Fiche technique PD638B - Photodiode PIN Silicium 2,75x5,25mm - Tension inverse 32V - Puissance dissipée 150mW - Lentille noire - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

La PD638B est une photodiode PIN Silicium rapide et hautement sensible, logée dans un boîtier plastique plat à vue latérale compact mesurant 2,75 mm sur 5,25 mm. Ce composant est spécifiquement conçu pour les applications nécessitant une détection optique rapide. Son boîtier en époxy est formulé pour agir comme un filtre infrarouge (IR) intégré, ses caractéristiques spectrales étant soigneusement adaptées aux émetteurs IR courants, améliorant ainsi le rapport signal sur bruit dans les systèmes de détection IR. Le dispositif est conforme aux réglementations RoHS et REACH de l'UE et est fabriqué à partir de matériaux sans plomb.

1.1 Avantages principaux et marché cible

Les principaux avantages de la PD638B incluent ses temps de réponse exceptionnellement rapides, sa haute photosensibilité et sa faible capacité de jonction, qui sont critiques pour les applications à large bande passante. Son facteur de forme réduit la rend adaptée aux conceptions où l'espace est limité. Le boîtier avec filtre IR intégré simplifie la conception optique en réduisant le besoin de filtres externes. Cette photodiode est destinée aux marchés et applications impliquant la détection optique rapide, les systèmes d'imagerie et la commutation optoélectronique, comme dans l'électronique grand public, l'automatisation industrielle et les dispositifs de communication.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Cette section fournit une interprétation détaillée et objective des principaux paramètres techniques spécifiés dans la fiche technique, expliquant leur importance pour les ingénieurs de conception.

2.1 Valeurs maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Le fonctionnement à ces limites ou au-delà n'est pas garanti.

• Tension inverse (VR) :32 V. C'est la tension de polarisation inverse maximale qui peut être appliquée aux bornes de la photodiode. Dépasser cette tension risque de provoquer un claquage par avalanche et une défaillance du composant.
• Puissance dissipée (Pd) :150 mW. C'est la puissance maximale que le dispositif peut dissiper sous forme de chaleur, principalement déterminée par le produit de la tension inverse et du courant d'obscurité ou du photocourant dans les conditions de fonctionnement.
• Température de fonctionnement (Topr) :-40°C à +85°C. La plage de température ambiante dans laquelle le dispositif est spécifié pour fonctionner correctement.
• Température de stockage (Tstg) :-40°C à +100°C. La plage de température pour un stockage non opérationnel sans dégradation.
• Température de soudure (Tsol) :260°C pendant une durée n'excédant pas 5 secondes. Ceci est critique pour l'assemblage sur PCB utilisant des procédés de refusion ou de soudure manuelle pour éviter d'endommager le boîtier.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres, mesurés à Ta=25°C, définissent les performances principales de la photodiode en tant que capteur de lumière.

• Bande passante spectrale (λ0,5) :840 nm à 1100 nm. Cette plage indique les longueurs d'onde pour lesquelles la sensibilité de la photodiode est au moins la moitié de sa valeur de crête. Elle confirme que le dispositif est optimisé pour le spectre proche infrarouge.
• Longueur d'onde de sensibilité maximale (λp) :940 nm (Typique). La photodiode est la plus sensible à la lumière à cette longueur d'onde infrarouge, ce qui la rend idéale pour être associée à des LED IR de 940 nm.
• Tension en circuit ouvert (VOC) :0,35 V (Typique) à Ee=5 mW/cm², λp=940nm. C'est la tension générée par la photodiode en mode photovoltaïque (polarisation nulle) sous l'éclairement spécifié.
• Courant de court-circuit (ISC) :18 µA (Typique) à Ee=1 mW/cm², λp=940nm. C'est le photocourant généré lorsque les bornes de la diode sont court-circuitées (tension nulle à ses bornes).
• Courant lumineux inverse (IL) :18 µA (Typique, Min 10,2 µA) à Ee=1 mW/cm², λp=940nm, VR=5V. C'est un paramètre clé pour le fonctionnement en mode photoconducteur (polarisation inverse appliquée). Il définit le courant de signal pour une intensité lumineuse donnée.
• Courant d'obscurité (Id) :5 nA (Typique, Max 30 nA) à VR=10V. C'est le faible courant de fuite inverse qui circule lorsque le dispositif est dans l'obscurité totale. Un courant d'obscurité plus faible est préférable pour détecter des signaux lumineux faibles.
• Tension de claquage inverse (BVR) :170 V (Typique, Min 32 V) mesurée à IR=100µA. C'est la tension à laquelle le courant inverse augmente brusquement. La tension inverse de fonctionnement doit être bien inférieure à cette valeur.
• Capacité totale (Ct) :25 pF (Typique) à VR=3V, f=1 MHz. La capacité de jonction est un facteur critique limitant la bande passante. Une capacité plus faible permet des temps de réponse plus rapides.
• Temps de montée/descente (tr/tf) :50 ns / 50 ns (Typique) à VR=10V, RL=1 kΩ. Ceci spécifie la vitesse de la sortie de courant en réponse à un changement en échelon de l'intensité lumineuse. La valeur de 50 ns indique une aptitude aux applications de détection de moyenne à haute vitesse.

3. Explication du système de binning

La PD638B est disponible en différentes classes de performance, principalement basées sur le paramètre de Courant lumineux inverse (IL) mesuré dans des conditions standard (Ee=1 mW/cm², λp=940nm, VR=5V). Cela permet aux concepteurs de sélectionner un dispositif avec une plage de photocourant garantie pour une performance système cohérente.

• BIN1 :IL = 10,2 µA (Min) à 16,5 µA (Max)
• BIN2 :IL = 13,5 µA (Min) à 22,0 µA (Max)
• BIN3 :IL = 18,0 µA (Min) à 27,5 µA (Max)
• BIN4 :IL = 22,5 µA (Min) à 33,0 µA (Max)

La fiche technique note également les tolérances standard pour les paramètres associés : Intensité lumineuse (±10%), Longueur d'onde dominante (±1nm), et Tension directe (±0,1V), bien que celles-ci soient plus typiques pour les émetteurs et puissent être listées à titre de référence pour les produits associés.

4. Analyse des courbes de performance

Les courbes caractéristiques typiques donnent un aperçu visuel de la façon dont les paramètres clés varient avec les conditions de fonctionnement.

4.1 Puissance dissipée vs Température ambiante

Cette courbe montre la déclassement de la puissance maximale dissipable lorsque la température ambiante dépasse 25°C. Pour garantir la fiabilité, la puissance dissipée doit être réduite linéairement selon ce graphique lors d'un fonctionnement à des températures plus élevées.

4.2 Sensibilité spectrale

Ce tracé illustre la sensibilité normalisée de la photodiode sur le spectre des longueurs d'onde. Il confirme visuellement le pic à 940 nm et la bande passante spectrale définie de 840 nm à 1100 nm, montrant l'effet du filtre IR intégré pour atténuer la lumière visible.

4.3 Courant d'obscurité vs Température ambiante

Le courant d'obscurité est fortement dépendant de la température, doublant typiquement tous les 10°C d'augmentation de température. Cette courbe permet aux concepteurs d'estimer le bruit de fond (courant d'obscurité) à leur température de fonctionnement spécifique, ce qui est crucial pour les applications en faible lumière ou à gain élevé.

4.4 Courant lumineux inverse vs Éclairement énergétique (Ee)

Ce graphique démontre la relation linéaire entre le photocourant généré (IL) et l'éclairement énergétique incident. La linéarité est une caractéristique clé des photodiodes PIN, les rendant adaptées aux applications de mesure de la lumière.

4.5 Capacité des bornes vs Tension inverse

La capacité de jonction diminue avec l'augmentation de la tension de polarisation inverse. Cette courbe montre comment l'application d'une tension inverse plus élevée (dans les limites) peut réduire Ct, améliorant ainsi potentiellement la vitesse de réponse du circuit.

4.6 Temps de réponse vs Résistance de charge

Le temps de montée/descente est affecté par la constante de temps RC formée par la capacité de jonction de la photodiode et la résistance de charge externe (RL). Cette courbe guide la sélection de RL pour obtenir la bande passante souhaitée, montrant que des valeurs de RL plus petites donnent une réponse plus rapide mais des excursions de tension de sortie plus faibles.

5. Informations mécaniques et sur le boîtier

5.1 Dimensions du boîtier

La PD638B est fournie dans un boîtier plastique plat à vue latérale. Les dimensions clés du dessin sont une taille de corps de 2,75 mm (largeur) x 5,25 mm (longueur). L'espacement des broches et la hauteur totale sont également définis. Toutes les tolérances non spécifiées sont de ±0,25 mm sauf indication contraire sur le dessin coté. Le boîtier comporte une lentille noire qui sert de filtre IR intégré.

5.2 Identification de la polarité

Les bornes cathode (K) et anode (A) doivent être correctement identifiées pour un branchement de circuit approprié. Le diagramme du boîtier dans la fiche technique indique le brochage. Typiquement, la cathode est connectée à la tension la plus positive en fonctionnement à polarisation inverse (photoconducteur).

6. Recommandations de soudure et d'assemblage

La valeur maximale absolue pour la soudure est de 260°C pendant une durée n'excédant pas 5 secondes. Ceci est compatible avec les profils de soudure par refusion sans plomb standard (IPC/JEDEC J-STD-020). Il est crucial de respecter cette limite pour éviter les dommages thermiques au boîtier en époxy, à la fixation interne de la puce ou aux fils de liaison. Pour la soudure manuelle, un fer à souder à température contrôlée doit être utilisé avec un temps de contact minimal. Les précautions standard contre les décharges électrostatiques (ESD) doivent être observées pendant la manipulation et l'assemblage, car les photodiodes sont des dispositifs semi-conducteurs sensibles.

7. Informations sur l'emballage et la commande

7.1 Spécification de l'emballage

La configuration d'emballage standard est :
1. 500 pièces par sachet anti-statique.
2. 6 sachets par carton intérieur.
3. 10 cartons intérieurs par carton maître (extérieur).
Cela donne un total de 30 000 pièces par carton maître.

7.2 Spécification de l'étiquette

L'étiquette sur l'emballage contient plusieurs champs pour la traçabilité et l'identification :
CPN :Numéro de pièce du client.
P/N :Numéro de produit du fabricant (ex. : PD638B).
QTY :Quantité emballée.
CAT :Classe d'intensité lumineuse (code BIN).
HUE :Classe de longueur d'onde dominante.
REF :Classe de tension directe.
LOT No :Numéro de lot de fabrication pour la traçabilité.
X :Code du mois.
Un numéro de référence identifie l'étiquette elle-même.

8. Suggestions d'application

8.1 Scénarios d'application typiques

• Détecteur photo haute vitesse :Dans les liaisons de communication optique, les scanners de codes-barres ou les systèmes de détection d'impulsions où le temps de réponse de 50 ns est utilisé.
• Appareil photo :Probablement pour une utilisation dans la détection de filtre IR-cut, les capteurs de cellule photoélectrique ou la détection de proximité dans les modules d'appareil photo.
• Interrupteur optoélectronique :Dans la détection d'objets, la détection de position ou les modules interrupteurs où un faisceau IR est coupé.
• Magnétoscopes, Caméscopes :Pour la détection de fin de bande, les systèmes d'assistance à la mise au point automatique ou les circuits récepteurs de télécommande (bien que des modules récepteurs IR dédiés soient plus courants pour les RC).

8.2 Considérations de conception

• Sélection de la polarisation :Décidez entre le mode photovoltaïque (polarisation nulle, faible bruit) et le mode photoconducteur (polarisation inverse, vitesse plus rapide, linéarité) en fonction des besoins de l'application en termes de vitesse, de bruit et de linéarité de sortie.
• Circuit de polarisation :Pour le mode photoconducteur, assurez-vous d'une alimentation de polarisation inverse stable. Une simple résistance depuis une source de tension est courante, mais un amplificateur de transimpédance (TIA) basé sur un ampli-op est standard pour convertir le photocourant en tension avec un gain et une bande passante élevés.
• Bande passante vs Sensibilité :Il y a un compromis. L'utilisation d'une résistance de charge (RL) plus grande dans un circuit simple augmente la tension de sortie mais réduit la bande passante en raison d'une constante RC plus élevée. Une configuration TIA offre un meilleur contrôle de ce compromis.
• Alignement optique :Assurez un alignement mécanique approprié entre la source IR (ex. : LED 940nm) et la zone active de la photodiode, en tenant compte de l'orientation de son boîtier à vue latérale.
• Rejet de la lumière ambiante :Bien que le filtre IR intégré aide, des techniques de blindage optique supplémentaire ou de modulation/démodulation peuvent être nécessaires dans des environnements avec une forte lumière IR ambiante (ex. : soleil).

9. Comparaison et différenciation technique

Comparée aux photodiodes PN standard, la structure PIN de la PD638B offre des avantages distincts :
Région de déplétion plus large :La région intrinsèque (I) crée une largeur de zone de déplétion plus grande sous polarisation inverse. Cela conduit à :
1. Capacité de jonction plus faible :Permettant des temps de réponse plus rapides (50 ns contre typiquement des microsecondes pour certaines diodes PN).
2. Efficacité quantique plus élevée :La région plus large permet à plus de photons d'être absorbés dans la zone de déplétion, générant plus de porteurs par photon et résultant en une photosensibilité plus élevée.
3. Linéarité améliorée :Le champ électrique est plus uniforme dans la région I, conduisant à une meilleure linéarité entre l'intensité lumineuse et le photocourant sur une large plage.
Le filtre IR intégré est un autre facteur différenciant clé, réduisant le nombre de composants et simplifiant l'assemblage optique par rapport à l'utilisation d'une photodiode et d'un filtre séparés.

10. Questions fréquemment posées (Basées sur les paramètres techniques)

10.1 Quelle est la différence entre le Courant de court-circuit (ISC) et le Courant lumineux inverse (IL) ?

ISCest mesuré avec zéro volt aux bornes de la diode (court-circuit).ILest mesuré avec une polarisation inverse spécifiée appliquée (ex. : 5V). Dans une photodiode idéale, ils seraient égaux, mais en pratique, IL pourrait être légèrement plus élevé en raison du champ électrique balayant les porteurs plus efficacement. La fiche technique liste les deux ; IL est plus pertinent pour le fonctionnement typique en polarisation inverse.

10.2 Comment choisir le bon BIN ?

Sélectionnez le BIN en fonction du courant de signal minimum requis pour que votre circuit fonctionne de manière fiable. Si le gain de votre système est fixe, choisissez un BIN qui garantit le photocourant nécessaire au niveau de lumière attendu. BIN3 (18-27,5 µA) fournit la valeur typique. Pour une cohérence plus stricte d'un système à l'autre, spécifiez un BIN unique.

10.3 Puis-je faire fonctionner cette photodiode à des tensions comprises entre 5V et 32V ?

Oui, vous pouvez la faire fonctionner à n'importe quelle tension inverse jusqu'à la Valeur Maximale Absolue de 32V. Fonctionner à une polarisation inverse plus élevée (ex. : 10V ou 20V) réduira généralement la capacité de jonction (améliorant la vitesse) et peut légèrement augmenter le photocourant, mais cela augmentera également le courant d'obscurité. Le tableau des caractéristiques électro-optiques fournit des données spécifiques à VR=5V et VR=10V pour référence.

10.4 Un amplificateur externe est-il nécessaire ?

Pour la plupart des applications, oui. Le photocourant de sortie est de l'ordre du microampère. Un amplificateur de transimpédance (TIA) est le circuit standard pour convertir ce faible courant en un signal de tension utilisable avec un gain et une bande passante contrôlables. Une simple résistance de charge peut être utilisée pour des applications de commutation très basiques et basse vitesse.

11. Exemple pratique de conception et d'utilisation

Scénario : Conception d'un interrupteur optique coupe-faisceau haute vitesse.
Objectif :Détecter la présence d'un objet coupant un faisceau IR avec un temps de réponse inférieur à 100 µs.
Étapes de conception :
1. Appariement :Utilisez une LED IR de 940nm comme source lumineuse, pilotée par un courant pulsé pour économiser l'énergie et rejeter la lumière ambiante.
2. Polarisation :Faites fonctionner la PD638B en mode photoconducteur. Appliquez une polarisation inverse de 5V à 10V via une résistance de limitation de courant depuis l'alimentation.
3. Conditionnement du signal :Connectez l'anode de la photodiode à l'entrée inverseuse d'un ampli-op configuré en TIA. La cathode est connectée à l'alimentation de polarisation. La résistance de contre-réaction (Rf) du TIA fixe le gain (Vout = I_photo * Rf). Un condensateur de contre-réaction (Cf) en parallèle avec Rf est utilisé pour contrôler la bande passante et la stabilité.
4. Sélection des composants :Choisissez un ampli-op avec un produit gain-bande passante suffisant, un faible courant de polarisation d'entrée et un faible bruit. Sélectionnez Rf pour obtenir une excursion de tension de sortie appropriée lorsque le faisceau n'est pas coupé. Calculez Cf en fonction de la capacité de la photodiode (Ct ~25pF) et de la bande passante souhaitée : f_3dB ≈ 1/(2π * Rf * Ct) pour la limite RC de base, mais les calculs de stabilité de l'ampi-op sont cruciaux.
5. Traitement de la sortie :La sortie du TIA est une tension qui chute lorsque le faisceau est interrompu. Ce signal peut être envoyé dans un comparateur avec hystérésis pour créer un signal de sortie numérique propre.

12. Introduction au principe de fonctionnement

Une photodiode PIN est un dispositif semi-conducteur avec une structure de couches de type P, Intrinsèque (non dopée) et de type N. En mode de fonctionnement photoconducteur, une tension de polarisation inverse est appliquée. Cela élargit la région de déplétion, qui englobe principalement la couche intrinsèque. Lorsque des photons dont l'énergie est supérieure à la largeur de bande interdite du semi-conducteur (ex. : lumière infrarouge pour le silicium) frappent la région de déplétion, ils excitent les électrons de la bande de valence vers la bande de conduction, créant des paires électron-trou. Le fort champ électrique présent dans la région de déplétion dû à la polarisation inverse sépare rapidement ces porteurs et les entraîne vers les bornes respectives—les électrons vers le côté N et les trous vers le côté P. Ce mouvement de charge constitue un photocourant qui circule dans le circuit externe, proportionnel à l'intensité de la lumière incidente. Le rôle clé de la couche intrinsèque est de fournir une grande région à faible champ pour l'absorption des photons et la génération de porteurs, conduisant à une efficacité et une vitesse élevées tout en maintenant une faible capacité.

13. Tendances et évolutions technologiques

Le domaine de la photodétection continue d'évoluer. Les tendances générales pertinentes pour des composants comme la PD638B incluent :
Intégration accrue :Évolution vers des photodiodes intégrées avec des circuits d'amplification et de conditionnement de signal sur une seule puce (ex. : combinaisons photodiode-amplificateur intégrées).
Performances améliorées :Le développement continu vise des courants d'obscurité encore plus faibles, des vitesses plus élevées (temps de réponse sub-nanoseconde) et une sensibilité améliorée sur des plages spectrales plus larges.
Packaging avancé :Développement de packaging à l'échelle de la puce au niveau de la tranche (WLCSP) pour des empreintes encore plus petites et de meilleures performances haute fréquence, ainsi que des boîtiers avec lentilles intégrées pour une meilleure collecte de la lumière.
Nouveaux matériaux :Exploration de matériaux comme l'InGaAs pour la détection dans la gamme infrarouge étendue au-delà de la limite du silicium (~1100 nm). Cependant, les photodiodes PIN en silicium comme la PD638B restent la solution dominante et rentable pour le spectre proche-IR en raison de la technologie de fabrication mature du silicium et de son excellent rapport performance/coût.

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

Des clauses de non-responsabilité critiques et des notes d'utilisation sont fournies, auxquelles il faut adhérer :
1. Le fabricant se réserve le droit d'ajuster les spécifications des matériaux du produit.
2. Les produits répondent aux spécifications publiées pendant 12 mois à compter de la date d'expédition.
3. Les graphiques et valeurs typiques sont fournis à titre indicatif uniquement et ne représentent pas des limites minimales ou maximales garanties.
4. L'utilisateur est responsable du fonctionnement du dispositif dans les limites des Valeurs Maximales Absolues. Le fabricant n'assume aucune responsabilité pour les dommages résultant d'un fonctionnement en dehors de ces limites ou d'une mauvaise utilisation.
5. Le contenu de la fiche technique est protégé par le droit d'auteur ; sa reproduction nécessite un consentement préalable.
6. Ce produitn'estpas destiné à être utilisé dans des applications critiques pour la sécurité, militaires, aérospatiales, automobiles, médicales, de maintien des fonctions vitales ou de sauvetage. Pour de telles applications, contactez le fabricant pour des composants qualifiés.