Fiche technique de la photodiode PIN au silicium PD15-21B/TR8 - Boîtier 1206 (1.6x0.8x0.55mm) - Plage spectrale 730-1100nm - Pic 940nm - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

La PD15-21B/TR8 est une photodiode PIN au silicium haute performance logée dans un boîtier CMS (Composant Monté en Surface) miniature. Ce composant est spécifiquement conçu pour les applications de détection dans le spectre infrarouge, offrant une solution compacte et fiable pour les conceptions électroniques modernes nécessitant une détection optique.

1.1 Avantages clés et positionnement produit

Ce dispositif est conçu pour offrir plusieurs avantages essentiels pour la détection de précision. Il présente untemps de réponse rapide, lui permettant de détecter les variations rapides d'intensité lumineuse, ce qui est crucial pour des applications comme le comptage, le tri et la détection de position. Lahaute sensibilité photoélectriquegarantit une détection de signal fiable même dans des conditions de faible éclairement. De plus, lafaible capacité de jonctioncontribue à ses performances à haute vitesse. Le produit est fourni sur bande de 8mm standard de l'industrie, sur bobines de 7 pouces de diamètre, facilitant les processus d'assemblage automatisé. Il est entièrement conforme aux réglementations environnementales : sans plomb, conforme RoHS, conforme REACH UE, et sans halogène (Brome <900 ppm, Chlore <900 ppm, et leur somme <1500 ppm).

1.2 Marchés cibles et applications

Les marchés cibles principaux incluent l'automatisation industrielle, l'électronique grand public et les systèmes de sécurité. Sa taille miniature et son format CMS le rendent idéal pour les applications où l'espace est limité. Les cas d'utilisation typiques incluent :

• Interrupteurs optiques miniatures :Utilisés pour la détection d'objets, la détection de papier dans les imprimantes et les capteurs à fente.
• Compteurs et Trieurs :Employés sur les lignes d'assemblage pour le comptage et le tri de pièces basé sur la détection de présence/absence.
• Capteurs de position :Utilisés pour la détection de bord, les commutateurs de fin de course et les systèmes d'encodeurs rotatifs.
• Systèmes à infrarouge :Partie intégrante des systèmes utilisant des émetteurs infrarouges pour la transmission de données, la détection de proximité et la mesure de la lumière ambiante.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Une compréhension approfondie des spécifications du dispositif est cruciale pour une conception de circuit et une intégration système appropriées.

2.1 Caractéristiques maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites au-delà desquelles des dommages permanents peuvent survenir. Il n'est pas recommandé de faire fonctionner le dispositif en continu à ou près de ces limites.

• Tension inverse (V_R) :32 V. C'est la tension maximale qui peut être appliquée en polarisation inverse aux bornes de la photodiode.
• Température de fonctionnement (T_opr) :-25°C à +85°C. La plage de température ambiante pour un fonctionnement fiable.
• Température de stockage (T_stg) :-40°C à +85°C. La plage de température pour le stockage hors fonctionnement.
• Température de soudure (T_sol) :260°C pendant un maximum de 5 secondes. Ceci définit la température de pic du profil de refusion.
• Puissance dissipée (P_d) :150 mW à ou en dessous de 25°C en air libre. Ceci limite la puissance électrique totale que le dispositif peut supporter en toute sécurité.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres, mesurés à une température standard de 25°C, définissent les performances de détection principales de la photodiode.

• Bande spectrale (λ_0.5) :730 nm à 1100 nm. C'est la plage de longueurs d'onde où la sensibilité de la photodiode est au moins la moitié de sa valeur de pic. Elle indique la sensibilité à la lumière proche infrarouge.
• Longueur d'onde de sensibilité maximale (λ_P) :940 nm (typique). Le dispositif est spectralement adapté aux diodes émettrices infrarouges (IRED) courantes fonctionnant à cette longueur d'onde, maximisant ainsi l'efficacité du système.
• Courant de court-circuit (I_SC) :0,8 μA (typique) sous un éclairement (E_e) de 1 mW/cm² à 940 nm. C'est le photocourant généré lorsque la photodiode fonctionne en mode photovoltaïque (polarisation nulle).
• Courant photoélectrique inverse (I_L) :0,2 μA (min) à 0,8 μA (typique) sous un éclairement de 1 mW/cm² à 940 nm avec une tension de polarisation inverse (V_R) de 5V. Ce paramètre est pertinent pour le fonctionnement en mode photoconducteur, où une polarisation inverse externe est appliquée pour améliorer la vitesse et la linéarité.
• Courant d'obscurité (I_D) :10 nA (max) avec V_R=10V dans l'obscurité totale (E_e=0). C'est le faible courant de fuite qui circule même en l'absence de lumière. Un faible courant d'obscurité est essentiel pour un bon rapport signal/bruit, en particulier dans les applications à faible luminosité.
• Tension de claquage inverse (BV_R) :32 V (min), 170 V (typique) mesurée à un courant inverse de 100 μA. Ceci indique une tension de claquage très élevée, offrant une large marge de fonctionnement en dessous de la caractéristique maximale absolue de 32V.

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.

3.1 Dégradation de puissance

Fig.1 : Puissance dissipée en fonction de la température ambiantemontre comment la puissance maximale admissible diminue lorsque la température ambiante augmente au-dessus de 25°C. Les concepteurs doivent dégrader la puissance en conséquence pour éviter une surcontrainte thermique.

3.2 Réponse spectrale

Fig.2 : Sensibilité spectralereprésente graphiquement la sensibilité relative de la photodiode sur l'ensemble du spectre lumineux, confirmant son pic à 940 nm et la bande passante définie de 730-1100 nm.

3.3 Dépendance à la température

Fig.3 : Courant d'obscurité en fonction de la température ambianteillustre que le courant d'obscurité double approximativement tous les 10°C d'augmentation de température. C'est un comportement fondamental des semi-conducteurs et doit être pris en compte dans les applications à haute température ou de précision.Fig.4 : Courant photoélectrique inverse en fonction de l'éclairement (E_e)démontre la relation linéaire entre la puissance lumineuse incidente et le photocourant généré, une caractéristique clé des photodiodes PIN.

3.4 Réponse angulaire

Fig.5 : Intensité rayonnante relative en fonction du déplacement angulairemontre la sensibilité directionnelle du dispositif. Le boîtier en époxy noir avec une lentille sphérique fournit un angle de vision spécifique, ce qui influence la façon dont la photodiode doit être alignée avec une source lumineuse dans la conception du système.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions du boîtier

Le dispositif est conforme à l'empreinte CMS standard 1206 (3216 métrique) : environ 1,6 mm de longueur, 0,8 mm de largeur et 0,55 mm de hauteur (excluant le dôme de la lentille). Des dessins dimensionnels détaillés avec des tolérances de ±0,1 mm sont fournis pour la conception du motif de pastilles du PCB. Un agencement de pastilles suggéré est donné à titre de référence, mais il est conseillé aux concepteurs de le modifier en fonction de leur processus de fabrication de PCB spécifique et de leurs exigences thermiques.

4.2 Identification de la polarité

La photodiode est moulée en époxy noir. La borne cathode est généralement marquée ou identifiée dans le dessin de contour du boîtier. Une connexion de polarité correcte est essentielle pour un fonctionnement approprié en mode à polarisation inverse (photoconducteur).

5. Recommandations de soudage et d'assemblage

Une manipulation appropriée est cruciale pour maintenir la fiabilité et les performances du dispositif.

5.1 Stockage et sensibilité à l'humidité

Le dispositif est sensible à l'humidité. Le sac barrière contre l'humidité ne doit pas être ouvert avant d'être prêt à l'emploi. Après ouverture, la "durée de vie en atelier" est de 168 heures (7 jours) lorsqu'il est stocké à 10-30°C et ≤60% HR. Les dispositifs non utilisés doivent être remis en sachet avec du dessiccant. Si la durée de vie en atelier est dépassée ou si le dessiccant indique une absorption d'humidité, un séchage à 60°C ±5°C et <5% HR pendant 96 heures est requis avant utilisation.

5.2 Soudage par refusion

Un profil de température de soudure sans plomb est recommandé, avec une température de pic de 260°C pendant un maximum de 5 secondes. Le soudage par refusion ne doit pas être effectué plus de deux fois. Il faut éviter toute contrainte sur le corps du composant pendant le chauffage et le gauchissement du PCB après soudure.

5.3 Soudage manuel et retouche

Si un soudage manuel est nécessaire, utilisez un fer à souder avec une température de pointe inférieure à 350°C et une capacité de 25W ou moins. Le temps de contact par borne doit être inférieur à 3 secondes, avec des intervalles de plus de 2 secondes entre le soudage de chaque borne. La retouche est fortement déconseillée. Si elle est inévitable, un fer à souder à double tête spécialisé doit être utilisé pour chauffer simultanément les deux bornes, et l'effet sur les caractéristiques du dispositif doit être vérifié au préalable.

6. Emballage et informations de commande

6.1 Spécifications de la bande et de la bobine

Le produit est fourni sur bande porteuse gaufrée de 8 mm de large sur des bobines de 7 pouces (178 mm) de diamètre. Chaque bobine contient 2000 pièces. Les dimensions détaillées de la bande porteuse et de la bobine sont fournies pour garantir la compatibilité avec les équipements de placement automatique pick-and-place.

6.2 Spécification de l'étiquette

L'étiquette de la bobine comprend des informations standard telles que le numéro de pièce client (CPN), le numéro de pièce fabricant (P/N), le numéro de lot, la quantité, la longueur d'onde de pic (HUE), les rangs (CAT), la référence (REF), le niveau de sensibilité à l'humidité (MSL-X) et le pays de fabrication.

7. Considérations de conception d'application

7.1 Protection du circuit

Note critique :La fiche technique avertit explicitement qu'une résistance de limitation de courant externedoitêtre utilisée en série avec la photodiode. Sans cette résistance, un léger décalage de tension peut provoquer un changement important de courant, pouvant entraîner une destruction immédiate du dispositif. La valeur de la résistance doit être calculée en fonction de la tension d'alimentation et du photocourant maximal attendu.

7.2 Modes de polarisation

La photodiode peut être utilisée dans deux modes principaux :

1. Mode photovoltaïque (polarisation nulle) :La photodiode génère une tension/courant lorsqu'elle est éclairée, sans polarisation externe appliquée. Ce mode offre un très faible courant d'obscurité et un bruit réduit, mais des temps de réponse plus lents.
2. Mode photoconducteur (polarisation inverse) :Une tension inverse externe est appliquée (par exemple, 5V comme dans la condition de test). Cela élargit la zone de déplétion, réduisant la capacité de jonction et augmentant ainsi la vitesse et la bande passante. Cela améliore également la linéarité mais augmente le courant d'obscurité.

Le choix dépend de l'exigence de l'application en matière de vitesse par rapport aux performances de bruit.

7.3 Interface avec les amplificateurs

Pour amplifier le faible photocourant (plage des μA), un circuit d'amplificateur transimpédance (TIA) est couramment utilisé. Ce circuit convertit le courant de la photodiode en une tension de sortie proportionnelle. Les principales considérations de conception pour le TIA incluent la sélection d'un amplificateur opérationnel à faible courant de polarisation d'entrée et faible bruit, et le calcul de la résistance et du condensateur de rétroaction pour le gain et la bande passante souhaités tout en maintenant la stabilité.

8. Comparaison et différenciation techniques

Comparée aux phototransistors, cette photodiode PIN au silicium offre une vitesse et une linéarité supérieures grâce à sa région intrinsèque, qui réduit la capacité. Sa réponse dépend purement de la lumière incidente, contrairement à un phototransistor qui a un gain en courant et peut être plus lent et moins linéaire. Comparée à d'autres photodiodes, son boîtier 1206 offre un bon équilibre entre miniaturisation et facilité de manipulation/assemblage, tandis que sa haute tension de claquage et son adaptation spectrale spécifique aux IRED à 940nm sont des avantages distincts pour les applications ciblées de détection infrarouge.

9. Questions fréquemment posées (FAQ)

9.1 Quelle est la différence entre I_SCet I_L?

I_SC(Courant de court-circuit) est mesuré avec zéro volt aux bornes de la diode (mode photovoltaïque). I_L(Courant photoélectrique inverse) est mesuré avec une tension de polarisation inverse appliquée (mode photoconducteur). I_Lest typiquement très proche de I_SCpour les photodiodes PIN.

9.2 Pourquoi une résistance série est-elle obligatoire ?

Une photodiode, lorsqu'elle est éclairée, agit essentiellement comme une source de courant. Si elle est connectée directement à une source de tension sans résistance série, il n'y a aucun mécanisme pour limiter le courant, entraînant une dissipation de puissance excessive et une défaillance instantanée.

9.3 Comment choisir la tension inverse de fonctionnement ?

Pour le mode photoconducteur, une tension inverse comprise entre 5V et une valeur sûrement inférieure à la caractéristique maximale de 32V peut être utilisée. Une polarisation inverse plus élevée réduit davantage la capacité (augmentant la vitesse) mais augmente également légèrement le courant d'obscurité. Un point de fonctionnement courant est 5V ou 12V.

10. Étude de cas de conception et d'utilisation

Cas : Comptage d'objets sur un tapis roulant

Une LED infrarouge (940nm) est placée d'un côté du tapis, et la photodiode PD15-21B/TR8 est placée directement en face. Les objets passant entre eux interrompent le faisceau infrarouge. La photodiode fonctionne en mode photoconducteur avec une polarisation inverse de 5V fournie via une résistance série de 10kΩ pour la protection. La chute de tension aux bornes d'une résistance de charge (ou la sortie d'un amplificateur transimpédance connecté à la photodiode) est surveillée par un microcontrôleur. Une chute soudaine de cette tension indique la présence d'un objet, déclenchant un comptage. Le temps de réponse rapide de la photodiode permet un comptage précis d'objets se déplaçant à grande vitesse. Le petit boîtier 1206 facilite l'intégration dans une tête de capteur compacte.

11. Principe de fonctionnement

Une photodiode PIN est un dispositif semi-conducteur avec une large région intrinsèque (I) légèrement dopée prise en sandwich entre des régions de type P et de type N. Lorsque des photons dont l'énergie est supérieure à la bande interdite du semi-conducteur frappent le dispositif, ils créent des paires électron-trou dans la région intrinsèque. Sous l'influence du champ électrique interne (ou d'une polarisation inverse externe appliquée), ces porteurs de charge sont séparés, générant un photocourant proportionnel à l'intensité lumineuse incidente. La région intrinsèque réduit la capacité de jonction, permettant des temps de réponse plus rapides par rapport aux photodiodes PN standard.

12. Tendances de l'industrie

La tendance en optoélectronique continue vers une miniaturisation accrue, une intégration plus élevée et des performances améliorées. La demande de capteurs dans l'électronique grand public (smartphones, wearables), l'automobile (LiDAR, surveillance du conducteur) et l'IoT industriel est croissante. Les photodiodes comme la PD15-21B/TR8, qui offrent un équilibre entre performances, taille et coût, sont bien positionnées pour ces marchés. Les développements futurs pourraient inclure des photodiodes intégrées avec amplification sur puce et interfaces numériques, ainsi que des dispositifs sensibles à des longueurs d'onde spécifiques pour les applications d'analyse spectrale.

Avertissement : Les informations fournies dans ce document sont à titre de référence technique. Les concepteurs doivent vérifier tous les paramètres et s'assurer que leur application fonctionne dans les limites des caractéristiques maximales absolues spécifiées. Les performances peuvent varier selon les conditions de fonctionnement.