PD333-3B/L1 5mm Fotodiode Datenblatt - 5mm Durchmesser - 32V Sperrspannung - Schwarze Linse - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PD333-3B/L1 ist eine schnelle, hochempfindliche Silizium-PIN-Fotodiode in einem standardmäßigen 5mm runden Kunststoffgehäuse. Ihre Hauptfunktion ist die Umwandlung von einfallendem Licht, insbesondere im Infrarotspektrum, in einen elektrischen Strom. Das Bauteil verfügt über eine schwarze Epoxidlinse, die die Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung erhöht und gleichzeitig die Reaktion auf sichtbares Licht minimiert. Dies macht es besonders geeignet für Anwendungen, die eine Detektion im nahen Infrarotbereich erfordern. Die Kernvorteile dieser Komponente sind ihre schnelle Ansprechzeit, hohe Lichtempfindlichkeit und geringe Sperrschichtkapazität, die für die Hochgeschwindigkeitssignalerfassung entscheidend sind. Sie ist als bleifreies (Pb-free) Bauteil ausgelegt und entspricht relevanten Umweltvorschriften wie RoHS und EU REACH.

2. Detaillierte technische Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für einen zuverlässigen Betrieb innerhalb spezifizierter Grenzen ausgelegt. Das Überschreiten dieser Werte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Sperrspannung (V_R):32 V - Die maximale Sperrspannung, die an den Fotodiodenanschlüssen anliegen darf.
• Betriebstemperatur (T_opr):-25°C bis +85°C - Der Umgebungstemperaturbereich für den Normalbetrieb.
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +100°C - Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Löttemperatur (T_sol):260°C - Die Spitzentemperatur, der das Bauteil während Lötprozessen standhalten kann.
• Verlustleistung (P_c):150 mW - Die maximale Leistung, die das Bauteil bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur abführen kann.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter definieren die Leistung der Fotodiode unter Standardtestbedingungen (Ta=25°C).

• Spektralbandbreite (λ_0.5):840 nm bis 1100 nm - Der Wellenlängenbereich, in dem die Empfindlichkeit mindestens die Hälfte ihres Spitzenwerts beträgt.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λ_P):940 nm (typisch) - Die Lichtwellenlänge, bei der die Fotodiode am empfindlichsten ist.
• Leerlaufspannung (V_OC):0,44 V (typisch) - Die an den offenen Anschlüssen erzeugte Spannung bei Beleuchtung (E_e=5 mW/cm², λ_p=940nm).
• Kurzschlussstrom (I_SC):10 µA (typisch) - Der Strom, der bei Kurzschluss der Anschlüsse unter Beleuchtung fließt (E_e=1 mW/cm², λ_p=940nm).
• Lichtstrom bei Sperrspannung (I_L):Min. 15 µA - Der unter Sperrspannung erzeugte Fotostrom (V_R=5V, E_e=1 mW/cm², λ_p=940nm). Dies ist ein Schlüsselparameter für die Signalerfassung.
• Dunkelstrom bei Sperrspannung (I_D):Max. 30 nA - Der geringe Leckstrom, der unter Sperrspannung in völliger Dunkelheit fließt (V_R=10V). Ein niedrigerer Wert ist für ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis wünschenswert.
• Sperrspannungs-Durchbruchspannung (V_BR):Min. 32 V, typ. 170 V - Die Sperrspannung, bei der der Sperrschichtdurchbruch erfolgt und der Strom stark ansteigt.
• Gesamtkapazität (C_t):6,0 pF (typisch) - Die Sperrschichtkapazität unter Sperrspannung (V_R=5V, f=1MHz). Eine geringe Kapazität ist für Hochgeschwindigkeitsbetrieb entscheidend.
• Anstiegs-/Abfallzeit (t_r/t_f):10 ns (typisch) - Die Zeit, die das Ausgangssignal benötigt, um von 10% auf 90% seines Endwerts anzusteigen (oder von 90% auf 10% abzufallen) (V_R=10V, R_L=100Ω). Dies definiert die maximale Schaltgeschwindigkeit.

3. Erklärung des Binning-Systems

Die PD333-3B/L1 wird basierend auf ihrer Leistung beim Lichtstrom bei Sperrspannung (I_L) unter spezifischen Testbedingungen (E_e=1mW/cm², λ_p=940nm, V_R=5V) in verschiedene Bins sortiert. Dies ermöglicht es Entwicklern, Bauteile mit konsistenter Leistung für ihre Anwendung auszuwählen.

Das Datenblatt nennt auch Standardtoleranzen: Lichtstärke ±10%, dominante Wellenlänge ±1nm und Durchlassspannung ±0,1V, wobei die beiden letzteren eher für LEDs als für diese Fotodiode relevant sind.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen. Diese sind für Schaltungsdesign und Leistungsvorhersage unerlässlich.

4.1 Spektrale Empfindlichkeit

Die spektrale Empfindlichkeitskurve zeigt die relative Empfindlichkeit des Bauteils über verschiedene Wellenlängen. Sie erreicht ihr Maximum bei 940 nm (Infrarot) und weist eine signifikante Empfindlichkeit von etwa 840 nm bis 1100 nm auf. Dies bestätigt die Eignung für IR-basierte Systeme wie Fernbedienungen und Näherungssensoren.

4.2 Temperaturabhängigkeit

Es werden Kurven bereitgestellt, die den Zusammenhang zwischen Dunkelstrom bei Sperrspannung und Umgebungstemperatur sowie Verlustleistung vs. Umgebungstemperatur zeigen. Der Dunkelstrom steigt typischerweise mit der Temperatur an, was das Rauschgrundniveau in empfindlichen Anwendungen beeinflussen kann. Die Leistungsderating-Kurve zeigt, wie die maximal zulässige Verlustleistung abnimmt, wenn die Umgebungstemperatur über 25°C steigt.

4.3 Elektrische Eigenschaften

Wichtige Diagramme umfassen:

• Lichtstrom bei Sperrspannung vs. Bestrahlungsstärke (E_e):Zeigt den linearen Zusammenhang zwischen erzeugtem Fotostrom und einfallender Lichtleistungsdichte, eine grundlegende Eigenschaft von Fotodioden.
• Anschlusskapazität vs. Sperrspannung:Zeigt, wie die Sperrschichtkapazität mit zunehmender Sperrspannung abnimmt. Der Betrieb bei einer höheren Sperrspannung (innerhalb der Grenzen) kann die Geschwindigkeit durch Reduzierung der Kapazität verbessern.
• Ansprechzeit vs. Lastwiderstand:Veranschaulicht, wie die Anstiegs-/Abfallzeit vom Lastwiderstand (R_L) in der Schaltung beeinflusst wird. Ein kleinerer R_Lführt im Allgemeinen zu einer schnelleren Reaktion, aber einer kleineren Ausgangsspannungsänderung.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil verwendet ein standardmäßiges 5mm rundes Kunststoffgehäuse. Die Gehäuseabmessungszeichnung liefert kritische Maße für das PCB-Footprint-Design und die mechanische Integration. Wichtige Abmessungen sind der Gesamtdurchmesser (5mm), der Anschlussabstand und die Bauteilhöhe. Die Zeichnung gibt eine allgemeine Toleranz von ±0,25mm an, sofern nicht anders angegeben. Das Gehäuse verfügt über zwei axiale Anschlüsse für die elektrische Verbindung. Der schwarze Epoxidkörper dient als Linse und IR-Filter. Die korrekte Polung sollte anhand des Anschlussdiagramms im Datenblatt identifiziert werden; typischerweise ist die Kathode durch einen längeren Anschluss, eine flache Stelle am Gehäuse oder eine spezifische Markierung gekennzeichnet.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Die Komponente ist für eine maximale Löttemperatur von 260°C ausgelegt. Standard-Reflow- oder Wellenlötprofile für bleifreie Prozesse können verwendet werden, wobei sicherzustellen ist, dass die Spitzentemperatur und die Zeit über der Liquidustemperatur kontrolliert werden, um thermische Schäden zu verhindern. Handlötung sollte schnell mit einem temperaturgeregelten Lötkolben durchgeführt werden. Es wird empfohlen, die Bauteile in einer trockenen Umgebung zu lagern, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die während des Lötens Probleme verursachen könnte (Popcorning).

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungsspezifikation ist 500 Stück pro Beutel, 5 Beutel pro Karton und 10 Kartons pro Versandkarton, insgesamt 25.000 Stück pro Versandkarton. Das Etikett auf der Verpackung enthält Felder für Kundenproduktnummer (CPN), Produktnummer (P/N), Packmenge (QTY) und relevante Leistungsklassen (CAT für Intensität usw.) sowie Losnummer und Datumscodierung für die Rückverfolgbarkeit.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Hochgeschwindigkeits-Lichtdetektion:Geeignet für Datenübertragung über Glasfaser, Barcodescanner und optische Encoder aufgrund ihrer 10ns Ansprechzeit.
• Sicherheitssysteme:Kann in Einbruchmeldeanlagen, Rauchmeldern oder als Empfänger für IR-basierte Sicherheitskommunikation eingesetzt werden.
• Kameraanwendungen:Nützlich für Belichtungsmessung, Autofokus-Hilfssysteme oder als IR-Sperrfilter-Monitor.
• Industrielle Sensorik:Objekterkennung, Zählung und Positionserfassung in automatisierten Anlagen.

8.2 Designüberlegungen

• Vorspannungsschaltung:Die Fotodiode kann im photovoltaischen Modus (Nullvorspannung) für rauscharme Anwendungen oder im photoleitenden Modus (Sperrvorspannung) für höhere Geschwindigkeit und Linearität verwendet werden. Die maximale Sperrspannung von 32V ermöglicht eine breite Auswahl an Vorspannungsoptionen.
• Verstärkung:Der Ausgangsstrom ist klein (Mikroampere), daher ist fast immer ein Transimpedanzverstärker (TIA) erforderlich, um den Strom in ein nutzbares Spannungssignal umzuwandeln.
• Rauschen:Für empfindliche Anwendungen sind der Dunkelstrom und seine Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen. Abschirmung und sorgfältiges PCB-Layout sind notwendig, um das Aufnehmen von elektrischem Rauschen zu minimieren.
• Optische Filterung:Das schwarze Epoxid bietet eine gewisse Filterung, aber für eine spezifische Wellenlängenauswahl kann ein zusätzlicher Bandpass-Optikfilter erforderlich sein.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu generischen Fotodioden bietet die PD333-3B/L1 eine ausgewogene Kombination aus Geschwindigkeit (10ns), Empfindlichkeit (min. 15µA unter spezifizierten Bedingungen) und einer robusten 32V-Sperrspannungsfestigkeit in einem gängigen 5mm-Gehäuse. Ihre Siliziumkonstruktion und PIN-Struktur bieten einen guten Kompromiss zwischen Kosten, Geschwindigkeit und Empfindlichkeit für Nah-IR-Anwendungen. Alternativen könnten Fotodioden mit kleineren Gehäusen für platzbeschränkte Designs, solche mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten (z.B. sichtbares Licht) oder Lawinenfotodioden (APDs) für Anwendungen, die interne Verstärkung erfordern, sein, wobei APDs komplexer und teurer sind.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Unterschied zwischen photovoltaischem und photoleitendem Modus?

A: Im photovoltaischen Modus (Nullvorspannung) erzeugt die Fotodiode ihre eigene Spannung/Strom und bietet einen sehr niedrigen Dunkelstrom und Rauschen. Im photoleitenden Modus (Sperrvorspannung) wird eine externe Spannung angelegt, die die Sperrschichtkapazität reduziert (erhöht die Geschwindigkeit) und die Linearität verbessert, auf Kosten eines etwas höheren Dunkelstroms.

F: Wie wähle ich das richtige Bin aus?

A: Wählen Sie ein Bin basierend auf dem für Ihre Anwendung erforderlichen minimalen Signalstrom. Die Verwendung eines höheren Bins gewährleistet ein stärkeres Signal, kann aber Kostenimplikationen haben. Für Konsistenz in der Produktion sollte ein einzelnes Bin spezifiziert werden.

F: Kann diese Fotodiode für sichtbare Lichtdetektion verwendet werden?

A: Während sie im sichtbaren roten Spektrum eine gewisse Empfindlichkeit aufweist, liegt ihr Maximum bei 940nm (IR), und das schwarze Epoxid dämpft sichtbares Licht. Für primäre sichtbare Lichtdetektion wäre eine Fotodiode mit einer klaren oder farbspezifischen Linse und einer Spitzenwellenlänge im sichtbaren Bereich geeigneter.

F: Welchen Wert des Lastwiderstands (R_L) sollte ich verwenden?

A: Es hängt von der erforderlichen Geschwindigkeit und dem Signalpegel ab. Ein kleinerer R_L(z.B. 50Ω) ergibt eine schnellere Reaktion, aber eine kleinere Spannungsausgabe (Vout = I_ph* R_L). Ein größerer R_Lergibt eine größere Spannung, aber eine langsamere Reaktion aufgrund der mit der Diodenkapazität gebildeten RC-Zeitkonstante. Siehe die Kurve "Ansprechzeit vs. Lastwiderstand".

11. Praktischer Designfall

Fall: Einfacher Objekterkennungssensor

Eine häufige Anwendung ist ein Lichtschranken-Sensor. Eine IR-LED mit 940nm wird gegenüber der PD333-3B/L1 Fotodiode platziert. Die Fotodiode wird im photoleitenden Modus mit einer 5V Sperrvorspannung über einen Lastwiderstand (z.B. 10kΩ) betrieben. Unter normalen Bedingungen trifft das IR-Licht auf die Diode, erzeugt einen Fotostrom und erzeugt einen Spannungsabfall über dem Widerstand. Wenn ein Objekt den Strahl unterbricht, sinkt der Fotostrom signifikant, was zu einer großen Änderung der Spannung über dem Widerstand führt. Dieses Spannungssignal kann einem Komparator zugeführt werden, um einen digitalen Interrupt für einen Mikrocontroller zu erzeugen. Die 10ns Ansprechzeit ist für diese Anwendung bei weitem schneller als nötig, aber die hohe Empfindlichkeit gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb auch mit schwächeren IR-Quellen oder über größere Entfernungen.

12. Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement mit einer intrinsischen (I) Zone, die zwischen P-Typ- und N-Typ-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 dem Einfluss eines internen internen Potentials (photovoltaischer Modus) oder einer angelegten Sperrvorspannung (photoleitender Modus) werden diese Ladungsträger auseinandergetrieben und erzeugen einen messbaren Fotostrom, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Zone in einer PIN-Struktur reduziert die Sperrschichtkapazität im Vergleich zu einer Standard-PN-Fotodiode und ermöglicht so einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb.

13. Branchentrends

Die Nachfrage nach Fotodioden wächst weiter in Bereichen wie Unterhaltungselektronik (Smartphone-Sensoren, Wearables), Automobil (LiDAR, Fahrerüberwachung), Industrieautomatisierung und Kommunikation (Rechenzentren). Trends umfassen die weitere Miniaturisierung in chipskalige Gehäuse, die Integration mit On-Chip-Verstärkungs- und Signalverarbeitungsschaltungen, die Entwicklung von Fotodioden für neue Wellenlängenbereiche (z.B. Kurzwelleninfrarot) und die Verbesserung von Leistungsparametern wie niedrigerem Rauschen und höherer Geschwindigkeit, um den Anforderungen neuer Technologien gerecht zu werden.