PD438C 4,8mm Halblinsen-Silizium-PIN-Fotodiode Datenblatt - 4,8mm Durchmesser - 32V Sperrspannung - 150mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PD438C ist eine schnelle, hochempfindliche Silizium-PIN-Fotodiode in einem zylindrischen Kunststoffgehäuse in Seitenansicht. Ihre Hauptfunktion ist die Umwandlung von einfallendem Licht, insbesondere im Infrarotspektrum, in einen elektrischen Strom. Ein wesentliches Merkmal dieses Bauteils ist, dass das Epoxidgehäuse selbst als integrierter Infrarot (IR)-Filter fungiert, der spektral auf gängige IR-Emitter abgestimmt ist. Dieses Design vereinfacht die Systemintegration, da der Bedarf an externer Filterung reduziert wird. Das Bauteil zeichnet sich durch schnelle Ansprechzeiten, hohe Lichtempfindlichkeit und eine geringe Sperrschichtkapazität aus, was es für Anwendungen geeignet macht, die eine schnelle und präzise Lichtdetektion erfordern.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Das Bauteil ist für einen zuverlässigen Betrieb innerhalb der folgenden absoluten Grenzwerte ausgelegt, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden führen kann. Die maximale Sperrspannung (V_R) beträgt 32V. Die Verlustleistung (P_d) darf 150 mW nicht überschreiten. Der Betriebstemperaturbereich (T_opr) liegt zwischen -40°C und +85°C, während der Lagertemperaturbereich (T_stg) von -40°C bis +100°C reicht. Für die Montage sollte die Löttemperatur (T_sol) bei 260°C für eine Dauer von maximal 5 Sekunden gehalten werden, um thermische Schäden am Gehäuse und am Halbleiterchip zu verhindern.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Unter Standardtestbedingungen (Ta=25°C) weist die PD438C die folgenden wesentlichen Leistungsparameter auf. Ihre spektrale Empfindlichkeitsbandbreite (λ_0.5) reicht von 400 nm bis 1100 nm, mit einer typischen Spitzenempfindlichkeitswellenlänge (λ_p) bei 940 nm, was sie perfekt mit gängigen Infrarotlichtquellen in Einklang bringt. Bei einer Bestrahlungsstärke von 5 mW/cm² bei 940 nm beträgt die typische Leerlaufspannung (V_OC) 0,35V. Der typische Kurzschlussstrom (I_SC) beträgt 18 µA bei 1 mW/cm² und 940 nm. Unter einer Sperrvorspannung von 5V und derselben Bestrahlungsstärke beträgt der typische Sperrlichtstrom (I_L) 18 µA (min. 10,2 µA). Der Dunkelstrom (I_d), also der Leckstrom bei Lichtabwesenheit, beträgt typischerweise 5 nA (max. 30 nA) bei einer Sperrspannung von 10V. Die gesamte Anschlusskapazität (C_t) beträgt typischerweise 25 pF bei 3V Sperrvorspannung und 1 MHz. Die Anstiegs- und Abfallzeiten (t_r/t_f) betragen typischerweise jeweils 50 ns bei Betrieb mit einer 10V Sperrvorspannung und einem 1 kΩ Lastwiderstand.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die für Entwicklungsingenieure von entscheidender Bedeutung sind. DieSpektrale Empfindlichkeit-Kurve zeigt die relative Empfindlichkeit der Fotodiode über ihren Betriebswellenlängenbereich und bestätigt das Maximum bei 940 nm. DasVerlustleistung vs. Umgebungstemperatur-Diagramm veranschaulicht die Reduzierung der maximal zulässigen Leistung mit steigender Betriebstemperatur, was für das thermische Management wesentlich ist. DieDunkelstrom vs. Umgebungstemperatur-Kurve zeigt, wie der Leckstrom mit der Temperatur ansteigt, ein kritischer Faktor für Anwendungen bei schwachem Licht oder hohen Temperaturen. DieSperrlichtstrom vs. Bestrahlungsstärke (Ee)-Kurve zeigt den linearen Zusammenhang zwischen der einfallenden Lichtleistung und dem erzeugten Fotostrom und bestätigt die vorhersagbare Reaktion des Bauteils. DieAnschlusskapazität vs. Sperrspannung-Kurve zeigt, wie die Sperrschichtkapazität mit zunehmender Sperrvorspannung abnimmt, was sich direkt auf die Geschwindigkeit des Bauteils auswirkt. Schließlich zeigt dasAnsprechzeit vs. Lastwiderstand-Diagramm, wie die Anstiegs-/Abfallzeit durch den externen Lastwiderstand beeinflusst wird, was die Auswahl eines geeigneten Lastwiderstands für geschwindigkeitskritische Schaltungen erleichtert.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die PD438C ist in einem zylindrischen Gehäuse in Seitenansicht mit einem Nenndurchmesser von 4,8 mm verpackt. Die detaillierte mechanische Zeichnung gibt alle kritischen Abmessungen an, einschließlich Anschlussabstand, Gehäusehöhe und Linsengeometrie. Die Zeichnung vermerkt, dass Maßtoleranzen typischerweise ±0,25 mm betragen, sofern nicht anders angegeben. Die Seitenansichtskonfiguration ist besonders nützlich für Anwendungen, bei denen der Lichtweg parallel zur Montageoberfläche verläuft, wie z.B. bei Schlitzsensoren oder Kantenerkennungssystemen.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Das Bauteil ist ein zweipoliges Bauelement. Die Kathode wird typischerweise durch einen längeren Anschluss, eine Kerbe oder eine flache Stelle am Gehäusekörper gekennzeichnet. Ein korrekter Polanschluss ist bei Anlegen einer Sperrvorspannung für eine optimale Leistung im fotoleitenden Betrieb unerlässlich.

5. Löt- und Montagehinweise

Das Bauteil ist für das Löten mit einer Spitzentemperatur von 260°C ausgelegt. Es ist entscheidend, dass die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (typischerweise etwa 217°C für bleifreies Lot) auf maximal 5 Sekunden begrenzt wird, um übermäßige thermische Belastung des Epoxidgehäuses und der internen Bonddrähte zu verhindern. Standard-Rückfluss- oder Wellenlötprofile für bleifreie Baugruppen sind im Allgemeinen anwendbar. Es sollte darauf geachtet werden, mechanische Belastungen der Anschlüsse während der Handhabung und Platzierung zu vermeiden.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungsspezifikation beträgt 500 Stück pro Beutel. Sechs Beutel werden zu einem Innenkarton kombiniert, und zehn Innenkartons bilden einen Hauptversandkarton, was insgesamt 30.000 Stück pro Hauptkarton ergibt. Das Produktetikett enthält Felder für die Kundenteilenummer (CPN), die Herstellernummer (P/N), die Packmenge (QTY) und die Losrückverfolgbarkeitsinformationen (LOT No.).

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Die PD438C eignet sich gut für eine Vielzahl optoelektronischer Anwendungen. Ihre hohe Geschwindigkeit macht sie ideal fürschnelle Lichtdetektionin Datenkommunikationsverbindungen oder Impulserkennung. Sie wird häufig inUnterhaltungselektronikwie Kameras und Camcordern (VCRs, Videokameras) für Autofokussysteme, Belichtungsmessung oder Bandendenerkennung verwendet. Sie dient als zuverlässiger Sensor inoptoelektronischen Schalternund Unterbrechern für Positionserfassung, Objekterkennung und Drehgebersysteme. Der integrierte IR-Filter macht sie besonders effektiv in Systemen, die mit 940 nm IR-LEDs gepaart sind, da er unerwünschtes sichtbares Licht herausfiltert.

7.2 Designüberlegungen

Beim Entwurf einer Schaltung mit der PD438C müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Für dieGeschwindigkeitsoptimierungsollte die Fotodiode mit einer ausreichenden Sperrvorspannung (z.B. 5V-10V) betrieben werden, um die Sperrschichtkapazität zu minimieren, und ein Lastwiderstand mit niedrigem Wert sollte verwendet werden, wie in der Ansprechzeit-vs.-Lastwiderstand-Kurve gezeigt, obwohl dies mit der Ausgangsspannungsauslenkung abgewogen werden muss. Eine Transimpedanzverstärker (TIA)-Konfiguration wird oft bevorzugt, um den kleinen Fotostrom in eine nutzbare Spannung umzuwandeln und dabei die Bandbreite beizubehalten. Fürrauschempfindliche Anwendungensind die Dunkelstromspezifikation und ihre Temperaturabhängigkeit kritisch; eine Kühlung des Bauteils oder die Verwendung von synchronen Detektionstechniken kann erforderlich sein. Die Linearität des Fotostroms mit der Bestrahlungsstärke vereinfacht Entwürfe für optische Leistungsmessungen. Stellen Sie sicher, dass die optische Apertur und Ausrichtung für die Seitenansichtspaketorientierung korrekt sind.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-Fotodioden ohne Linse oder Filter bietet die PD438C einen deutlichen Vorteil aufgrund ihresintegrierten Halblinsen- und IR-filternden Epoxids. Dies macht einen separaten optischen Filter überflüssig, reduziert die Anzahl der Bauteile, die Montagekomplexität und die Kosten. Das Seitenansichtsgehäuse ist eine spezifische Bauform, die Integrationsherausforderungen in platzbeschränkten Designs löst, bei denen Aufsichtssensoren nicht verwendet werden können. Ihre Kombination aus relativ hoher Geschwindigkeit (50 ns) und guter Empfindlichkeit (18 µA bei 1 mW/cm²) bietet ein ausgewogenes Leistungsprofil für viele mittlere Anwendungen und positioniert sie zwischen sehr schnellen, niedrigempfindlichen Bauteilen und langsameren, hochempfindlichen Fotodioden.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck der "Halblinse"?

A: Die Halblinse hilft dabei, einfallendes Licht auf den aktiven Bereich des Siliziumchips zu fokussieren, wodurch die effektive Sammelfläche und somit die Empfindlichkeit des Bauteils im Vergleich zu einem flachen Fenster erhöht wird.

F: Warum liegt die Spitzenempfindlichkeit bei 940 nm?

A: Die inhärenten Absorptionseigenschaften von Silizium erreichen im nahen Infrarotbereich ihr Maximum. 940 nm ist eine sehr häufige Wellenlänge für Infrarot-Emitter (LEDs), da sie für das menschliche Auge unsichtbar und leicht verfügbar ist. Das Epoxid ist darauf abgestimmt.

F: Sollte ich diese Fotodiode im fotovoltaischen (Null-Vorspannung) oder fotoleitenden (Sperrvorspannung) Modus verwenden?

A: Für höchste Geschwindigkeit und Linearität wird der fotoleitende Modus (Anlegen einer Sperrvorspannung, z.B. 5V) empfohlen. Er reduziert die Sperrschichtkapazität und verbreitert die Verarmungszone. Der fotovoltaische Modus (Null-Vorspannung) bietet geringeres Rauschen (kein Dunkelstrom), ist aber langsamer.

F: Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung?

A: Wie in den Kurven gezeigt, steigt der Dunkelstrom mit der Temperatur deutlich an, was eine Rauschquelle sein kann. Der Fotostrom selbst hat ebenfalls einen leichten Temperaturkoeffizienten. Für einen stabilen Betrieb können Temperaturkompensation oder eine kontrollierte Umgebung in Präzisionsanwendungen erforderlich sein.

10. Praktische Design- und Anwendungsbeispiele

Beispiel 1: Infrarot-Näherungssensor:Eine IR-LED sendet Impulse bei 940 nm. Das reflektierte Licht wird von der PD438C erfasst. Das Seitenansichtsgehäuse ermöglicht es, sowohl den Emitter als auch den Detektor auf derselben Leiterplatte in derselben Richtung zu platzieren. Der integrierte IR-Filter in der PD438C hilft, sichtbares Umgebungslicht zu unterdrücken und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis des reflektierten IR-Signals. Ein Mikrocontroller misst den Strom der Fotodiode über einen TIA, um die Anwesenheit oder Entfernung eines Objekts zu bestimmen.

Beispiel 2: Schlitz-Lichtschranke:Die PD438C ist auf einer Seite eines U-förmigen Trägers montiert und einer IR-LED auf der anderen Seite gegenüber. Ein Objekt, das den Schlitz durchquert, unterbricht den Lichtstrahl. Die schnelle Ansprechzeit (50 ns) ermöglicht die Erkennung von sehr schnellen Ereignissen oder die Kodierung schneller Bewegungen.

11. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement mit einem breiten, schwach dotierten intrinsischen (I) Bereich, der zwischen einem P-Typ- und einem N-Typ-Bereich eingebettet ist. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters (für Silizium Wellenlängen kürzer als ~1100 nm) auf das Bauteil treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare im intrinsischen Bereich. Unter dem Einfluss des internen elektrischen Feldes (im fotovoltaischen Modus) oder einer angelegten Sperrvorspannung (im fotoleitenden Modus) werden diese Ladungsträger getrennt, wodurch ein messbarer Fotostrom erzeugt wird, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Der breite intrinsische Bereich ermöglicht ein größeres Verarmungsvolumen, was die Quanteneffizienz (Empfindlichkeit) verbessert und die Sperrschichtkapazität verringert, was im Vergleich zu einer Standard-PN-Fotodiode einen schnelleren Betrieb ermöglicht.

12. Branchentrends und Entwicklungen

Der Markt für Fotodioden wie die PD438C wird weiterhin von Trends in der Automatisierung, Unterhaltungselektronik und Kommunikation angetrieben. Es gibt einen ständigen Druck in Richtunghöherer Geschwindigkeit, um schnellere Datenübertragung in optischen Verbindungen zu unterstützen.Verbesserte Empfindlichkeit(geringeres Rauschen, höhere Empfindlichkeit) ermöglicht den Betrieb mit leistungsschwächeren Emittern oder über größere Entfernungen.Miniaturisierungist ein weiterer Schlüsseltrend, der zu Fotodioden in kleineren oberflächenmontierbaren Gehäusen führt. Darüber hinaus schreitet die Integration voran, wobei mehr Bauteile die Fotodiode, den Verstärker und manchmal sogar digitale Logik in einem einzigen Gehäuse vereinen (z.B. Fotodioden-Arrays, integrierte optische Sensoren). Die PD438C mit ihrem integrierten optischen Filter stellt einen Schritt in diesem Integrationstrend dar und vereinfacht die Stückliste für Systementwickler.