemple, 5V). Le nœud de sortie entre la résistance et la cathode de la photodiode est envoyé vers un comparateur ou une entrée numérique d'un microcontrôleur. Lorsqu'un objet interrompt le faisceau IR entre la LED et la photodiode, le photocourant chute, provoquant une augmentation de la tension au nœud de sortie, déclenchant le signal de détection. Le temps de réponse rapide permet la détection d'objets en mouvement rapide.

Exemple 2 : Capteur de lumière ambiante avec microcontrôleur

Pour la mesure analogique du niveau de lumière, la photodiode peut être connectée à un amplificateur transimpédance. La tension de sortie du TIA, proportionnelle à l'intensité de la lumière IR incidente, est ensuite envoyée vers une entrée convertisseur analogique-numérique (ADC) d'un microcontrôleur. Le MCU peut utiliser cette lecture pour ajuster automatiquement la luminosité d'un affichage ou pour déterminer si un signal de télécommande IR est présent. Le filtre IR intégré aide à s'assurer que la lecture est spécifique à la composante IR de la lumière ambiante.

11. Introduction au principe de fonctionnement

Une photodiode PIN est un dispositif semi-conducteur qui convertit la lumière en courant électrique. Elle consiste en une couche de matériau semi-conducteur intrinsèque (non dopé ou légèrement dopé) (la région "I") prise en sandwich entre une couche de type P et une couche de type N. Lorsque des photons ayant une énergie supérieure à la largeur de bande interdite du semi-conducteur (pour le silicium, lumière de longueur d'onde inférieure à ~1100 nm) frappent le dispositif, ils peuvent créer des paires électron-trou dans la région intrinsèque. Lorsqu'une tension de polarisation inverse est appliquée, elle crée un champ électrique fort à travers la région intrinsèque. Ce champ balaie rapidement les porteurs photogénérés vers les bornes respectives—les électrons vers le côté N et les trous vers le côté P—générant un photocourant mesurable dans le circuit externe. La largeur de la région intrinsèque est clé : elle permet une génération et une collecte efficaces des porteurs tout en maintenant une faible capacité du dispositif.

12. Tendances et contexte technologiques

Les photodiodes PIN au silicium comme le PD438B/S46 représentent une technologie mature et très fiable. Les tendances actuelles dans ce domaine se concentrent sur plusieurs axes :Miniaturisation :Développement d'empreintes de boîtier plus petites (par exemple, boîtiers à l'échelle de la puce) pour les applications à espace limité comme les dispositifs portables et les téléphones mobiles.Intégration :Combinaison de la photodiode avec l'amplification, la numérisation et les circuits de traitement du signal sur une seule puce pour créer des capteurs optiques intelligents.Performance améliorée :Recherche sur des structures comme les photodiodes à avalanche (APD) pour les applications nécessitant une sensibilité extrême, bien qu'elles soient plus complexes et coûteuses.Nouveaux matériaux :Exploration de matériaux comme le germanium ou les composés III-V (par exemple, InGaAs) pour la détection dans les longueurs d'onde infrarouges plus longues, qui ne sont pas accessibles avec le silicium standard. Pour les applications proche-IR grand public jusqu'à 1100 nm, le silicium reste le matériau de choix dominant et rentable en raison de son excellente fabricabilité et de ses performances.