Technisches Datenblatt für die 4,8 mm Halblinsen-Silizium-PIN-Photodiode PD438C/S46 - 4,8 mm Durchmesser - 32 V Sperrspannung - 940 nm Spitzenempfindlichkeit

1. Produktübersicht

Die PD438C/S46 ist eine hochleistungsfähige Silizium-PIN-Photodiode für Anwendungen, die schnelles Ansprechverhalten 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 dieses Bauteils ist, dass das Epoxidharzgehäuse selbst als integrierter Infrarot(IR)-Filter fungiert, der spektral auf gängige IR-Emitter abgestimmt ist und so die Leistung in IR-Erkennungssystemen durch das Ausfiltern von unerwünschtem sichtbarem Licht verbessert.

Diese Photodiode zeichnet sich durch ihre schnellen Ansprechzeiten, hohe Lichtempfindlichkeit und geringe Sperrschichtkapazität aus, was sie für die schnelle optische Detektion geeignet macht. Sie ist aus bleifreien Materialien gefertigt und entspricht den relevanten Umweltvorschriften.

2. Detaillierte Betrachtung der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für einen zuverlässigen Betrieb innerhalb der spezifizierten Grenzen ausgelegt. Das Überschreiten dieser Werte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Sperrspannung (V_R):32 V - Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung an die Anschlüsse der Photodiode angelegt werden kann.
• Verlustleistung (P_d):150 mW - Die maximale Leistung, die das Bauteil unter spezifizierten Bedingungen primär als Wärme abführen kann.
• Betriebstemperatur (T_opr):-40°C bis +85°C - Der Umgebungstemperaturbereich, in dem garantiert wird, dass das Bauteil seine veröffentlichten Spezifikationen erfüllt.
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +100°C - Der Temperaturbereich für die sichere Lagerung, wenn das Bauteil nicht unter Spannung steht.
• Löttemperatur (T_sol):260°C für eine Dauer von maximal 5 Sekunden, was typisch für bleifreie Reflow-Lötprozesse ist.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter werden bei einer Umgebungstemperatur (T_a) von 25°C gemessen und definieren die Kernleistung der Photodiode.

• Spektrale Bandbreite (λ_0.5):840 nm bis 1100 nm. Dies definiert den Wellenlängenbereich, in dem die Empfindlichkeit der Photodiode mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Sie ist primär im nahen Infrarotbereich empfindlich.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λ_p):940 nm (typisch). Die Lichtwellenlänge, bei der die Photodiode am empfindlichsten ist. Dies entspricht der gängigen Emissionswellenlänge vieler IR-LEDs.
• Leerlaufspannung (V_OC):0,35 V (typisch) bei Beleuchtung mit einer Bestrahlungsstärke (E_e) von 5 mW/cm² bei 940nm. Dies ist die von der Photodiode ohne externe Last erzeugte Spannung.
• Kurzschlussstrom (I_SC):18 µA (typisch) bei E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm. Dies ist der Photostrom, wenn der Ausgang kurzgeschlossen ist.
• Sperr-Lichtstrom (I_L):18 µA (typisch, Min. 10,2 µA) bei E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm und einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Dies ist der primäre Betriebsparameter im fotoleitenden Modus.
• Dunkelstrom (I_d):5 nA (typisch, Max. 30 nA) bei V_R= 10V in völliger Dunkelheit. Dies ist der geringe Leckstrom, der auch bei Abwesenheit von Licht fließt, ein Schlüsselparameter für das Signal-Rausch-Verhältnis.
• Sperr-Durchbruchspannung (BV_R):Min. 32V, typ. 170V, gemessen bei einem Sperrstrom von 100 µA. Dies zeigt die Spannung an, bei der der Übergang durchschlägt.
• Gesamtkapazität (C_t):18 pF (typisch) bei V_R= 3V und einer Testfrequenz von 1 MHz. Eine geringere Kapazität ermöglicht schnellere Ansprechzeiten.
• Anstiegs-/Abfallzeit (t_r/t_f):50 ns / 50 ns (typisch) mit V_R= 10V und einem Lastwiderstand (R_L) von 1 kΩ. Dies spezifiziert die Geschwindigkeit des Ansprechens der Photodiode auf einen Lichtimpuls.

Toleranzen für Schlüsselparameter sind wie folgt spezifiziert: Lichtstärke ±10%, dominante Wellenlänge ±1nm, Flussspannung ±0,1V.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die die Leistung unter variierenden Bedingungen veranschaulichen. Diese sind für Entwicklungsingenieure unerlässlich.

3.1 Spektrale Empfindlichkeit

Eine Kurve, die die relative Empfindlichkeit über der Wellenlänge aufträgt. Sie bestätigt die Spitzenempfindlichkeit bei etwa 940nm und zeigt, wie die spektrale Empfindlichkeit zu den Grenzen des 840-1100nm-Bereichs hin abfällt. Die integrierte Epoxidharzlinse wirkt als Filter und dämpft die Empfindlichkeit außerhalb des Ziel-IR-Bandes.

3.2 Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt typischerweise, dass der Dunkelstrom (I_d) exponentiell mit steigender Temperatur zunimmt. Das Verständnis dieser Beziehung ist entscheidend für Anwendungen, die über einen weiten Temperaturbereich arbeiten, da sie die untere Grenze des detektierbaren Lichts (Rauschgrund) definiert.

3.3 Sperr-Lichtstrom in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke (E_e)

Dieses Diagramm zeigt die lineare Beziehung zwischen dem erzeugten Photostrom (I_L) und der einfallenden Lichtleistungsdichte. Die Photodiode arbeitet unter den spezifizierten Bedingungen in einem hochlinearen Bereich, was für analoge Lichtmessanwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

3.4 Anschlusskapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung

Die Sperrschichtkapazität (C_t) nimmt mit zunehmender Sperrspannung ab. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft von PN-Übergängen. Entwickler können eine höhere Vorspannung verwenden, um die Kapazität zu verringern und somit die Bandbreite und Ansprechgeschwindigkeit zu verbessern, auf Kosten eines leicht erhöhten Dunkelstroms.

3.5 Ansprechzeit in Abhängigkeit vom Lastwiderstand

Diese Kurve zeigt, wie die Anstiegs-/Abfallzeit vom Wert des externen Lastwiderstands (R_L) beeinflusst wird. Ein kleinerer R_Lführt im Allgemeinen zu einem schnelleren Ansprechverhalten, erzeugt jedoch eine geringere Ausgangsspannungsänderung. Dieses Diagramm hilft, den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Amplitude im Schaltungsdesign zu optimieren.

3.6 Verlustleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Veranschaulicht die Reduzierung der maximal zulässigen Verlustleistung mit steigender Umgebungstemperatur. Bei Temperaturen über 25°C kann das Bauteil nicht die vollen 150mW abführen, und die maximale Leistung muss linear auf null bei der maximalen Sperrschichttemperatur reduziert werden.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die PD438C/S46 ist in einem zylindrischen Seitenansichts-Kunststoffgehäuse mit einem Nenndurchmesser von 4,8 mm verpackt. Die Maßzeichnung spezifiziert den Gehäusedurchmesser, die Länge, den Anschlussabstand und den Anschlussdurchmesser. Ein wichtiger Hinweis besagt, dass alle Maßtoleranzen ±0,25 mm betragen, sofern in der Zeichnung nicht anders angegeben. Die Seitenansichtskonfiguration ist ideal für Anwendungen, bei denen der Lichtweg parallel zur Leiterplattenoberfläche verläuft.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Polarität ist typischerweise auf dem Gehäuse oder in der Zeichnung angegeben. Bei einer Photodiode ist die Kathode im Betrieb in Sperrrichtung (fotoleitender Modus) normalerweise mit der positiven Versorgungsspannung verbunden, und die Anode ist mit der Masse der Schaltung oder dem Eingang eines Transimpedanzverstärkers verbunden. Die korrekte Polarität ist für den ordnungsgemäßen Betrieb unerlässlich.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Das Bauteil ist für Standard-Oberflächenmontageprozesse geeignet.

• Reflow-Löten:Die maximal empfohlene Löttemperatur beträgt 260°C. Die Zeit, die die Bauteilanschlüsse Temperaturen bei oder über diesem Spitzenwert ausgesetzt sind, sollte 5 Sekunden nicht überschreiten. Dies entspricht typischen bleifreien Reflow-Profilen (z.B. IPC/JEDEC J-STD-020).
• Handlöten:Falls Handlöten erforderlich ist, sollte ein temperaturgeregeltes Lötgerät verwendet werden. Die Kontaktzeit pro Anschluss sollte minimiert werden, um eine übermäßige Wärmeübertragung auf den empfindlichen Halbleiterchip zu verhindern.
• Reinigung:Standard-Leiterplattenreinigungsprozesse können verwendet werden, jedoch sollte die Kompatibilität der Reinigungsmittel mit dem Kunststoffgehäusematerial überprüft werden.
• Lagerbedingungen:Bauteile sollten in ihren original Feuchtigkeitssperrbeuteln bei Temperaturen zwischen -40°C und +100°C und bei geringer Luftfeuchtigkeit gelagert werden, um eine Oxidation der Anschlüsse und eine Feuchtigkeitsaufnahme durch das Gehäuse zu verhindern.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Verpackungsspezifikation

Der Standard-Verpackungsablauf ist wie folgt: 500 Stück werden in einen Beutel verpackt. Fünf Beutel werden dann in einen Innenkarton gelegt. Schließlich werden zehn Innenkartons in einen Master-(Außen-)Karton verpackt. Dies ergibt insgesamt 25.000 Stück pro Masterkarton.

6.2 Etikettenspezifikation

Etiketten auf der Verpackung enthalten wichtige Informationen für Rückverfolgbarkeit und Identifikation:

• CPN:Kundenspezifische Artikelnummer (falls vergeben).
• P/N:Hersteller-Artikelnummer (z.B. PD438C/S46).
• QTY:Anzahl der Bauteile in der Verpackung.
• CAT, HUE, REF:Codes für Lichtstärkenklasse, dominante Wellenlängenklasse bzw. Flussspannungsklasse, die die Leistungsbinnung angeben.
• LOT No:Fertigungslosnummer für die Rückverfolgbarkeit.
• REF:Eine Referenznummer zur Identifizierung des Etiketts.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Schneller Fotodetektor:Ideal für optische Datenverbindungen, Encoder und Impulserkennung, wo die 50ns Ansprechzeit ein entscheidender Vorteil ist.
• Kameraanwendungen:Kann in Autofokussystemen, Belichtungsmessern oder als IR-Präsenzdetektor verwendet werden.
• Optoelektronischer Schalter:Verwendet in Objekterkennung, Schlitzsensoren und Endschaltern. Der integrierte IR-Filter hilft, Störungen durch Umgebungslicht zu unterdrücken.
• Videorekorder und Videokameras:Historisch in Bandzählersensoren, Fernbedienungsempfängern oder anderen internen optischen Erfassungsfunktionen verwendet.

7.2 Designüberlegungen

• Vorspannung:Der Betrieb im fotoleitenden Modus (mit Sperrspannung) wird für schnellen und linearen Betrieb empfohlen. Eine Vorspannung von 5V bis 10V ist typisch und bietet einen Ausgleich zwischen Geschwindigkeit (geringere Kapazität) und Rauschen (geringerer Dunkelstrom).
• Schaltungstopologie:Für beste Geschwindigkeit und Linearität sollte ein Transimpedanzverstärker (TIA) verwendet werden, um den Photostrom in eine Spannung umzuwandeln. Der Rückkopplungswiderstand und -kondensator im TIA müssen basierend auf der gewünschten Bandbreite und der Kapazität der Photodiode gewählt werden.
• Optische Ausrichtung:Das Seitenansichtsgehäuse erfordert ein sorgfältiges mechanisches Design, um eine korrekte Ausrichtung mit der Lichtquelle zu gewährleisten, die oft ebenfalls eine Seitenansichts-IR-LED ist.
• Unterdrückung von Umgebungslicht:Während das Epoxidharz als IR-Filter wirkt, können in Umgebungen mit starken IR-Quellen (z.B. Sonnenlicht) zusätzliche optische Filter oder Modulations-/Demodulationstechniken erforderlich sein.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die PD438C/S46 bietet mehrere deutliche Vorteile in ihrer Klasse:

• Integrierter IR-Filter:Im Gegensatz zu vielen einfachen Photodioden, die einen separaten Filter benötigen, ist das Gehäuseepoxidharz so formuliert, dass es Licht filtert, was die Montage vereinfacht und die Anzahl der Bauteile reduziert.
• Seitenansichtsgehäuse:Das 4,8 mm zylindrische Seitenansichtsgehäuse ist eine spezifische Bauform, die für Anwendungen optimiert ist, bei denen der Lichtweg parallel zur Leiterplatte verläuft, und bietet ein kompaktes und gerichtetes Sichtfeld.
• Ausgewogene Leistung:Es bietet eine gute Balance zwischen Geschwindigkeit (50ns), Empfindlichkeit (18 µA bei 1 mW/cm²) und Dunkelstrom (5 nA), was es zu einer vielseitigen Wahl für allgemeine IR-Erkennung macht.
• Robuste Nennwerte:Mit einer Sperrspannungsfestigkeit von 32V und einem weiten Betriebstemperaturbereich (-40°C bis +85°C) ist es für industrielle und automotive Umgebungen geeignet (für nicht sicherheitskritische Anwendungen gemäß Haftungsausschluss).

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Unterschied zwischen dem Betrieb im fotovoltaischen (Null-Vorspannung) und fotoleitenden (Sperrspannung) Modus?

A: Im fotovoltaischen Modus (V_R=0V) erzeugt die Photodiode ihre eigene Spannung (siehe V_OC). Sie hat einen sehr geringen Dunkelstrom, aber eine höhere Kapazität und ein langsameres Ansprechverhalten. Der fotoleitende Modus (Anlegen von V_R) verbreitert die Verarmungszone, verringert die Kapazität und beschleunigt das Ansprechverhalten (siehe t_r/t_f), auf Kosten eines kleinen, konstanten Dunkelstroms (I_d). Für schnelle Detektion wird der fotoleitende Modus bevorzugt.

F: Wie interpretiere ich den Parameter "Sperr-Lichtstrom (I_L)"?

A: Dies ist der nützlichste Parameter für den Schaltungsentwurf. Er sagt Ihnen, dass Sie unter einer bestimmten Lichtbedingung (1 mW/cm² bei 940nm) und mit einer 5V Sperrspannung typischerweise einen Photostrom von 18 µA erwarten können. Ihr Verstärkerschaltkreis muss für diesen Strombereich ausgelegt sein. Der Mindestwert von 10,2 µA ist wichtig für das Worst-Case-Design.

F: Warum ist der Dunkelstrom wichtig?

A: Dunkelstrom ist die primäre Rauschquelle in einer Photodiode, wenn kein Licht vorhanden ist. Er setzt die untere Grenze für detektierbares Licht fest. Ein geringerer Dunkelstrom (typisch 5 nA für dieses Bauteil) bedeutet, dass der Sensor schwächere Lichtsignale erkennen kann. Beachten Sie, dass sich der Dunkelstrom etwa alle 10°C Temperaturanstieg verdoppelt.

F: Kann ich diese mit Lichtquellen außer 940nm verwenden?

A: Ja, aber mit reduzierter Empfindlichkeit. Siehe die Kurve der spektralen Empfindlichkeit. Die Photodiode wird auf Licht von etwa 840nm bis 1100nm ansprechen, aber der Ausgangsstrom für die gleiche optische Leistung ist geringer, wenn die Wellenlänge nicht nahe dem 940nm-Peak liegt.

10. Praktischer Design- und Anwendungsfall

Fall: Entwurf eines IR-Näherungssensors für einen automatischen Wasserhahn.

1. Systemblock:Eine IR-LED (Emissionswellenlänge 940nm) und die PD438C/S46-Photodiode werden nebeneinander hinter einem lichtdurchlässigen Fenster platziert. Die LED wird gepulst. Wenn kein Objekt vorhanden ist, streut das meiste IR-Licht. Wenn eine Hand in die Nähe des Wasserhahns gehalten wird, tritt reflektiertes IR-Licht in die Photodiode ein.
2. Komponentenauswahlbegründung:Die PD438C/S46 wird gewählt, weil ihre Spitzenempfindlichkeit bei 940nm zur LED passt. Der integrierte IR-Filter in ihrem Gehäuse hilft, sichtbares Umgebungslicht von Deckenlampen zu unterdrücken und Fehlauslösungen zu reduzieren. Das Seitenansichtsgehäuse ermöglicht es, sowohl Sender als auch Empfänger flach auf der Leiterplatte zu montieren und nach außen zu richten.
3. Schaltungsentwurf:Die Photodiode wird mit 5V in Sperrrichtung vorgespannt. Ihr Ausgang ist mit einem Transimpedanzverstärker verbunden. Die Verstärkung des Verstärkers (Rückkopplungswiderstand) wird so eingestellt, dass das erwartete reflektierte Signal (ein Bruchteil der 18 µA/mW/cm²) eine nutzbare Spannung erzeugt. Ein Komparator nach dem Verstärker erkennt, wenn diese Spannung einen eingestellten Schwellenwert überschreitet.
4. Optimierung:Die Pulsfrequenz und -dauer der LED werden so gewählt, dass sie außerhalb der Frequenz des Umgebungslichtflackerns liegen (z.B. 100Hz von Netzlicht). Das System sucht nur nach dem mit dem LED-Puls synchronisierten Signal, was eine hervorragende Störfestigkeit bietet.

11. Einführung in das Funktionsprinzip

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 (für Silizium Wellenlängen kürzer als ~1100nm) auf das Bauteil treffen, können sie in der intrinsischen Zone Elektron-Loch-Paare erzeugen. Unter dem Einfluss des internen elektrischen Feldes (im fotovoltaischen Modus) oder eines angelegten Sperrspannungsfeldes (im fotoleitenden Modus) werden diese Ladungsträger auseinandergetrieben und erzeugen einen Photostrom, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Zone in einer PIN-Struktur verringert im Vergleich zu einer Standard-PN-Photodiode die Sperrschichtkapazität (ermöglicht schnelleres Ansprechen) und erhöht das Volumen für die Photonenabsorption (verbessert die Empfindlichkeit).

12. Technologietrends und Kontext

Silizium-PIN-Photodioden wie die PD438C/S46 sind ausgereifte, zuverlässige und kostengünstige Lösungen für die Nahe-Infrarot-Detektion. Aktuelle Trends in diesem Bereich umfassen:

• Integration:Bewegung hin zu integrierten Lösungen, die die Photodiode, den Verstärker und manchmal sogar den LED-Treiber und digitale Logik in einem einzigen Gehäuse oder Chip kombinieren (z.B. Opto-ASICs).
• Miniaturisierung:Entwicklung von Photodioden in kleineren Oberflächenmontagegehäusen (z.B. Chip-Scale-Packages) für platzbeschränkte Anwendungen wie Mobilgeräte.
• Spezialisierte Materialien:Für Wellenlängen jenseits der Grenze von Silizium (~1100nm) werden Materialien wie InGaAs verwendet. Silizium bleibt jedoch aufgrund seiner geringen Kosten und ausgezeichneten Herstellbarkeit für das sichtbare und nahe IR-Spektrum dominant.
• Verbesserte Leistung:Laufende Forschung konzentriert sich auf die weitere Reduzierung von Kapazität und Dunkelstrom, um Geschwindigkeit und Empfindlichkeit zu verbessern, oft durch fortschrittliche Dotierungsprofile und Bauelementstrukturen.

Die PD438C/S46 stellt eine gut optimierte, anwendungsspezifische Komponente in dieser breiteren technologischen Landschaft dar und bietet für eine Vielzahl industrieller und konsumentennaher IR-Erfassungsaufgaben eine praktische Balance aus Leistung, Größe und Kosten.