Technisches Datenblatt für die 5mm-Fotodiode PD333-3B/L2 - 5mm Durchmesser - 32V Sperrspannung - 150mW Verlustleistung

1. Produktübersicht

Die PD333-3B/L2 ist eine schnelle, hochempfindliche Silizium-PIN-Fotodiode in einem standardmäßigen Kunststoffgehäuse mit 5mm Durchmesser. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Licht, insbesondere im Infrarotspektrum, in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Das Bauteil verfügt über eine schwarze Epoxidlinse, die die Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung erhöht und gleichzeitig eine gewisse Filterung von Umgebungslicht bietet. Diese Komponente ist für Anwendungen konzipiert, die schnelle Ansprechzeiten und zuverlässige Leistung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen erfordern.

Kernvorteile:Die wesentlichen Stärken dieser Fotodiode sind ihre schnelle Ansprechzeit, hohe Lichtempfindlichkeit und geringe Sperrschichtkapazität. Diese Eigenschaften machen sie für die Detektion schneller Änderungen der Lichtintensität geeignet. Das Bauteil entspricht zudem den RoHS- und EU-REACH-Vorschriften, was die Verwendung bleifreier Materialien und die Einhaltung von Umwelt- und Sicherheitsstandards anzeigt.

Zielmarkt:Diese Fotodiode richtet sich an die Elektronikindustrie, insbesondere für den Einsatz in Sicherheitssystemen, schnellen optischen Kommunikationsverbindungen, Belichtungsmesssystemen von Kameras und anderen optoelektronischen Anwendungen, bei denen eine präzise und schnelle Lichtdetektion erforderlich ist.

2. Detaillierte Technische Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Sperrspannung (VR):32 V. Dies ist die maximale Sperrspannung, die an den Anschlüssen der Fotodiode anliegen darf.
• Betriebstemperatur (Topr):-25°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für den normalen Betrieb des Bauteils.
• Lagertemperatur (Tstg):-40°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Löttemperatur (Tsol):260°C. Die Spitzentemperatur, der das Bauteil während eines Lötvorgangs standhalten kann, typischerweise für eine kurze Dauer (z.B. 10 Sekunden).
• Verlustleistung (Pc):150 mW bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur. Die maximale Leistung, die das Bauteil sicher abführen kann.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter werden bei Ta=25°C gemessen und definieren die Leistung des Bauteils unter festgelegten Testbedingungen.

• Spektrale Bandbreite (λ0.5):840 nm bis 1100 nm. Dies ist der Wellenlängenbereich, in dem die Empfindlichkeit der Fotodiode mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Sie zeigt eine Empfindlichkeit hauptsächlich im nahen Infrarotbereich.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λP):940 nm (typisch). Die Lichtwellenlänge, bei der die Fotodiode am empfindlichsten ist.
• Leerlaufspannung (VOC):0,39 V (typisch). Die an den Anschlüssen der Fotodiode unter Beleuchtung (Ee=1mW/cm² bei λp=940nm) erzeugte Spannung, wenn kein externer Lastwiderstand angeschlossen ist (Leerlauf).
• Kurzschlussstrom (ISC):35 µA (typisch). Der Strom, der unter derselben Beleuchtung durch die Fotodiode fließt, wenn die Anschlüsse kurzgeschlossen sind.
• Sperr-Lichtstrom (IL):35 µA (typisch, Min. 25 µA). Der Strom, der fließt, wenn die Fotodiode in Sperrrichtung vorgespannt (VR=5V) und beleuchtet ist. Dies ist ein Schlüsselparameter für Fotodetektorschaltungen.
• Sperr-Dunkelstrom (ID):5 nA (typisch, Max. 30 nA). Der geringe Leckstrom, der bei Sperrspannung (VR=10V) in völliger Dunkelheit fließt. Niedrigere Werte sind im Allgemeinen besser für das Signal-Rausch-Verhältnis.
• Sperr-Durchbruchspannung (VBR):Min. 32 V, typ. 170 V. Die Sperrspannung, bei der die Diode beginnt, stark zu leiten (Durchbruch). Der Mindestwert entspricht dem absoluten Maximalwert.
• Gesamtkapazität (Ct):18 pF (typisch). Die Sperrschichtkapazität bei VR=5V und f=1MHz. Eine geringere Kapazität trägt zu einer schnelleren Ansprechzeit bei.
• Anstiegszeit / Abfallzeit (tr / tf):45 ns (typisch). Die Zeit, die das Ausgangssignal benötigt, um als Reaktion auf eine sprunghafte Änderung der Lichtintensität von 10% auf 90% seines Endwerts anzusteigen (oder von 90% auf 10% abzufallen), gemessen mit VR=10V und RL=100Ω.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die veranschaulichen, wie sich Schlüsselparameter mit den Betriebsbedingungen ändern. Diese sind für den Schaltungsentwesen unerlässlich.

3.1 Verlustleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt, wie die maximal zulässige Verlustleistung mit steigender Umgebungstemperatur über 25°C abnimmt. Entwickler müssen die Leistungsfähigkeit in Hochtemperaturumgebungen herunterstufen, um thermische Schäden zu vermeiden.

3.2 Spektrale Empfindlichkeit

Dieses Diagramm stellt die normierte Empfindlichkeit der Fotodiode über der Wellenlänge dar. Es bestätigt visuell die Spitzenempfindlichkeit bei 940 nm und die spektrale Bandbreite von etwa 840 nm bis 1100 nm und unterstreicht damit ihre Eignung für Infrarotanwendungen.

3.3 Sperr-Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Der Dunkelstrom steigt exponentiell mit der Temperatur an. Diese Kurve ist entscheidend für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen, da ein erhöhter Dunkelstrom das Grundrauschen des Detektionssystems anhebt.

3.4 Sperr-Lichtstrom in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke (Ee)

Diese Darstellung zeigt den linearen Zusammenhang zwischen dem erzeugten Fotostrom (IL) und der einfallenden Lichtleistungsdichte (Bestrahlungsstärke) über einen bestimmten Bereich. Sie bestätigt das lineare Lichtantwortverhalten des Bauteils, was für genaue Lichtmessungen entscheidend ist.

3.5 Kapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung

Die Sperrschichtkapazität (Ct) nimmt mit steigender Sperrspannung (VR) ab. Diese Kurve ermöglicht es Entwicklern, eine Betriebssperrspannung zu wählen, die den Kompromiss zwischen Ansprechgeschwindigkeit (geringere Kapazität bei höherer VR) und Stromverbrauch/Rauschen optimiert.

3.6 Ansprechzeit in Abhängigkeit vom Lastwiderstand

Dieses Diagramm zeigt, wie sich die Anstiegs-/Abfallzeit (tr/tf) mit dem Lastwiderstand (RL) in der Detektorschaltung ändert. Schnellere Ansprechzeiten werden mit kleineren Lastwiderständen erreicht, was jedoch auch die Ausgangsspannungsamplitude verringert. Die Kurve hilft bei der Auswahl von RL für eine gewünschte Bandbreite.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil ist in einem radial bedrahteten Kunststoffgehäuse mit 5mm Durchmesser untergebracht. Die Maßzeichnung gibt den Gehäusedurchmesser, den Anschlussabstand, den Anschlussdrahtdurchmesser und die Gesamtabmessungen an. Ein Hinweis gibt Standardtoleranzen von ±0,25mm an, sofern in der Zeichnung nicht anders angegeben. Die Kathode ist typischerweise durch einen längeren Anschlussdraht oder eine abgeflachte Stelle am Gehäuserand gekennzeichnet.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Anode ist mit dem kürzeren Anschlussdraht verbunden, während die Kathode mit dem längeren Anschlussdraht verbunden ist. Das Gehäuse kann auch eine abgeflachte Seite in der Nähe des Kathodenanschlusses aufweisen. Während des Schaltungsaufbaus muss die korrekte Polarität beachtet werden.

5. Löt- und Montagehinweise

Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur beträgt 260°C. Dies ist mit standardmäßigen bleifreien Reflow-Lötprofilen (z.B. IPC/JEDEC J-STD-020) kompatibel. Das Bauteil sollte dieser Temperatur nicht über einen längeren Zeitraum ausgesetzt werden; die typische Dauer der Reflow-Spitzentemperatur beträgt 20-40 Sekunden. Handlöten mit einem temperaturgeregelten Lötkolben ist ebenfalls zulässig, sofern der Grenzwert von 260°C am Anschlussdraht nicht überschritten wird. Die Lagerung sollte in einer trockenen Umgebung innerhalb des spezifizierten Tstg-Bereichs von -40°C bis +100°C erfolgen, um Feuchtigkeitsaufnahme und anderen Abbau zu verhindern.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungsspezifikation ist 200-500 Stück pro Beutel, 5 Beutel pro Karton und 10 Kartons pro Versandkarton. Das Etikett auf der Verpackung enthält Felder für Kundenteilenummer (CPN), Artikelnummer (P/N), Packmenge (QTY) und Losnummer (LOT No). Andere Felder wie CAT (Leuchtstärkeklasse), HUE (dominante Wellenlängenklasse) und REF (Durchlassspannungsklasse) sind aufgeführt, sind jedoch eher typisch für LEDs; für diese Fotodiode werden sie möglicherweise nicht aktiv für das Binning verwendet. Die Artikelnummer PD333-3B/L2 folgt der internen Namenskonvention des Herstellers.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Schnelle Fotodetektion:Verwendung in optischen Datenverbindungen, Barcodescannern und Laser-Entfernungsmessern, wo die 45ns Ansprechzeit vorteilhaft ist.
• Sicherheitssysteme:Integration in passive Infrarot-(PIR)-Bewegungsmelder, Lichtschranken und Lichtvorhänge.
• Kamerassysteme:Einsatz für automatische Belichtungssteuerung, Blitzüberwachung und Infrarotfilter-Erkennung.
• Industrielle Sensorik:Objekterkennung, Kantenerkennung und Trübungsmessung in automatisierten Anlagen.

7.2 Design-Überlegungen

• Vorspannungsschaltung:Für die schnellste Ansprechzeit sollte die Fotodiode im Sperrspannungs- (photoleitenden) Modus betrieben werden. Ein Transimpedanzverstärker (TIA) wird üblicherweise verwendet, um den Fotostrom in ein Spannungssignal umzuwandeln.
• Rauschunterdrückung:Schirmen Sie das Bauteil und die Schaltung vor elektrischem Rauschen ab. Verwenden Sie einen rauscharmen Operationsverstärker für den TIA und ziehen Sie Filterung in Betracht, um die Auswirkungen des Dunkelstroms zu mindern, insbesondere bei hohen Temperaturen.
• Optische Überlegungen:Das schwarze Epoxid lässt Infrarotlicht durch. Für eine spezifische Wellenlängenfilterung kann ein zusätzlicher externer optischer Filter erforderlich sein. Stellen Sie sicher, dass die optische Apertur sauber und korrekt ausgerichtet ist.
• Auswahl des Lastwiderstands:Wählen Sie RL basierend auf der erforderlichen Bandbreite (siehe Kurve "Ansprechzeit vs. Lastwiderstand") und dem gewünschten Ausgangsspannungspegel (Vout = IL * RL).

8. Technischer Vergleich

Im Vergleich zu Standard-Fotodioden oder Fototransistoren bietet die PD333-3B/L2 eine ausgewogene Kombination aus Geschwindigkeit und Empfindlichkeit. Ihre PIN-Struktur bietet eine breitere Verarmungszone als eine Standard-PN-Fotodiode, was zu einer geringeren Sperrschichtkapazität (typ. 18 pF) für schnellere Ansprechzeiten und höherer Quanteneffizienz im Infrarotspektrum führt. Das 5mm-Gehäuse bietet eine größere aktive Fläche als kleinere SMD-Fotodioden, sammelt mehr Licht für eine höhere Signalausgabe, was in Szenarien mit schwachem Licht oder größerer Reichweite von Vorteil sein kann.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Unterschied zwischen Kurzschlussstrom (ISC) und Sperr-Lichtstrom (IL)?

A: ISC wird bei Null-Vorspannung (kurzgeschlossene Anschlüsse) gemessen, während IL unter einer angelegten Sperrspannung (z.B. 5V) gemessen wird. IL ist für eine PIN-Fotodiode typischerweise sehr nahe an ISC und ist der Parameter, der in den meisten vorgespannten Detektorschaltungen verwendet wird.

F: Kann ich diese Fotodiode verwenden, um sichtbares Licht zu detektieren?

A: Während sie im sichtbaren roten Spektrum (nahe 700nm) eine gewisse Empfindlichkeit aufweist, liegt ihr Peak bei 940nm (Infrarot). Für optimale Leistung mit sichtbarem Licht wäre eine Fotodiode mit einer Spitzenempfindlichkeit im sichtbaren Bereich (z.B. 550-650nm) besser geeignet.

F: Wie wandle ich den Fotostrom (IL) in eine nutzbare Spannung um?

A: Die gebräuchlichste Methode ist die Verwendung eines Transimpedanzverstärkers (TIA). Die Ausgangsspannung ist Vout = -IL * Rf, wobei Rf der Rückkopplungswiderstand des TIA ist. Diese Konfiguration hält die Fotodiode auch in einem virtuellen Kurzschlusszustand, wodurch die Auswirkungen der Sperrschichtkapazität minimiert werden.

F: Was bedeutet die Bezeichnung "bleifrei" und "RoHS-konform"?

A: Sie zeigt an, dass das Produkt ohne die Verwendung von Blei (Pb) hergestellt wird und der EU-Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS) entspricht, die bestimmte gefährliche Materialien in elektrischen und elektronischen Geräten einschränkt.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Entwurf eines Infrarot-Näherungssensors:Die PD333-3B/L2 kann mit einer 940nm-Infrarot-LED gekoppelt werden, um einen einfachen Näherungs- oder Objektdetektionssensor zu erstellen. Die LED wird mit einer bestimmten Frequenz gepulst. Die Fotodiode detektiert das reflektierte IR-Licht. Eine Schaltung mit der Fotodiode im Sperrspannungsmodus, gefolgt von einem TIA und einem Bandpassfilter, der auf die Pulsfrequenz der LED abgestimmt ist, kann das schwache reflektierte Signal effektiv vom Umgebungslichtrauschen trennen. Die 45ns Ansprechzeit ermöglicht eine hochfrequente Modulation, verbessert die Störfestigkeit und ermöglicht schnellere Detektionszyklen.

11. Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement mit einer intrinsischen (I) Zone, die zwischen P- und N-dotierten Zonen eingebettet ist. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters auf das Bauteil treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare in der intrinsischen Zone. Unter Sperrspannung fegt das elektrische Feld über der intrinsischen Zone diese Ladungsträger zu den jeweiligen Anschlüssen und erzeugt einen Fotostrom, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Zone verringert die Sperrschichtkapazität (ermöglicht schnellere Ansprechzeiten) und erhöht das Volumen für die Photonenabsorption (verbessert die Empfindlichkeit), insbesondere für längere Wellenlängen wie Infrarot.

12. Branchentrends

Die Nachfrage nach Fotodioden wächst weiterhin in Bereichen wie Industrieautomatisierung, Automotive-LiDAR, Unterhaltungselektronik (z.B. Smartphone-Näherungssensoren) und biomedizinischer Sensorik. Trends umfassen die weitere Miniaturisierung hin zu Chip-Scale-Packages (CSP), die Integration mit On-Chip-Verstärkungs- und Signalverarbeitungsschaltungen sowie die Entwicklung von Fotodioden für spezifische Wellenlängenbänder (z.B. für Gassensorik). Ein weiterer Fokus liegt auf der Verbesserung von Leistungskennzahlen wie niedrigerer Dunkelstrom, höhere Geschwindigkeit und verbesserte Zuverlässigkeit unter rauen Umgebungsbedingungen. Die PD333-3B/L2 repräsentiert in dieser sich entwickelnden Landschaft eine ausgereifte, zuverlässige Komponente, die gut für kostensensitive, hochvolumige Anwendungen geeignet ist, die eine robuste Infrarotdetektion erfordern.