PD333-3B/L4 Photodiode Datenblatt - 5mm Halblinse - Silizium-PIN - Schwarzes Gehäuse - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der PD333-3B/L4 ist eine schnelle, hochempfindliche Silizium-PIN-Photodiode in einem zylindrischen Seitensicht-Kunststoffgehäuse. Sein charakteristisches Merkmal ist das integrierte Epoxidharzgehäuse, das gleichzeitig als Infrarot(IR)-Filter fungiert und es somit spektral auf gängige IR-Emitter abstimmt. Diese Integration vereinfacht das optische Design, da externe Filterkomponenten oft entfallen können. Das Bauteil ist für Anwendungen konzipiert, die schnelle Ansprechzeiten und zuverlässige Detektion von Infrarotlicht, insbesondere im Wellenlängenbereich von 940nm, erfordern.

Zu den Hauptvorteilen zählen seine schnellen Ansprechzeiten, hohe Lichtempfindlichkeit und geringe Sperrschichtkapazität, die für die Signalintegrität in Hochgeschwindigkeitsanwendungen entscheidend sind. Die Komponente entspricht den RoHS- und EU-REACH-Verordnungen und wird mit bleifreien Prozessen hergestellt, was modernen Umwelt- und Sicherheitsstandards für elektronische Bauteile entspricht.

2. Detaillierte Technische Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für den Betrieb innerhalb spezifischer Umgebungs- und elektrischer Grenzwerte ausgelegt, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten und Schäden zu vermeiden. Die maximale Sperrspannung (VR) beträgt 32V. Die zulässige Verlustleistung (Pd) liegt bei 150mW. Die Komponente hält Löttemperaturen (Tsol) von bis zu 260°C für eine Dauer von maximal 5 Sekunden stand, was mit Standard-Reflow-Lötprozessen kompatibel ist. Der Betriebstemperaturbereich (Topr) liegt zwischen -40°C und +85°C, und der Lagertemperaturbereich (Tstg) zwischen -40°C und +100°C, was auf eine robuste Leistung über einen weiten Bedingungsbereich hinweist.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Die Leistung der Photodiode wird unter Standardbedingungen (Ta=25°C) charakterisiert. Ihre spektrale Bandbreite (λ0,5) reicht von 840nm bis 1100nm, mit einer Spitzenempfindlichkeit (λp) bei 940nm. Dies macht sie ideal für den Einsatz mit 940nm IR-LEDs. Zu den wichtigen elektrischen Parametern gehören eine typische Leerlaufspannung (VOC) von 0,42V bei Bestrahlung mit 5mW/cm² bei 940nm und ein typischer Kurzschlussstrom (ISC) von 10µA bei 1mW/cm² Bestrahlung bei 940nm.

Der Sperrlichtstrom (IL), also der unter Sperrvorspannung erzeugte Fotostrom, beträgt typisch 12µA (VR=5V, Ee=1mW/cm², λp=940nm). Der Dunkelstrom (Id), ein kritischer Parameter für die Empfindlichkeit bei schwachem Licht, ist mit maximal 10nA spezifiziert (VR=10V). Die Sperrspannungs-Durchbruchspannung (BVR) hat einen Mindestwert von 32V und einen typischen Wert von 170V. Die Gesamtanschlusskapazität (Ct) beträgt typisch 5pF bei VR=5V und 1MHz – ein niedriger Wert, der zur Hochgeschwindigkeitsfähigkeit des Bauteils beiträgt.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die das Verhalten des Bauteils unter variierenden Bedingungen veranschaulichen. Diese Diagramme sind für Entwicklungsingenieure unerlässlich, um die Leistung in realen Anwendungen jenseits der Standardtestbedingungen vorherzusagen.

3.1 Thermische und optische Eigenschaften

Abbildung 1 zeigt den Zusammenhang zwischen zulässiger Verlustleistung und Umgebungstemperatur. Mit steigender Temperatur nimmt die maximal zulässige Verlustleistung linear ab – eine Standard-Derating-Charakteristik für Halbleiterbauelemente. Abbildung 2 zeigt die spektrale Empfindlichkeitskurve, die die Spitzenantwort bei 940nm und die definierten Grenzpunkte bei 840nm und 1100nm bestätigt, an denen die Empfindlichkeit auf die Hälfte ihres Spitzenwerts abfällt.

3.2 Strom in Abhängigkeit von Beleuchtung und Temperatur

Abbildung 3 veranschaulicht, wie der Dunkelstrom (Id) exponentiell mit steigender Umgebungstemperatur zunimmt. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft von Halbleitersperrschichten und kritisch für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen, da ein erhöhter Dunkelstrom das Rauschgrundniveau anhebt. Abbildung 4 zeigt den linearen Zusammenhang zwischen Sperrlichtstrom (IL) und Bestrahlungsstärke (Ee) und demonstriert so die vorhersehbare und lineare Fotostromerzeugung der Diode.

3.3 Kapazität und Ansprechzeit

Abbildung 5 stellt die Anschlusskapazität über der Sperrspannung dar. Die Kapazität nimmt mit zunehmender Sperrvorspannung ab – ein für PIN-Photodioden typisches Verhalten. Eine geringere Kapazität ermöglicht schnellere Ansprechzeiten. Abbildung 6 zeigt den Zusammenhang zwischen Ansprechzeit und Lastwiderstand. Die Ansprechzeit nimmt mit höherem Lastwiderstand aufgrund der RC-Zeitkonstante zu, die durch die Sperrschichtkapazität und den externen Lastwiderstand gebildet wird. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wird typischerweise ein Lastwiderstand mit niedrigem Wert (z.B. 50Ω) verwendet, was jedoch Signalamplitude gegen Geschwindigkeit eintauscht.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Der PD333-3B/L4 ist in einem zylindrischen Seitensichtgehäuse erhältlich. Das Gehäuse selbst ist schwarz, was dazu beiträgt, interne Reflexionen und Streulichtstörungen zu reduzieren. Das "Halblinsen"-Design hilft, einfallendes Licht auf den aktiven Siliziumbereich zu fokussieren und verbessert so die effektive Empfindlichkeit. Detaillierte Gehäuseabmessungen sind im Datenblatt in Millimetern angegeben. Kritische Toleranzen für die mechanische Platzierung betragen typischerweise ±0,25mm. Die Seitensichtausrichtung ist besonders nützlich für Anwendungen, bei denen der Lichtweg parallel zur PCB-Oberfläche verläuft, wie z.B. bei Schlitzsensoren oder Kantenerkennungssystemen.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Die Komponente ist für Standard-PCB-Montageprozesse geeignet. Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur an den Anschlüssen beträgt 260°C. Es ist entscheidend, dass die Lötzeit bei dieser Temperatur 5 Sekunden nicht überschreitet, um Schäden am Kunststoffgehäuse oder dem internen Halbleiterchip zu vermeiden. Standard-Reflow- oder Wellenlötprofile für bleifreie Baugruppen sind generell anwendbar. Ein sachgemäßer Umgang, um eine Kontamination der Linsenoberfläche zu vermeiden, ist für die Aufrechterhaltung der optischen Leistung unerlässlich. Die Lagerung sollte innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -40°C bis +100°C in einer trockenen Umgebung erfolgen.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungsspezifikation lautet: 500 Stück pro Beutel, 5 Beutel pro Karton und 10 Kartons pro Versandkarton. Diese Großpackung ist typisch für automatisierte Fertigungslinien. Das Etikett auf der Verpackung enthält wichtige Informationen für Rückverfolgbarkeit und Verifizierung: Kundeneigene Produktnummer (CPN), Produktnummer (P/N), Packmenge (QTY), Qualitätsstufen (CAT), Peak-Wellenlänge (HUE), einen Referenzcode (REF) und die Fertigungslosnummer. Der Produktionsmonat ist ebenfalls angegeben. Anwender sollten die Etiketteninformationen mit ihren internen Aufzeichnungen und den Datenblattspezifikationen abgleichen.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Der PD333-3B/L4 eignet sich gut für mehrere Schlüsselanwendungen. Alsschneller Fotodetektorkann er in Datenkommunikationsverbindungen mit Infrarotlicht, Barcodescannern oder Impulserkennungssystemen eingesetzt werden. Seine Integration inKameraskann für Autofokus-Hilfssysteme oder Belichtungsmessung erfolgen. Inoptoelektronischen Schalternbildet er die Empfängerseite eines Lichtschranken- oder Reflexionssensors, wie er häufig in Druckern, Encodern und Lichtvorhängen zu finden ist. Seine Verwendung inVideorekordern und Camcordernbezog sich historisch auf Bandendsensoren oder Fernbedienungsempfänger, obwohl ähnliche Prinzipien auf moderne Unterhaltungselektronik anwendbar sind.

7.2 Designüberlegungen

Beim Entwurf mit dieser Photodiode müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Für dieVorspannungwird sie typischerweise im Sperrbetrieb (photoleitender Modus) betrieben, um Geschwindigkeit und Linearität zu verbessern, obwohl der Photovoltaikmodus (Nullvorspannung) für rauscharme Anwendungen genutzt werden kann. Die Wahl desOperationsverstärkersin der Transimpedanzverstärker(TIA)-Schaltung ist kritisch; er muss einen geringen Eingangsruhestrom und niedriges Rauschen aufweisen, um das Signal der Diode mit niedrigem Dunkelstrom nicht zu verschlechtern. DieIR-Filtereigenschaftdes Gehäuses ist vorteilhaft, aber Entwickler müssen sicherstellen, dass die Quellenwellenlänge (z.B. 940nm) mit der Spitzenempfindlichkeit übereinstimmt. Für Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist ein sorgfältiges PCB-Layout unerlässlich, um parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten am Photodiodenknoten zu minimieren.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-Photodioden ohne integrierte Linse oder Filter bietet der PD333-3B/L4 eine kompaktere und vereinfachte optische Lösung. Der eingebaute IR-Filter macht eine separate Filterkomponente überflüssig, spart Platz, Kosten und verringert die Montagekomplexität. Sein Seitensichtgehäuse bietet für spezifische optische Pfadgeometrien einen deutlichen mechanischen Vorteil gegenüber Draufsichtgehäusen. Die Kombination aus relativ hoher Durchbruchspannung (min. 32V, typ. 170V) und niedrigem Dunkelstrom stellt für viele industrielle Sensoranwendungen, die ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und robusten Betrieb erfordern, eine günstige Balance dar.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was bedeutet die Spitzenempfindlichkeit bei 940nm?

A: 940nm ist eine sehr gebräuchliche Wellenlänge für Infrarot-LEDs, da sie für das menschliche Auge unsichtbar ist und eine gute atmosphärische Transmission aufweist. Die Abstimmung der Spitzenantwort der Photodiode auf die Wellenlänge des Emitters maximiert die Signalstärke und Systemeffizienz.

F: Wie beeinflusst die Dunkelstrom-Spezifikation mein Design?

A: Dunkelstrom ist die primäre Rauschquelle in einer Photodiode bei Abwesenheit von Licht. Ein niedriger Dunkelstrom (max. 10nA für dieses Bauteil) bedeutet, dass der Sensor sehr schwache Lichtsignale detektieren kann, ohne von seinem eigenen internen Rauschen überlagert zu werden, was die Empfindlichkeit und den Dynamikbereich verbessert.

F: Kann ich diese Diode für sichtbares Licht verwenden?

A: Das integrierte Epoxidharzgehäuse wirkt als IR-Filter und dämpft sichtbares Licht stark. Daher ist diese spezifische Variante nicht für Anwendungen geeignet, die Empfindlichkeit im sichtbaren Spektrum erfordern. Für die Detektion von sichtbarem Licht wäre ein klares oder anders gefiltertes Gehäuse erforderlich.

F: Welchen Lastwiderstand sollte ich für optimale Geschwindigkeit verwenden?

A: Unter Bezugnahme auf Abbildung 6 ist für die schnellste Ansprechzeit (im Nanosekundenbereich) ein niedriger Lastwiderstand (z.B. 50Ω bis 100Ω) erforderlich. Dies erzeugt jedoch ein kleineres Spannungssignal. Eine Transimpedanzverstärkerschaltung ist oft die beste Lösung, da sie sowohl hohe Geschwindigkeit als auch gute Signalverstärkung bietet.

10. Praktisches Designbeispiel

Beispiel: Entwurf eines Infrarot-Näherungssensors

In einem typischen Näherungssensor pulst eine IR-LED Licht, und der PD333-3B/L4 detektiert das von einem Objekt reflektierte Licht. Der eingebaute IR-Filter ist hier entscheidend, da er Umgebungslicht im sichtbaren Bereich (z.B. von Raumbeleuchtung) blockiert, das den Sensor sättigen oder Fehlauslösungen verursachen könnte. Die schnelle Ansprechzeit ermöglicht ein schnelles Pulsieren der LED, was eine rasche Detektion und in fortgeschritteneren Systemen potenziell eine Entfernungsmessung über Laufzeit- oder Phasenverschiebungsmethoden erlaubt. Das Seitensichtgehäuse ermöglicht es, sowohl die LED als auch die Photodiode auf derselben PCB-Ebene in dieselbe Richtung weisend zu montieren, was ideal für Reflexionssensoren ist. Eine einfache Schaltung könnte die Vorspannung der Diode mit 5V Sperrspannung über einen großen Widerstand und die Verwendung eines schnellen Komparators oder Verstärkers zur Detektion des erzeugten Stromimpulses bei vorhandenem reflektiertem Licht umfassen.

11. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine PIN-Photodiode ist ein Halbleiterbauelement mit einer breiten, schwach dotierten intrinsischen (I) Zone, die zwischen einer p-dotierten (P) und einer n-dotierten (N) Zone eingebettet ist. Unter Sperrvorspannung erzeugt diese Struktur eine große Verarmungszone. Photonen, die mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters auf das Bauteil treffen, erzeugen innerhalb dieser Verarmungszone Elektron-Loch-Paare. Das aufgrund der Sperrvorspannung vorhandene starke elektrische Feld trennt diese Ladungsträger schnell und lässt sie zu den jeweiligen Kontakten driften, wodurch ein Fotostrom erzeugt wird, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Zone verringert die Sperrschichtkapazität (ermöglicht hohe Geschwindigkeit) und erhöht das Volumen für die Photonenabsorption (verbessert die Empfindlichkeit), insbesondere für längere Wellenlängen wie Infrarot, bei denen die Eindringtiefe größer ist.

12. Technologietrends

Der Trend in der Photodiodentechnologie geht weiterhin in Richtung höherer Integration, geringeren Rauschens und größerer Funktionalität. Dazu gehört die Integration von Verstärkungs- und Signalaufbereitungsschaltungen auf demselben Chip oder im selben Gehäuse (z.B. Photodioden-Verstärker-Kombinationen). Es gibt auch einen Trend zu Bauteilen mit noch niedrigeren Dunkelströmen und Kapazitäten für Anwendungen in wissenschaftlichen Instrumenten, medizinischer Bildgebung und LiDAR. Die Verwendung von Materialien jenseits von Silizium, wie InGaAs, erweitert die Empfindlichkeit weiter in den Infrarotbereich für Telekommunikation und Gassensorik. Darüber hinaus zielen Gehäuseinnovationen darauf ab, präzisere optische Eigenschaften bereitzustellen, wie definierte Sichtfeld(FOV)-Linsen und noch effektivere Filterung direkt im Gehäuse, wie beim PD333-3B/L4 zu sehen.