Technisches Datenblatt für die 5mm Photodiode PD333-3C/H0/L2 - 5mm Durchmesser - 32V Sperrspannung - 940nm Spitzenempfindlichkeit

1. Produktübersicht

Die PD333-3C/H0/L2 ist eine schnelle, hochempfindliche Silizium-PIN-Photodiode in einem standardmäßigen Kunststoffgehäuse mit 5 mm Durchmesser. Diese Komponente ist für Anwendungen konzipiert, die eine schnelle optische Detektion erfordern, und nutzt dabei ihre geringe Sperrschichtkapazität und schnelle Ansprechzeit. Die Verwendung von wasserklarem Epoxidharz als Linsenmaterial macht sie für ein breites Spektrum empfindlich, einschließlich sichtbarer und infraroter Strahlung, mit einer spezifischen Spitzenempfindlichkeit im nahen Infrarotbereich. Ihre primären Designziele sind zuverlässige Leistung in kompakten, kostengünstigen Sensorlösungen zu bieten.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine objektive Analyse der im Datenblatt spezifizierten wesentlichen elektrischen und optischen Parameter.

2.1 Absolute Maximalwerte

Die Diode ist für eine maximale Sperrspannung (VR) von 32 V ausgelegt, die die Obergrenze der angelegten Vorspannung definiert, ohne dauerhafte Beschädigung zu riskieren. Der Betriebstemperaturbereich (Topr) liegt zwischen -25°C und +85°C und ist für die meisten kommerziellen und industriellen Umgebungen geeignet. Die Lagerung kann in einem breiteren Bereich von -40°C bis +100°C erfolgen. Die Löttemperatur (Tsol) ist mit 260°C spezifiziert, was einer Standard-Spitzenwerttemperatur für bleifreie Reflow-Prozesse entspricht. Die Verlustleistung (Pc) beträgt 150 mW bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur, ein für das thermische Management in der Anwendungsschaltung entscheidender Parameter.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Die spektrale Empfindlichkeit ist breit und deckt eine Bandbreite (λ0,5) von 400 nm bis 1100 nm ab, mit einer typischen Spitzenempfindlichkeitswellenlänge (λP) bei 940 nm. Dies macht sie ideal für Infrarot-Sensoranwendungen, wie z.B. solche mit 850nm oder 940nm IR-LEDs. Zu den wesentlichen Empfindlichkeitsparametern gehören eine typische Leerlaufspannung (VOC) von 0,39V und ein Kurzschlussstrom (ISC) von 40 μA, beide gemessen bei einer Bestrahlungsstärke (Ee) von 1 mW/cm² bei 940nm. Unter einer Sperrvorspannung von 5V beträgt der typische Sperrlichtstrom (IL) unter denselben Bestrahlungsbedingungen 40 μA. Der Sperrdunkelstrom (ID), ein kritischer Parameter für die Leistung bei schwachem Licht, beträgt typischerweise 5 nA bei VR=10V, maximal 30 nA. Die gesamte Sperrschichtkapazität (Ct) beträgt typischerweise 18 pF bei VR=5V und 1 MHz, was die Geschwindigkeit der Diode direkt beeinflusst. Die Anstiegs- und Abfallzeiten (tr/tf) betragen jeweils typischerweise 45 ns, gemessen mit VR=10V und einem 100Ω Lastwiderstand (RL), was ihre Hochgeschwindigkeitsfähigkeit bestätigt. Der Öffnungswinkel (2θ1/2) beträgt 80 Grad.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere typische Kennlinien, die veranschaulichen, wie sich wesentliche Parameter mit den Betriebsbedingungen ändern. Diese Kurven sind für Entwicklungsingenieure unerlässlich, um die Leistung unter realen Bedingungen vorherzusagen.

3.1 Spektrale Empfindlichkeit

Die Kurve der spektralen Empfindlichkeit zeigt die relative Empfindlichkeit der Photodiode über Wellenlängen von etwa 400 nm bis 1100 nm. Die Kurve erreicht ihr Maximum deutlich bei etwa 940 nm, was ihre Optimierung für nahes Infrarotlicht bestätigt. Die Empfindlichkeit sinkt im tiefen sichtbaren Bereich und jenseits von 1100 nm deutlich.

3.2 Temperaturabhängigkeit

Zwei Kurven heben Temperatureffekte hervor: Verlustleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und Sperrdunkelstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Die Derating-Kurve für die Verlustleistung zeigt, wie die maximal zulässige Leistung mit steigender Umgebungstemperatur über 25°C abnimmt. Die Dunkelstromkurve zeigt, dass ID exponentiell mit der Temperatur ansteigt, eine typische Eigenschaft von Halbleitersperrschichten. Dies ist für Anwendungen, die bei erhöhten Temperaturen arbeiten, entscheidend, da ein erhöhter Dunkelstrom das Grundrauschen anhebt.

3.3 Linearität und dynamisches Verhalten

Die Kurve des Sperrlichtstroms in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke (Ee) veranschaulicht die Linearität der Photodiode. Über einen spezifizierten Bereich der Bestrahlungsstärke sollte der Photostrom (IL) linear mit der einfallenden optischen Leistung ansteigen. Die Kurve der Ansprechzeit in Abhängigkeit vom Lastwiderstand zeigt, wie die Anstiegs-/Abfallzeit (tr/tf) mit höherem Lastwiderstand (RL) zunimmt. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ist ein Lastwiderstand mit niedrigem Wert (wie die im Datenblatt verwendeten 100Ω) notwendig, obwohl er eine kleinere Ausgangsspannungsauslenkung erzeugt.

3.4 Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung

Die Kurve der Anschlusskapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung zeigt, dass die Sperrschichtkapazität (Ct) mit steigender Sperrvorspannung abnimmt. Dies ist auf die Verbreiterung der Verarmungszone zurückzuführen. Das Anlegen einer höheren Sperrvorspannung (innerhalb der Grenzwerte) kann somit die Geschwindigkeit durch Reduzierung der Kapazität verbessern, allerdings auf Kosten eines potenziell höheren Dunkelstroms.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die Diode verwendet ein standardmäßiges radiales 5mm (T-1 3/4) Gehäuse mit Anschlussdrähten. Die detaillierte Abmessungszeichnung spezifiziert den Durchmesser, den Abstand der Anschlussdrähte, deren Länge und die Linsenform. Ein wichtiger Hinweis besagt, dass die Maßtoleranzen ±0,25 mm betragen, sofern nicht anders angegeben. Anode und Kathode sind gekennzeichnet, wobei der längere Anschlussdraht typischerweise die Anode (positive Seite im Fotovoltaikmodus) ist.

4.2 Polungskennzeichnung

Die Polung wird durch die Länge der Anschlussdrähte angezeigt. Der längere Draht ist die Anode (P-Seite), der kürzere Draht ist die Kathode (N-Seite). Im Fotoleitfähigkeitsmodus (in Sperrrichtung vorgespannt) sollte die Kathode mit der positiven Versorgungsspannung verbunden werden.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur beträgt 260°C. Dies entspricht gängigen Profilen für bleifreies Reflow-Löten. Beim Handlöten sollte darauf geachtet werden, die Hitzeeinwirkungszeit zu minimieren, um Schäden am Kunststoffgehäuse und der Epoxidlinse zu verhindern. Die Diode sollte innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs (-40°C bis +100°C) und in einer trockenen Umgebung gelagert werden, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die die Zuverlässigkeit während des Reflow-Lötens beeinträchtigen könnte.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Verpackungsspezifikation

Die Standardverpackungsmethode ist: 200-500 Stück pro Beutel, 5 Beutel pro Innenkarton und 10 Innenkartons pro Master- (Außen-)Karton.

6.2 Etikettenspezifikation

Das Etikett auf der Verpackung enthält mehrere Felder: CPN (Kunden-Produktnummer), P/N (Produktnummer), QTY (Packungsmenge), LOT No. (Losnummer für die Rückverfolgbarkeit) und Datumscodes. Dies erleichtert die Lagerverwaltung und Rückverfolgbarkeit.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Das Datenblatt listet auf: Hochgeschwindigkeits-Fotodetektion, Sicherheitssysteme und Kameras. Insbesondere eignet sich diese Photodiode für:

• Infrarot-Fernbedienungsempfänger:Gepaart mit einer 940nm IR-LED und einem demodulierenden IC.
• Optische Encoder:Für Geschwindigkeits- und Positionserfassung in Druckern, Motoren oder Industrieanlagen.
• Umgebungslichtsensor (ALS):Für die Display-Hintergrundbeleuchtungssteuerung in Geräten, wobei ihre IR-Empfindlichkeit möglicherweise eine Filterung für eine genaue Messung des sichtbaren Lichts erfordert.
• Einfache Objekterkennung:In Verbindung mit einer IR-Lichtquelle für Näherungssensoren oder Lichtschranken.
• Pulsoximetrie (in medizinischen Geräten, mit entsprechenden Qualifikationen):Erfassung von rotem und IR-Licht, wobei eine medizinische Zertifizierung erforderlich ist.

7.2 Designüberlegungen

Vorspannungskonfiguration:Für hohe Geschwindigkeit oder lineares Verhalten verwenden Sie die Photodiode im Fotoleitfähigkeitsmodus (in Sperrrichtung vorgespannt). Eine Transimpedanzverstärker (TIA)-Schaltung wird üblicherweise verwendet, um den Photostrom in eine Spannung umzuwandeln. Der Rückkopplungswiderstand und -kondensator im TIA müssen basierend auf der gewünschten Bandbreite und der Kapazität der Photodiode (typ. 18 pF) gewählt werden.

Rauschminimierung:Halten Sie die Anschlussdrähte der Photodiode kurz und verwenden Sie eine abgeschirmte Layoutstruktur, um parasitäre Kapazitäten und das Aufnehmen elektromagnetischer Störungen zu minimieren. Für Anwendungen mit schwachem Licht erwägen Sie eine Kühlung der Diode, um das Dunkelstromrauschen zu reduzieren.

Optische Überlegungen:Die wasserklare Linse lässt sichtbares und IR-Licht zu. Wenn nur IR-Detektion gewünscht ist, kann ein IR-Passfilter hinzugefügt werden, um sichtbares Licht zu blockieren und Rauschen von Umgebungslichtquellen zu reduzieren. Der 80-Grad-Öffnungswinkel bietet ein weites Sichtfeld; optische Blenden oder Linsen können verwendet werden, um es bei Bedarf einzugrenzen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu einer Standard-PN-Photodiode hat eine PIN-Photodiode wie die PD333-3C/H0/L2 eine intrinsische (I) Zone zwischen den P- und N-Schichten. Diese intrinsische Zone erzeugt einen größeren Verarmungsbereich, was zwei wesentliche Vorteile mit sich bringt:1) Geringere Sperrschichtkapazität:Die Kapazität von 18 pF ist für eine 5mm-Diode relativ niedrig und ermöglicht schnellere Ansprechzeiten.2) Verbesserte Linearität:Die breitere Verarmungszone ermöglicht eine effizientere Ladungsträgersammlung über einen größeren Bereich von Vorspannungen und Lichtintensitäten. Im Vergleich zu Fototransistoren sind Photodioden im Allgemeinen schneller und haben eine linearere Ausgabe, erzeugen aber einen viel kleineren Stromsignal, was eine anspruchsvollere Verstärkung erfordert.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

9.1 Was ist der Unterschied zwischen Kurzschlussstrom (ISC) und Sperrlichtstrom (IL)?

ISC wird mit Null-Vorspannung an der Diode (Fotovoltaikmodus) gemessen, während IL unter einer spezifizierten Sperrvorspannung (Fotoleitfähigkeitsmodus) gemessen wird. IL ist typischerweise sehr nahe an, aber nicht genau gleich ISC. Das Datenblatt zeigt beide mit typ. 40 μA unter denselben Testbedingungen.

9.2 Warum ist der Dunkelstrom wichtig?

Dunkelstrom ist der kleine Strom, der auch bei Abwesenheit von Licht fließt. Er legt das Grundrauschen des Sensors fest. In Anwendungen mit schwachem Licht ist ein niedriger Dunkelstrom (hier typ. 5 nA) für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis unerlässlich.

9.3 Wie wähle ich den Lastwiderstand (RL) für meine Anwendung?

Die Wahl beinhaltet einen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Ausgangsamplitude. Ein kleiner RL (z.B. 50Ω) ergibt eine schnelle Reaktion (siehe tr/tf vs. RL Kurve), aber eine kleine Ausgangsspannung (Vout = IL * RL). Ein großer RL ergibt eine größere Spannung, aber eine langsamere Reaktion aufgrund der RC-Zeitkonstante, die durch die Photodiodenkapazität und RL gebildet wird. Für die digitale Impulserkennung wird oft die Geschwindigkeit priorisiert.

9.4 Kann ich diese Diode mit einer sichtbaren Lichtquelle wie einer roten LED verwenden?

Ja, die spektrale Empfindlichkeitskurve zeigt eine signifikante Empfindlichkeit bis hinunter zu 400 nm. Allerdings wird ihre Empfindlichkeit bei 650 nm (rot) niedriger sein als bei ihrem 940 nm Peak. Sie würden ein kleineres Signal erhalten im Vergleich zur Verwendung einer IR-Quelle mit derselben optischen Leistung.

10. Design- und Anwendungsfallstudie

Fall: Entwurf eines Infrarot-Datenlink-Empfängers.Ein Entwickler muss modulierte Daten von einer 940nm IR-LED bei 38 kHz (eine gängige Fernbedienungsfrequenz) empfangen. Er wählt die PD333-3C/H0/L2 aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit bei 940nm und schnellen Reaktion (45 ns Anstiegszeit ist mehr als ausreichend für 38 kHz). Die Photodiode wird mit 5V in Sperrrichtung vorgespannt. Der Ausgang ist mit einem speziellen IR-Empfänger-IC verbunden (der einen TIA, einen Bandpassfilter abgestimmt auf 38 kHz und einen Demodulator enthält). Der Entwickler platziert die Photodiode nahe am Eingangsanschluss des ICs, verwendet kurze Leiterbahnen und fügt einen kleinen Entkopplungskondensator in der Nähe der Vorspannungsversorgung hinzu, um Rauschen zu minimieren. Ein IR-durchlässiges Fenster wird vor der Photodiode platziert, um sichtbares Licht zu blockieren und Störungen von Leuchtstofflampen zu reduzieren, die mit 100/120 Hz flackern können.

11. Funktionsprinzip

Eine PIN-Photodiode ist ein Halbleiterbauelement, das Licht in elektrischen Strom umwandelt. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters auf das Bauelement treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare in der intrinsischen Zone. Unter dem Einfluss des internen elektrischen Feldes (im Fotovoltaikmodus) oder einer angelegten Sperrvorspannung (im Fotoleitfähigkeitsmodus) werden diese Ladungsträger auseinandergetrieben, wodurch ein messbarer Photostrom entsteht, der proportional zur einfallenden optischen Leistung ist. Die "I" (intrinsische) Schicht ist der Schlüssel: Sie ist schwach dotiert, erzeugt eine breite Verarmungszone, die die Kapazität für höhere Geschwindigkeit reduziert und die Quanteneffizienz verbessert, indem sie ein größeres Volumen für die Photonenabsorption bereitstellt.

12. Technologietrends

Der allgemeine Trend in der Photodiodentechnologie geht in Richtung höherer Integration, geringerem Rauschen und größerer Anwendungsspezifität. Dazu gehört die Entwicklung von Photodioden mit On-Chip-Verstärkung (integrierte Photodioden-Verstärker-Kombinationen), Arrays für Bildgebung oder Mehrkanalsensorik und Bauelemente mit maßgeschneiderten spektralen Antworten oder eingebauten optischen Filtern. Es gibt auch laufende Forschung zu Materialien jenseits von Silizium (wie InGaAs) für die Detektion im erweiterten Infrarotbereich. Für Standard-Komponenten wie die 5mm PIN-Photodiode bleibt der Fokus auf Kostenreduzierung, Zuverlässigkeitsverbesserung und dem Erreichen engerer Parameterverteilungen bei gleichzeitiger Beibehaltung wichtiger Leistungskennzahlen wie Geschwindigkeit und Empfindlichkeit.