Technisches Datenblatt für die 4,8 mm Halblinsen-Silizium-PIN-Photodiode PD438B - 4,8 mm Durchmesser - Schwarze Linse

1. Produktübersicht

Die PD438B ist eine leistungsstarke Silizium-PIN-Photodiode für Anwendungen, die schnelle Reaktion und hohe Empfindlichkeit gegenüber Infrarotlicht erfordern. Sie ist in einem kompakten, zylindrischen Seitenansichts-Kunststoffgehäuse mit einem Durchmesser von 4,8 mm untergebracht. Ein wesentliches Merkmal ist das Epoxidgehäuse, das als integrierter Infrarot (IR)-Filter wirkt. Dieser eingebaute Filter ist spektral auf gängige IR-Emitter abgestimmt und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis, indem er gezielt die gewünschte IR-Wellenlänge durchlässt und unerwünschtes sichtbares Licht dämpft.

Die Kernvorteile der PD438B umfassen schnelle Ansprechzeiten, hohe Lichtempfindlichkeit und eine geringe Sperrschichtkapazität, was sie für schnelle Detektionsschaltungen geeignet macht. Das Bauteil ist aus bleifreien (Pb-freien) Materialien gefertigt und entspricht relevanten Umweltvorschriften wie RoHS und EU REACH, was seine Eignung für die moderne Elektronikfertigung sicherstellt.

Die primären Zielmärkte und Anwendungen für diese Photodiode liegen in der Unterhaltungselektronik und der industriellen Sensorik. Sie eignet sich ideal als schneller Fotodetektor in Systemen wie Kameras, Videorekordern und Camcordern. Ihre Eigenschaften machen sie auch zu einer zuverlässigen Komponente in verschiedenen optoelektronischen Schaltern und Sensormodulen, bei denen die präzise Erkennung von IR-Signalen entscheidend ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für einen zuverlässigen Betrieb innerhalb spezifizierter Umgebungs- und elektrischer Grenzwerte ausgelegt. Das Überschreiten dieser absoluten Maximalwerte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Sperrspannung (VR):32 V. Dies ist die maximale Spannung, die in Sperrrichtung an die Photodiodenanschlüsse angelegt werden darf.
• Verlustleistung (Pd):150 mW. Dieser Wert berücksichtigt die Gesamtleistung, die das Bauteil verarbeiten kann, hauptsächlich durch den Sperrstrom unter Vorspannung.
• Betriebstemperatur (Topr):-40°C bis +85°C. Der garantierte Leistungsbereich für die Photodiode im Normalbetrieb.
• Lagertemperatur (Tstg):-40°C bis +100°C. Der sichere Temperaturbereich für das Bauteil im stromlosen Zustand.
• Löttemperatur (Tsol):260°C für maximal 5 Sekunden. Dies definiert die Einschränkungen des Reflow-Lötprofils, um Gehäuseschäden zu verhindern.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter, gemessen bei einer Standardtemperatur von 25°C, definieren die Kernleistung der PD438B in der Fotodetektion.

• Spektrale Bandbreite (λ0.5):400 nm bis 1100 nm. Dies definiert den Wellenlängenbereich, in dem die Empfindlichkeit der Photodiode mindestens die Hälfte ihres Spitzenwerts beträgt. Es bestätigt die Empfindlichkeit von sichtbarem blauem Licht bis in den nahen Infrarotbereich.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λp):940 nm (typisch). Die Photodiode ist bei dieser Wellenlänge am empfindlichsten für Infrarotlicht, was für viele IR-LEDs und Fernbedienungssysteme Standard ist.
• Leerlaufspannung (VOC):0,35 V (typisch) bei einer Bestrahlungsstärke (Ee) von 5 mW/cm² bei 940 nm. Dies ist die von der Photodiode im Fotovoltaikmodus (ohne externe Vorspannung) unter spezifizierten Lichtbedingungen erzeugte Spannung.
• Kurzschlussstrom (ISC):18 µA (typisch) bei 1 mW/cm² und 940 nm. Dies ist der Fotostrom, der entsteht, wenn die Diodenanschlüsse kurzgeschlossen sind, und stellt den maximalen Stromausgang für ein gegebenes Lichtniveau dar.
• Fotostrom in Sperrrichtung (IL):18 µA (typisch) bei VR=5V und 1 mW/cm² bei 940 nm. Dies ist der gemessene Fotostrom, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, was der Standardbetriebsmodus für schnelle und lineare Reaktion ist.
• Dunkelstrom (Id):5 nA (typisch), 30 nA (max.) bei VR=10V in völliger Dunkelheit. Dies ist der geringe Leckstrom, der auch bei Abwesenheit von Licht fließt. Ein niedriger Dunkelstrom ist entscheidend für die Erkennung schwacher Lichtsignale.
• Sperrspannungsdurchbruch (BVR):170 V (typisch), 32 V (min.). Die Spannung, bei der der Sperrstrom stark ansteigt. Die Betriebssperrspannung sollte stets deutlich unter diesem Wert liegen.
• Gesamtkapazität (Ct):25 pF (typisch) bei VR=3V und 1 MHz. Diese Sperrschichtkapazität beeinflusst direkt die Geschwindigkeit des Bauteils; eine niedrigere Kapazität ermöglicht schnellere Ansprechzeiten.
• Anstiegs-/Abfallzeit (tr/tf):50 ns / 50 ns (typisch) mit VR=10V und einem Lastwiderstand (RL) von 1 kΩ. Diese Parameter geben an, wie schnell der Ausgangsstrom der Photodiode auf einen Lichtimpuls reagieren kann und definieren somit ihre Hochgeschwindigkeitsfähigkeit.

Toleranzen für Schlüsselparameter sind spezifiziert: Lichtstärke (±10%), dominante Wellenlänge (±1nm) und Durchlassspannung (±0,1V), um die Konsistenz in Produktionschargen sicherzustellen.

3. Analyse der Kennlinien

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

3.1 Spektrale Empfindlichkeit

Die spektrale Empfindlichkeitskurve zeigt die relative Empfindlichkeit der Photodiode über verschiedene Wellenlängen hinweg. Sie wird aufgrund der integrierten IR-filternden Epoxidlinse scharf bei etwa 940 nm ihren Höhepunkt erreichen, mit deutlich reduzierter Empfindlichkeit im sichtbaren Spektrum (400-700 nm). Diese Kurve ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Detektor auf die Wellenlänge des Emitters abgestimmt ist.

3.2 Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt typischerweise einen exponentiellen Anstieg des Dunkelstroms (Id) mit steigender Umgebungstemperatur. Entwickler müssen diesen erhöhten Grundrauschpegel in Hochtemperaturanwendungen oder bei der Erkennung sehr schwacher Lichtsignale berücksichtigen.

3.3 Fotostrom in Sperrrichtung in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke (Ee)

Dieses Diagramm zeigt die lineare Beziehung zwischen der einfallenden Lichtleistung (Bestrahlungsstärke) und dem erzeugten Fotostrom (IL), wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist. Die Linearität ist ein Schlüsselmerkmal von PIN-Photodioden und macht sie für Lichtmessanwendungen geeignet.

3.4 Sperrschichtkapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung

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

3.5 Ansprechzeit in Abhängigkeit vom Lastwiderstand

Die Anstiegs-/Abfallzeit (tr/tf) wird durch die RC-Zeitkonstante beeinflusst, die sich aus der Sperrschichtkapazität der Photodiode und dem externen Lastwiderstand (RL) ergibt. Diese Kurve zeigt, wie die Ansprechzeit mit größeren Lastwiderständen zunimmt, und leitet die Auswahl von RL für die gewünschte Geschwindigkeit in Transimpedanzverstärkerschaltungen an.

3.6 Verlustleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Diese Derating-Kurve gibt die maximal zulässige Verlustleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur an. Mit steigender Temperatur nimmt die maximal sichere Leistung, die das Bauteil verarbeiten kann, linear ab, was für das thermische Management im Systemdesign von entscheidender Bedeutung ist.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die PD438B ist in einem zylindrischen Seitenansichtsgehäuse mit einem Nenndurchmesser von 4,8 mm untergebracht. Die detaillierte mechanische Zeichnung im Datenblatt liefert alle kritischen Abmessungen, einschließlich Gehäusedurchmesser, Länge, Anschlussabstand und Anschlussdurchmesser. Eine Standardtoleranz von ±0,25 mm gilt für alle Gehäuseabmessungen, sofern nicht anders angegeben. Die Seitenansichtskonfiguration ist für Anwendungen ausgelegt, bei denen der Lichtweg parallel zur Leiterplattenoberfläche verläuft.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Photodiode ist ein polarisiertes Bauteil. Die Kathode wird typischerweise durch einen längeren Anschluss, eine flache Stelle am Gehäuse oder eine spezifische Markierung gekennzeichnet. Das Gehäusediagramm im Datenblatt zeigt deutlich die Anoden- und Kathodenanschlüsse, die während der Montage beachtet werden müssen, um die korrekte Vorspannung (Sperrspannung für Normalbetrieb) sicherzustellen.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten und Schäden während des Montageprozesses zu vermeiden, müssen spezifische Lötbedingungen eingehalten werden.

• Reflow-Löten:Das Bauteil eignet sich für die Oberflächenmontage mittels Reflow-Löttechniken. Die maximale Löttemperatur darf 260°C nicht überschreiten, und die Zeit über dieser Temperatur sollte auf 5 Sekunden oder weniger begrenzt sein, um thermische Schäden am Epoxidgehäuse und dem Halbleiterchip zu verhindern.
• Handlöten:Falls Handlöten erforderlich ist, sollte ein temperaturgeregeltes Lötkolben verwendet werden. Die Kontaktzeit mit den Anschlüssen sollte minimiert werden, und eine Wärmeableitung der Leitung zwischen Lötstelle und Gehäusekörper wird empfohlen.
• Lagerbedingungen:Die Bauteile sollten in ihren original Feuchtigkeitssperrbeuteln in einer Umgebung innerhalb des Lagertemperaturbereichs von -40°C bis +100°C und bei niedriger Luftfeuchtigkeit gelagert werden, um eine Oxidation der Anschlüsse zu verhindern.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Verpackungsspezifikation

Der Standardverpackungsablauf für die PD438B ist wie folgt: 500 Stück werden in einem antistatischen Beutel verpackt. Sechs dieser Beutel werden dann in einen Innenkarton gelegt. Schließlich werden zehn Innenkartons in einen Hauptversandkarton (Außenkarton) verpackt, was insgesamt 30.000 Stück pro Hauptkarton ergibt.

6.2 Etikettenspezifikation

Das Etikett auf der Verpackung enthält mehrere Schlüsselidentifikatoren:

• CPN:Kundenspezifische Artikelnummer (falls vergeben).
• P/N:Die Hersteller-Artikelnummer (PD438B).
• QTY:Die Anzahl der Bauteile in der Verpackung.
• CAT, HUE, REF:Codes, die für Produkte, die gebinnt werden, den Lichtstärkengrad, den dominanten Wellenlängengrad bzw. den Durchlassspannungsgrad darstellen.
• LOT No:Die rückverfolgbare Fertigungslosnummer.

Diese Kennzeichnung gewährleistet die Rückverfolgbarkeit und korrekte Materialhandhabung in der gesamten Lieferkette.

7. Anwendungshinweise und Design-Überlegungen

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die PD438B wird am häufigsten in einer von zwei Schaltungskonfigurationen verwendet:

1. Fotovoltaikmodus (Nullvorspannung):Die Photodiode wird direkt an eine hochohmige Last (wie einen Operationsverstärkereingang) angeschlossen. Dieser Modus bietet minimalen Dunkelstrom und Rauschen, hat aber eine langsamere Reaktion und geringere Linearität. Er eignet sich für langsame, präzise Lichtmessungen.
2. Fotoleitfähigkeitsmodus (Sperrvorspannung):Die Photodiode wird mit der Kathode an eine positive Spannung und der Anode an einen virtuellen Massepunkt (z.B. den invertierenden Eingang eines Transimpedanzverstärkers) angeschlossen. Dies ist der empfohlene Modus für die PD438B, um ihre Hochgeschwindigkeitsfähigkeiten zu nutzen. Die Sperrvorspannung verringert die Sperrschichtkapazität (erhöht die Geschwindigkeit) und verbessert die Linearität. Der Wert des Rückkopplungswiderstands im Transimpedanzverstärker legt die Verstärkung fest (Vout = Iphoto * Rfeedback).

7.2 Design-Überlegungen

• Auswahl der Vorspannung:Wählen Sie eine Sperrspannung (z.B. 5V bis 10V), die einen guten Kompromiss zwischen Geschwindigkeit (geringere Kapazität) und Stromverbrauch bietet. Überschreiten Sie nicht die maximale Sperrspannung von 32V.
• Auswahl des Verstärkers:Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen sollte die PD438B mit einem rauscharmen, breitbandigen Operationsverstärker kombiniert werden, der als Transimpedanzverstärker konfiguriert ist. Der Eingangsruhestrom und die Spannungsrauschdichte des Verstärkers sollten gering sein, um das Signal der Photodiode nicht zu verschlechtern.
• Leiterplattenlayout:Halten Sie die Photodiode und ihren zugehörigen Verstärker eng beieinander, um parasitäre Kapazitäten und Störeinstrahlung auf dem empfindlichen hochohmigen Knoten zu minimieren. Verwenden Sie einen Schutzring, der mit einem niederohmigen Punkt (wie dem Ausgang des Verstärkers oder einer Massefläche) verbunden ist, um den Anodenanschluss der Photodiode herum, um Leckströme zu reduzieren.
• Optische Ausrichtung:Sorgen Sie für eine korrekte mechanische Ausrichtung zwischen dem IR-Emitter und der Photodiode. Das Seitenansichtsgehäuse ist hierfür ausgelegt. Erwägen Sie die Verwendung eines Rohrs oder einer Abschirmung, um Umgebungslicht und Übersprechen zu blockieren.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die PD438B unterscheidet sich auf dem Markt durch mehrere Schlüsselmerkmale:

• Integrierter IR-Filter:Das Epoxidgehäuse selbst fungiert als Filter, wodurch ein separates Filterbauteil entfällt, was die Anzahl der Teile, die Kosten reduziert und die Montage vereinfacht.
• Seitenansichtsgehäuse:Die zylindrische Seitenansichtsbauform ist ideal für Anwendungen, bei denen der Lichtweg parallel zur Leiterplatte verläuft, wie z.B. bei Schlitzsensoren, Kantenerkennungssystemen und bestimmten Arten von Encodern.
• Ausgewogene Leistung:Sie bietet eine ausgewogene Kombination aus Geschwindigkeit (50 ns), Empfindlichkeit (18 µA bei 1 mW/cm²) und niedrigem Dunkelstrom, was sie zu einer vielseitigen Wahl für eine breite Palette von mittleren bis hohen IR-Erkennungsaufgaben macht.
• Umweltkonformität:Ihre bleifreie Konstruktion und die Einhaltung von RoHS und REACH machen sie für globale Märkte mit strengen Umweltvorschriften geeignet.

Im Vergleich zu größeren Photodioden bietet sie einen kleineren Platzbedarf. Im Vergleich zu ungefilterten Photodioden bietet sie eine überlegene Unterdrückung von Umgebungslichtrauschen im sichtbaren Bereich.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Welchen Zweck hat die schwarze Epoxidlinse?

A1: Das schwarze Epoxid dient nicht nur der Optik; es ist so formuliert, dass es als effektiver Infrarotfilter wirkt. Es lässt die gewünschte IR-Wellenlänge (mit einem Maximum bei 940 nm) durch, absorbiert aber einen Großteil des sichtbaren Lichts und reduziert so Störungen durch Umgebungslichtquellen wie Raumbeleuchtung erheblich.

F2: Sollte ich die PD438B mit oder ohne Sperrvorspannung betreiben?

A2: Für Hochgeschwindigkeitsbetrieb (wie durch ihre Anstiegszeit von 50 ns angezeigt) wird dringend empfohlen, die PD438B im Fotoleitfähigkeitsmodus mit einer Sperrvorspannung, typischerweise zwischen 5V und 10V, zu betreiben. Dies verringert die Sperrschichtkapazität und verbessert Linearität und Geschwindigkeit.

F3: Wie wandle ich den Fotostrom in ein nutzbares Spannungssignal um?

A3: Die gebräuchlichste und effektivste Methode ist die Verwendung einer Transimpedanzverstärker (TIA)-Schaltung. Die Photodiode wird zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang eines Operationsverstärkers geschaltet, wobei ein Rückkopplungswiderstand die Verstärkung bestimmt (Vout = -Iphoto * Rf). Oft wird ein kleiner Rückkopplungskondensator parallel zum Widerstand hinzugefügt, um die Schaltung zu stabilisieren und die Bandbreite zu begrenzen.

F4: Was bedeutet der Parameter "Dunkelstrom"?

A4: Dunkelstrom ist der geringe Strom, der durch die Photodiode fließt, wenn sie sich in völliger Dunkelheit und unter Sperrvorspannung befindet. Er wirkt als Rauschquelle. Ein niedrigerer Dunkelstrom (typisch 5 nA für die PD438B) bedeutet, dass das Bauteil schwächere Lichtsignale erkennen kann, ohne dass das Signal von seinem eigenen Rauschen überdeckt wird.

F5: Kann diese Photodiode für sichtbares Licht verwendet werden?

A5: Obwohl ihr spektraler Bereich bei 400 nm (violett) beginnt, ist ihre Empfindlichkeit im sichtbaren Spektrum durch die IR-filternde Epoxidlinse stark gedämpft. Ihre Spitzenempfindlichkeit liegt eindeutig im Infrarotbereich bei 940 nm. Für die primäre Erkennung von sichtbarem Licht wäre eine Photodiode ohne IR-filterndes Gehäuse besser geeignet.

10. Funktionsprinzipien

Eine PIN-Photodiode ist ein Halbleiterbauelement mit einer breiten, schwach dotierten intrinsischen (I) Zone, die zwischen einer P- und einer N-dotierten Zone eingebettet ist. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters auf das Bauteil treffen, erzeugen sie in der intrinsischen Zone Elektron-Loch-Paare. Unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes in Sperrrichtung werden diese Ladungsträger getrennt, wodurch ein Fotostrom erzeugt wird, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Zone bietet mehrere Vorteile: Sie schafft einen größeren Verarmungsbereich für die Photonenabsorption (erhöht die Empfindlichkeit), verringert die Sperrschichtkapazität (erhöht die Geschwindigkeit) und ermöglicht den Betrieb bei höheren Sperrspannungen. Die PD438B verwendet Silizium, das eine für die Detektion von Licht vom sichtbaren bis zum nahen Infrarotspektrum geeignete Bandlücke aufweist.

11. Haftungsausschluss und Nutzungshinweise

Die in diesem technischen Dokument enthaltenen Informationen können ohne vorherige Ankündigung geändert werden. Die bereitgestellten Diagramme und typischen Werte dienen der Entwurfsunterstützung und stellen keine garantierten Spezifikationen dar. Bei der Implementierung dieser Komponente müssen Entwickler strikt die absoluten Maximalwerte einhalten, um einen Bauteilausfall zu verhindern. Der Hersteller übernimmt keine Haftung für Schäden, die durch die Verwendung dieses Produkts außerhalb seiner spezifizierten Betriebsbedingungen entstehen. Dieses Produkt ist nicht für den Einsatz in sicherheitskritischen, lebenserhaltenden, militärischen, automobilen oder Luft- und Raumfahrtanwendungen vorgesehen, ohne vorherige Konsultation und spezifische Qualifikation.