Fiche technique - Photodiode PIN au silicium subminiature ronde 1,8mm PD42-21B/TR8 - Dimensions 1,8mm de diamètre - Lentille noire - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Le PD42-21B/TR8 est une photodiode PIN au silicium rapide et sensible, conçue pour les applications de détection infrarouge. Logée dans un boîtier CMS (Dispositif Monté en Surface) miniature de 1,8 mm de diamètre avec une lentille sphérique en vue de dessus et un moulage plastique noir, ce composant est spectralement optimisé pour correspondre aux diodes électroluminescentes infrarouges courantes. Sa fonction principale est de convertir la lumière incidente, en particulier dans le spectre infrarouge, en un courant électrique.

Les avantages fondamentaux du dispositif découlent de son temps de réponse rapide, de sa haute photosensibilité et de sa faible capacité de jonction, le rendant adapté aux applications nécessitant une détection lumineuse rapide et fiable. Il est fourni en format bande et bobine compatible avec les processus d'assemblage automatisés, respectant les normes environnementales modernes en étant sans plomb (Pb-free), conforme RoHS, conforme REACH UE et sans halogène.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

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

• Tension inverse (VR) :32 V - La tension maximale pouvant être appliquée en polarisation inverse aux bornes de la photodiode.
• Température de fonctionnement (Topr) :-25°C à +85°C - La plage de température ambiante pour un fonctionnement normal du dispositif.
• Température de stockage (Tstg) :-40°C à +85°C - La plage de température pour un stockage hors fonctionnement.
• Température de soudure (Tsol) :260°C pendant un maximum de 5 secondes - La limite de température de pic pendant le soudage par refusion.
• Dissipation de puissance (Pd) :150 mW à 25°C - La puissance maximale que le dispositif peut dissiper.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres, mesurés à 25°C, définissent les performances de la photodiode dans des conditions de test spécifiées.

• Bande passante spectrale (λ0.5) :730 nm à 1100 nm - La plage de longueur d'onde où la sensibilité de la photodiode est au moins la moitié de sa valeur de pic. Cela définit sa fenêtre de sensibilité.
• Longueur d'onde de sensibilité de pic (λP) :940 nm (Typique) - La longueur d'onde de la lumière à laquelle la photodiode est la plus sensible. Cela l'aligne avec les DEL IR courantes à 940nm.
• Tension en circuit ouvert (VOC) :0,42 V (Typique) à Ee=5 mW/cm², λP=940nm - La tension générée aux bornes de la photodiode sous éclairement lorsqu'aucun courant n'est prélevé (circuit ouvert).
• Courant de court-circuit (ISC) :4,0 μA (Typique) à Ee=1 mW/cm², λP=875nm - Le courant circulant à travers la photodiode lorsque ses bornes sont court-circuitées sous éclairement.
• Courant lumineux inverse (IL) :4,0 μA (Typique) à Ee=1 mW/cm², λP=875nm, VR=5V - Le photocourant généré lorsque le dispositif est polarisé en inverse. C'est le paramètre de fonctionnement principal pour la plupart des circuits de détection.
• Courant d'obscurité (ID) :10 nA (Max) à VR=10V - Le faible courant de fuite inverse qui circule lorsque le dispositif est dans l'obscurité totale. Des valeurs plus basses indiquent un meilleur rapport signal/bruit.
• Tension de claquage inverse (VBR) :32 V (Min), 170 V (Typ) à IR=100μA - La tension à laquelle le courant inverse augmente brusquement. Fonctionner près ou au-dessus de cette tension peut causer des dommages.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique inclut des courbes caractéristiques typiques qui fournissent un aperçu visuel du comportement du dispositif au-delà des spécifications ponctuelles.

3.1 Sensibilité spectrale (Fig. 1)

Cette courbe trace la sensibilité relative de la photodiode en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente. Elle confirme graphiquement la bande passante spectrale et la sensibilité de pic à 940nm. La courbe montre une augmentation rapide de la sensibilité à partir d'environ 700nm, atteignant un pic à 940nm, puis diminuant progressivement vers 1100nm. Cette forme est caractéristique des photodétecteurs à base de silicium.

3.2 Courant lumineux inverse en fonction de l'éclairement (Fig. 2)

Ce graphique illustre la relation entre le photocourant généré (IL) et la densité de puissance lumineuse incidente (Ee). Pour une photodiode PIN fonctionnant en mode photoconducteur (polarisée en inverse), cette relation est typiquement linéaire sur une large plage. Cette linéarité est cruciale pour les applications de détection de lumière analogique où le signal de sortie doit être directement proportionnel à l'intensité lumineuse.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions du boîtier

Le PD42-21B/TR8 est un dispositif subminiature rond d'un diamètre de corps de 1,8mm. Le dessin mécanique détaillé fournit toutes les dimensions critiques, y compris la hauteur totale, la forme de la lentille, l'espacement des broches et les recommandations de pastilles. La disposition de pastilles suggérée est à titre indicatif ; les concepteurs doivent l'ajuster en fonction de leurs règles de conception de PCB spécifiques et des exigences thermiques/mécaniques. Toutes les tolérances dimensionnelles sont typiquement de ±0,1mm sauf indication contraire.

4.2 Identification de la polarité

Le dispositif possède deux bornes. Une connexion de polarité correcte est essentielle pour un fonctionnement approprié dans un circuit à polarisation inverse. Le dessin de la fiche technique indique la cathode et l'anode. Typiquement, la broche la plus longue ou un marquage spécifique sur le boîtier désigne la cathode. Connecter la cathode à une tension plus positive (en polarisation inverse) est la condition de fonctionnement standard.

4.3 Spécification d'emballage

Le composant est fourni en bande porteuse gaufrée sur des bobines de 7 pouces de diamètre. Les dimensions de la bande (taille de poche, pas, etc.) sont spécifiées pour assurer la compatibilité avec les équipements standards de placement CMS (pick-and-place). Chaque bobine contient 1000 pièces, ce qui est une quantité courante pour une production de volume moyen.

5. Directives de soudure et d'assemblage

5.1 Profil de soudure par refusion

Le dispositif est adapté aux processus de soudure par refusion sans plomb (Pb-free). La température de pic maximale ne doit pas dépasser 260°C, et le temps au-dessus de 260°C doit être limité. Le nombre total de cycles de refusion ne doit pas dépasser deux pour éviter les dommages par contrainte thermique au boîtier plastique et à la fixation interne de la puce.

5.2 Soudure manuelle

Si une soudure manuelle est nécessaire, une extrême prudence est de mise. La température de la pointe du fer à souder doit être inférieure à 350°C, et le temps de contact par broche doit être limité à 3 secondes ou moins. Un fer à souder de faible puissance (≤25W) est recommandé. Un intervalle de refroidissement doit être respecté entre la soudure de chaque borne pour éviter une surchauffe localisée.

5.3 Retouche et réparation

La retouche après soudure initiale est fortement déconseillée. Si elle est inévitable, un fer à souder spécialisé à double tête doit être utilisé pour chauffer simultanément les deux bornes, permettant un retrait sûr sans appliquer de contrainte mécanique excessive. L'impact potentiel sur les performances du dispositif dû à la retouche doit être évalué au préalable.

6. Précautions de stockage et de manipulation

• Sensibilité à l'humidité :Le dispositif est sensible à l'humidité. Le sachet ne doit pas être ouvert avant d'être prêt à l'emploi. Le stockage de préconditionnement doit être à ≤30°C et ≤90% HR.
• Durée de vie en atelier :Après ouverture du sachet barrière à l'humidité, les composants doivent être utilisés dans les 168 heures (7 jours) s'ils sont stockés à ≤30°C et ≤60% HR.
• Séchage (Baking) :Si le temps de stockage est dépassé ou si le dessiccant indique une humidité élevée, un traitement de séchage à 60±5°C pendant 24 heures est requis pour éliminer l'humidité absorbée et prévenir l'effet \"pop-corn\" pendant la refusion.

7. Suggestions d'application

7.1 Circuits d'application typiques

L'application principale est celle de photodétecteur rapide. Dans un circuit typique, la photodiode est polarisée en inverse avec une tension inférieure à sa valeur maximale (par exemple, 5V comme dans la condition de test). Le photocourant (IL) circule à travers une résistance de charge (RL). La chute de tension aux bornes de RL, proportionnelle à l'intensité lumineuse, est ensuite amplifiée par un amplificateur de transimpédance (TIA) ou un amplificateur de tension. Le temps de réponse rapide le rend adapté à la détection de lumière pulsée et à la communication de données.

7.2 Considérations de conception

• Tension de polarisation :Une tension de polarisation inverse (par exemple, 5V) est recommandée pour une vitesse et une linéarité optimales. Une polarisation plus élevée peut réduire davantage la capacité de jonction, augmentant la bande passante, mais doit rester en dessous de V_R.
• Limitation/Protection du courant :Comme indiqué dans les précautions, la photodiode elle-même ne limite pas le courant. Dans les circuits où elle pourrait être exposée à une lumière de haute intensité ou connectée incorrectement, une résistance en série peut être nécessaire pour empêcher un courant excessif qui pourrait endommager la jonction.
• Conception optique :La lentille noire aide à réduire la sensibilité à la lumière parasite. Pour des performances optimales, la photodiode doit être associée à une source IR (comme une DEL à 850nm ou 940nm) et potentiellement à un filtre optique pour bloquer la lumière ambiante indésirable, en particulier la lumière visible qu'elle peut également détecter dans une certaine mesure.

7.3 Scénarios d'application

• Détection photo rapide :Adapté aux systèmes de barrières lumineuses, au comptage d'objets et aux codeurs où des transitions lumineuses rapides ON/OFF doivent être détectées.
• Photocopieurs et scanners :Peut être utilisé comme capteur pour détecter la présence de documents, les bourrages papier, ou comme partie de la matrice de détection d'image dans les capteurs d'image à contact (CIS).
• Machines de jeux & Électronique grand public :Utilisé dans les récepteurs de télécommande IR, les capteurs de proximité et les systèmes de reconnaissance gestuelle.
• Systèmes appliqués infrarouges :Tout système utilisant une lumière infrarouge modulée ou pulsée pour la transmission de données, la mesure de distance (temps de vol) ou la simple détection de présence.

8. Comparaison et différenciation technique

Comparée aux photodiodes PN standard, la structure PIN offre des avantages clés : une région de déplétion plus large (la couche \"I\" ou intrinsèque) qui entraîneune capacité de jonction plus faible(permettant une réponse plus rapide) et lui permet de fonctionner efficacement à des tensions de polarisation inverse plus basses. Le petit boîtier de 1,8mm le rend idéal pour les conceptions à espace restreint. La lentille noire offre un degré de suppression intégrée de la lumière visible par rapport aux variantes à lentille claire, ce qui est bénéfique dans les applications spécifiques à l'IR.

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

Q : Quelle est la différence entre le courant de court-circuit (I_SC) et le courant lumineux inverse (I_L) ?

R : I_SCest mesuré avec une tension nulle aux bornes de la diode (mode photovoltaïque). I_Lest mesuré avec une polarisation inverse appliquée (mode photoconducteur). I_Lest typiquement le paramètre utilisé dans la conception de circuit car il est plus stable et linéaire, et la polarisation inverse accélère la réponse.

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

R : Le courant d'obscurité est le bruit de fond de la photodiode. Dans les applications à faible lumière, un courant d'obscurité élevé peut masquer le faible signal de photocourant, réduisant la sensibilité et le rapport signal/bruit. La spécification max de 10 nA est assez faible pour une photodiode au silicium.

Q : Puis-je l'utiliser avec une source de lumière visible ?

R : Oui, mais avec une efficacité réduite. La courbe de réponse spectrale montre qu'elle est sensible à partir de ~730nm, elle détectera donc bien la lumière rouge et proche infrarouge. Pour des performances optimales avec la lumière visible (par exemple, bleue ou verte), une photodiode avec un pic spectral différent serait plus appropriée.

10. Principes de fonctionnement

Une photodiode PIN est un dispositif semi-conducteur avec une région de type p, une région intrinsèque (non dopée) et une région de type n. Lorsqu'elle est polarisée en inverse, une large région de déplétion se forme principalement à travers la couche intrinsèque. Les photons incidents dont l'énergie est supérieure au gap du semi-conducteur sont absorbés, créant des paires électron-trou. Le champ électrique intense dans la région de déplétion sépare rapidement ces paires, les faisant dériver vers les bornes respectives, générant ainsi un photocourant proportionnel à l'intensité lumineuse incidente. La couche intrinsèque réduit la capacité et permet une collecte efficace des porteurs sur une zone plus large, améliorant la vitesse et l'efficacité quantique.