PD95-21B/TR10 Fotodiode Datenblatt - 1,9mm runde SMD-Bauform - Schwarze Linse - Spitzenempfindlichkeit 940nm - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PD95-21B/TR10 ist eine subminiaturisierte, oberflächenmontierbare (SMD) Baugruppe, die für Hochleistungs-Lichtsensoranwendungen konzipiert ist. Es handelt sich um eine siliziumbasierte PIN-Fotodiode, ein grundlegendes Halbleiterbauelement, das Lichtenergie in elektrischen Strom umwandelt. Das Bauteil ist in einem kompakten, runden Gehäuse mit 1,9mm Durchmesser und einer charakteristischen "Z-Bend"-Anschlusskonfiguration untergebracht, was es für automatisierte Bestückungsprozesse geeignet macht. Die Oberseite des Gehäuses verfügt über eine schwarze Kunststofflinse, die das Sichtfeld definiert und einen gewissen Umweltschutz bietet. Ihre Hauptfunktion ist die Detektion von Infrarotstrahlung, wobei ihre spektralen Eigenschaften speziell auf gängige Infrarot-Emissionsdioden (IREDs) abgestimmt sind, was sie zu einem idealen Empfängerbauteil in optoelektronischen Systemen macht.

2. Hauptmerkmale und Anwendungen

2.1 Kernvorteile

Die Fotodiode bietet mehrere leistungsrelevante Vorteile, die für moderne Elektronikdesigns entscheidend sind:

• Schnelle Ansprechzeit:Die PIN-Struktur mit ihrer intrinsischen (I) Zone ermöglicht eine schnelle Ladungsträgersammlung, sodass das Bauteil rasch auf Änderungen der Lichtintensität reagieren kann. Dies ist für Datenkommunikation, Impulserkennung und Hochgeschwindigkeitssensorik unerlässlich.
• Hohe Lichtempfindlichkeit:Sie erzeugt effizient einen messbaren elektrischen Strom aus geringen Pegeln einfallenden Lichts (Bestrahlungsstärke) und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis in Detektorschaltungen.
• Geringe Sperrschichtkapazität:Eine niedrige Kapazität ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer hohen Bandbreite und schnellen Ansprechzeit, da sie die RC-Zeitkonstante der Detektorschaltung minimiert.
• Robuste Fertigungskompatibilität:Das Bauteil ist für die Verarbeitung in Standard-Infrarot- und Dampfphasen-Reflow-Lötprozessen ausgelegt und ermöglicht so eine zuverlässige Leiterplattenbestückung.
• Umweltkonformität:Die Komponente ist bleifrei (Pb-frei), entspricht der EU REACH-Verordnung und erfüllt halogenfreie Anforderungen (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl <1500 ppm), was mit globalen Umwelt- und Sicherheitsstandards übereinstimmt.

2.2 Zielanwendungen

Diese Fotodiode ist für Systeme entwickelt, die eine zuverlässige Infrarotdetektion erfordern. Typische Anwendungsbereiche umfassen:

• Infrarot-Anwendungssysteme:Dies umfasst ein breites Spektrum, einschließlich Fernbedienungen, Annäherungssensoren, Objekterkennung und optische Unterbrecherschalter.
• Kopierer und Drucker:Verwendung für Papiererkennung, Tonerstandserfassung und Scanmechanismen, bei denen eine präzise Detektion von reflektiertem oder durchgelassenem Licht erforderlich ist.
• Automobilsensoren:Geeignet für nicht sicherheitskritische Sensorprojekte in Fahrzeugen, wie Regensensoren, Dämmerungssensoren oder Innenraum-Belegungserkennung, bei denen Zuverlässigkeit über einen Temperaturbereich wichtig ist.

3. Analyse der technischen Parameter

3.1 Absolute Maximalwerte

Diese Grenzwerte definieren die Belastungsbedingungen, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden auftreten können. Der Betrieb sollte stets innerhalb dieser Grenzen erfolgen.

• Sperrspannung (V_R):32 V. Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung an die Diode angelegt werden kann, ohne einen Durchbruch zu verursachen.
• Betriebstemperatur (T_opr):-25°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, für den die ordnungsgemäße Funktion des Bauteils spezifiziert ist.
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +85°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Löttemperatur (T_sol):260°C für maximal 5 Sekunden. Dies definiert die Spitzentemperaturtoleranz während des Reflow-Lötens.
• Verlustleistung (P_d):150 mW bei 25°C. Die maximale Leistung, die das Bauteil sicher als Wärme abführen kann.

3.2 Elektro-optische Kenngrößen (Ta=25°C)

Diese Parameter definieren die Leistungsfähigkeit des Bauteils unter typischen Betriebsbedingungen.

• Spektrale Bandbreite (λ_0.5):730 nm bis 1100 nm. Dies ist der Wellenlängenbereich, in dem die Empfindlichkeit der Fotodiode mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Es bestätigt, dass das Bauteil im nahen Infrarotspektrum empfindlich ist.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λ_P):940 nm (typisch). Die Lichtwellenlänge, bei der die Fotodiode am empfindlichsten ist. Dies stimmt perfekt mit dem Emissionsmaximum vieler standardmäßiger GaAlAs-Infrarot-LEDs überein.
• Kurzschlussstrom (I_SC):4 µA (typisch) bei E_e=1 mW/cm², λ=875 nm. Der Strom, der erzeugt wird, wenn die Anschlüsse der Fotodiode kurzgeschlossen sind (Null-Bias-Spannung). Es ist ein direktes Maß für die Effizienz der Fotostromerzeugung.
• Sperrlichtstrom (I_L):4 µA (typisch) bei E_e=1 mW/cm², λ=875 nm, V_R=5V. Der unter Sperrvorspannung fließende Strom bei Beleuchtung. Der Betrieb in Sperrrichtung (photoleitender Modus) bietet im Allgemeinen eine schnellere Ansprechzeit und eine linearere Ausgangskennlinie als der Betrieb ohne Vorspannung (photovoltaischer Modus).
• Sperrdunkelstrom (I_D):10 nA (max.) bei V_R=10V. Der geringe Leckstrom, der unter Sperrvorspannungsbedingungen in völliger Dunkelheit fließt. Ein niedriger Dunkelstrom ist entscheidend für die Erkennung schwacher Lichtsignale, da er das Grundrauschen des Bauteils darstellt.
• Sperrdurchbruchspannung (V_BR):32 V (min.), 170 V (typisch). Die Spannung, bei der der Sperrstrom stark ansteigt. Das Bauteil sollte niemals in der Nähe dieses Punktes betrieben werden.

4. Analyse der Leistungskennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische Leistungskennlinien, die einen tieferen Einblick bieten als Ein-Punkt-Spezifikationen.

4.1 Spektrale Empfindlichkeit (Abb. 1)

Diese Kurve stellt grafisch die Empfindlichkeit der Fotodiode als Funktion der Wellenlänge des einfallenden Lichts dar. Sie zeigt eine glockenförmige Kurve mit einem Maximum bei etwa 940 nm, die zu den spezifizierten Punkten bei 730 nm und 1100 nm (halbe Spitzenempfindlichkeit) abfällt. Diese Kurve ist wesentlich, um die Fotodiode auf eine bestimmte Lichtquelle abzustimmen und so maximale Signalstärke zu gewährleisten.

4.2 Sperrlichtstrom vs. Bestrahlungsstärke (Abb. 2)

Diese Darstellung veranschaulicht die Beziehung zwischen dem erzeugten Fotostrom (I_L) und der einfallenden Lichtleistungsdichte (E_e). Für eine gut ausgelegte PIN-Fotodiode, die in ihrem linearen Bereich arbeitet, sollte diese Beziehung hochgradig linear sein. Die Steigung dieser Linie repräsentiert die Empfindlichkeit der Fotodiode (typischerweise in A/W). Diese Linearität ist entscheidend für analoge Lichtmessanwendungen.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil ist ein rundes Gehäuse mit 1,9mm Durchmesser. Detaillierte mechanische Zeichnungen sind im Datenblatt enthalten, die alle kritischen Abmessungen wie Gehäusedurchmesser, Höhe, Anschlussabstand und Anschlussabmessungen spezifizieren. Alle Abmessungen sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,1mm angegeben, sofern nicht anders vermerkt. Der "Z-Bend"-Anschlusstil ist dafür ausgelegt, einen stabilen Sockel für die Oberflächenmontage zu bieten und mechanische Spannungen zu reduzieren.

5.2 Polaritätskennzeichnung

Die Fotodiode ist ein polarisiertes Bauelement. Die Zeichnung im Datenblatt zeigt eindeutig die Kathoden- und Anodenanschlüsse. Während der Leiterplattenbestückung muss die korrekte Polarität für den ordnungsgemäßen Betrieb in Sperrrichtung beachtet werden.

5.3 Trägerband- und Spulen-Spezifikationen

Für die automatisierte Bestückung werden die Bauteile auf Trägerband und Rolle geliefert. Das Datenblatt enthält die Abmessungen für die Trägerbandtaschen, den Spulendurchmesser und die Ausrichtung. Die Standardpackungsmenge beträgt 1000 Stück pro Rolle.

6. Löt- und Bestückungsrichtlinien

6.1 Lagerung und Feuchtigkeitsempfindlichkeit

Die Fotodiode ist feuchtigkeitsempfindlich. Es müssen Vorkehrungen getroffen werden, um "Popcorning" oder Delaminierung während des Reflow-Lötens zu verhindern:

• Lagern Sie ungeöffnete Beutel bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit.
• Verwenden Sie die Bauteile innerhalb eines Jahres.
• Nach dem Öffnen bei ≤30°C und ≤70% relativer Luftfeuchtigkeit lagern.
• Verwenden Sie die Bauteile innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen) nach dem Öffnen der Feuchtigkeitssperrbeutel.
• Wenn die Lagerzeit überschritten wurde oder der Trockenmittelindikator Feuchtigkeitseintritt anzeigt, backen Sie die Bauteile vor der Verwendung bei 60±5°C für 24 Stunden.

6.2 Reflow-Lötprofil

Ein bleifreies Reflow-Löttemperaturprofil wird empfohlen. Das Profil sollte so gesteuert werden, dass die maximale Bauteiltemperatur 260°C für nicht mehr als 5 Sekunden überschreitet. Das Reflow-Löten sollte nicht mehr als zweimal durchgeführt werden, um thermische Schäden am Kunststoffgehäuse und dem Halbleiterchip zu vermeiden.

6.3 Handlöten und Nacharbeit

Falls Handlöten notwendig ist, ist äußerste Vorsicht geboten:

• Verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Temperatur unter 350°C und einer Leistung unter 25W.
• Begrenzen Sie die Kontaktzeit pro Anschluss auf 3 Sekunden.
• Lassen Sie eine Abkühlpause von mindestens 2 Sekunden zwischen dem Löten jedes Anschlusses.
• Vermeiden Sie mechanische Belastung des Bauteils während des Erhitzens.
• Nacharbeit wird dringend abgeraten. Falls unvermeidbar, sollte ein spezieller Doppelspitzen-Lötkolben verwendet werden, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und thermische Spannungen zu vermeiden. Die Funktionalität des Bauteils muss nach jedem Nacharbeitsversuch überprüft werden.

6.4 Überlegungen zum Leiterplattendesign

Nach dem Löten sollte die Leiterplatte nicht verformt oder gebogen werden, da dies Spannungen auf den spröden Halbleiterchip oder die Lötstellen übertragen und möglicherweise einen Ausfall verursachen kann.

7. Anwendungsdesign-Überlegungen

7.1 Überstromschutz

Ein kritischer Designhinweis: Die Fotodiode selbst verfügt über keine interne Strombegrenzung. Bei Betrieb in Sperrrichtung kann selbst eine kleine Spannungserhöhung zu einem großen, möglicherweise zerstörerischen Stromanstieg führen, wenn das Bauteil Licht ausgesetzt ist. Dahermussein externer Vorwiderstand in der Vorspannungsschaltung verwendet werden, um den maximalen Strom unter hellen Beleuchtungsbedingungen zu begrenzen und ein Durchbrennen zu verhindern.

7.2 Vorspannung und Schnittstellenschaltung

Die Fotodiode kann in zwei Hauptmodi betrieben werden:

1. Photoleitender Modus (Sperrvorspannung):Das Anlegen einer Sperrvorspannung (z.B. 5V wie in der Testbedingung) verbreitert die Verarmungszone, reduziert die Sperrschichtkapazität und beschleunigt die Ansprechzeit. Dies ist der bevorzugte Modus für Hochgeschwindigkeits- und lineare Anwendungen. Die Ausgabe ist eine Stromquelle, die typischerweise mit einem Transimpedanzverstärker (TIA) in eine Spannung umgewandelt wird.
2. Photovoltaischer Modus (Nullvorspannung):Die Fotodiode erzeugt bei Beleuchtung ihre eigene Spannung und arbeitet wie eine Solarzelle. Dieser Modus bietet einen sehr niedrigen Dunkelstrom, hat jedoch eine langsamere Ansprechzeit und geringere Linearität. Er eignet sich für niederfrequente Lichtmessungen, bei denen Einfachheit entscheidend ist.

7.3 Optisches Design

Die schwarze Linse bietet einen definierten Blickwinkel. Für optimale Leistung sollte das Systemdesign die Ausrichtung zwischen der Infrarotlichtquelle (z.B. einer LED) und der Fotodiode sowie potenzielle Quellen von Umgebungslichtstörungen (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen) berücksichtigen, die in ihren spektralen Bereich fallen. In Umgebungen mit hohem Umgebungslichtpegel können optische Filter notwendig sein.

8. Technischer Vergleich und Auswahl

Die PD95-21B/TR10 gehört zur Kategorie der Silizium-Fotodioden mit schwarzer Linse. Bei der Auswahl einer Fotodiode sollten Ingenieure die Schlüsselparameter mit den Anwendungsanforderungen vergleichen: Ansprechgeschwindigkeit (bezogen auf Kapazität und Vorspannung), Empfindlichkeit (I_L), spektrale Übereinstimmung mit der Lichtquelle, Gehäusegröße und Umweltrobustheit. Die Kombination aus kleiner Größe, guter Empfindlichkeit, schneller Reaktion und SMD-Kompatibilität macht dieses Bauteil zu einem starken Kandidaten für platzbeschränkte, hochvolumige Consumer- und Industrie-Infrarotsensoranwendungen, bei denen Zuverlässigkeit und Kosten in einem ausgewogenen Verhältnis stehen.

9. Funktionsprinzipien

Eine PIN-Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement mit einer Dreischichtstruktur: P-Typ, intrinsisches (undotiertes) und N-Typ Silizium. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Silizium-Bandlücke die intrinsische Region treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. In einer in Sperrrichtung vorgespannten PIN-Diode fegt das elektrische Feld in der breiten intrinsischen Zone diese Ladungsträger zu ihren jeweiligen Anschlüssen und erzeugt einen Fotostrom, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Zone ist der Schlüssel zu ihrer Leistung: Sie schafft einen großen Verarmungsbereich für die Photonenabsorption (erhöht die Empfindlichkeit) und reduziert die Sperrschichtkapazität (erhöht die Geschwindigkeit).

10. Haftungsausschluss und Nutzungshinweise

Die in einem Datenblatt bereitgestellten Informationen stellen die Herstellerspezifikationen zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dar. Typische Leistungskennlinien dienen der Referenz und stellen keine garantierten Mindest- oder Höchstwerte dar. Es liegt in der Verantwortung des Designers, das Bauteil innerhalb seiner absoluten Maximalwerte zu betreiben und die Leistung in der spezifischen Endanwendung zu validieren. Dieses Produkt ist im Allgemeinen nicht für den Einsatz in sicherheitskritischen, lebenserhaltenden, militärischen oder primären Automobilsystemen vorgesehen, ohne ausdrückliche Qualifizierung und Freigabe durch den Komponentenhersteller.