Technisches Datenblatt für die 1,8 mm runde Subminiatur-Silizium-PIN-Fotodiode PD42-21C/TR8 - Abmessungen 1,8 mm rund - Spitzenempfindlichkeit 940 nm - Deutsche technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Die PD42-21C/TR8 ist eine schnelle, hochempfindliche Silizium-PIN-Fotodiode für Infrarot-Erkennungsanwendungen. Sie ist in einem Miniaturgehäuse mit 1,8 mm rundem, sphärischem Aufsicht-Linsen-SMD-Gehäuse aus schwarzem Kunststoff untergebracht. Dieses kompakte Design macht sie geeignet für platzbeschränkte Anwendungen, die eine zuverlässige Infrarot-Erfassung erfordern.

Das Bauteil ist spektral auf gängige Infrarot-Emissionsdioden abgestimmt und optimiert die Leistung in Systemen, in denen es mit einer IR-Quelle gepaart ist. Seine Hauptvorteile sind eine schnelle Ansprechzeit, hohe Lichtempfindlichkeit und eine kleine Sperrschichtkapazität, die für die Erkennung schneller Signale entscheidend sind.

1.1 Kernmerkmale und Konformität

• Schnelle Ansprechzeit:Ermöglicht die Erkennung schneller optischer Signaländerungen.
• Hohe Lichtempfindlichkeit:Liefert einen starken elektrischen Ausgang bei geringen Lichtpegeln.
• Kleine Sperrschichtkapazität:Trägt durch Reduzierung der RC-Zeitkonstanten zum Hochgeschwindigkeitsbetrieb bei.
• Verpackung:Geliefert auf 12-mm-Band, montiert auf einer 7-Zoll-Rolle für die automatisierte Bestückung.
• Umweltkonformität:Das Produkt ist bleifrei, entspricht den RoHS- und EU-REACH-Verordnungen und ist halogenfrei (Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm).

1.2 Zielanwendungen

Diese Fotodiode ist für den Einsatz in verschiedenen elektronischen Systemen entwickelt, die eine präzise Infrarot-Erkennung erfordern.

• Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren
• Fotokopierer
• Spielautomaten und interaktive Geräte
• Allgemeine Infrarot-Anwendungssysteme (z.B. Annäherungssensoren, Datenübertragung)

2. Detaillierte technische Spezifikationen

2.1 Absolute Grenzwerte

Der Betrieb des Bauteils außerhalb dieser Grenzen kann dauerhafte Schäden verursachen.

• Sperrspannung (V_R):32 V
• Betriebstemperatur (T_opr):-25°C bis +85°C
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +85°C
• Löttemperatur (T_sol):260°C für ≤5 Sekunden
• Verlustleistung (P_d):150 mW bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur

2.2 Elektro-optische Eigenschaften (T_a=25°C)

Diese Parameter definieren die Leistung der Fotodiode unter typischen Bedingungen.

• Spektralbandbreite (λ_0.5):730 nm bis 1100 nm. Das Bauteil ist im nahen Infrarotspektrum empfindlich.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λ_P):940 nm. Die maximale Empfindlichkeit tritt bei dieser Infrarotwellenlänge auf.
• Leerlaufspannung (V_OC):Typisch 0,42 V bei Beleuchtung mit 5 mW/cm² bei 940nm.
• Kurzschlussstrom (I_SC):2,0 bis 12 μA (typ. 5,0 μA) bei Beleuchtung mit 1 mW/cm² bei 875nm.
• Lichtstrom bei Sperrspannung (I_L):2,0 bis 12 μA (typ. 5,0 μA) bei V_R=5V und Beleuchtung mit 1 mW/cm² bei 875nm. Dies ist der primäre Betriebsparameter im fotoleitenden Modus.
• Dunkelstrom (I_D):Maximal 10 nA bei V_R=10V. Dies ist der Leckstrom bei Lichtabwesenheit.
• Sperrspannungsdurchbruch (V_BR):Mindestens 32 V, typisch 170 V bei I_R=100μA.
• Gesamtkapazität (C_t):Typisch 5 pF bei V_R=5V, f=1MHz. Eine niedrige Kapazität ist entscheidend für hohe Bandbreite.
• Anstiegs-/Abfallzeit (t_r, t_f):Typisch jeweils 6 ns bei V_R=10V, R_L=1kΩ. Dies spezifiziert die Geschwindigkeit der elektrischen Reaktion auf einen Lichtimpuls.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien, die für Entwicklungsingenieure wesentlich sind. Obwohl spezifische grafische Daten nicht in Textform vorliegen, veranschaulichen diese Kurven typischerweise die Beziehung zwischen Schlüsselparametern und helfen, das Bauteilverhalten unter nicht standardmäßigen Bedingungen vorherzusagen.

3.1 Implizierte Kennlinieninformationen

Basierend auf Standard-Fotodioden-Eigenschaften werden typischerweise folgende Beziehungen dargestellt:

• Spektrale Empfindlichkeit:Eine Kurve, die die relative Empfindlichkeit gegenüber der Wellenlänge zeigt, mit einem Maximum bei 940 nm und einem Abfall auf die Hälfte bei 730 nm und 1100 nm.
• Strom vs. Beleuchtungsstärke (I_Lvs. E_e):Erwartet wird ein linearer Verlauf über einen weiten Bereich, was die Eignung der Fotodiode für analoge Lichtmessungen bestätigt.
• Kapazität vs. Sperrspannung (C_tvs. V_R):Die Kapazität nimmt typischerweise mit zunehmender Sperrvorspannung ab, was die Frequenzantwort beeinflusst.
• Dunkelstrom vs. Temperatur (I_Dvs. T):Der Dunkelstrom verdoppelt sich etwa alle 10°C Temperaturanstieg, was für den Hochtemperaturbetrieb entscheidend ist.

4. Mechanische und Verpackungsinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die Fotodiode kommt in einem subminiatur runden Gehäuse mit einem Körperdurchmesser von 1,8 mm. Detaillierte mechanische Zeichnungen im Datenblatt spezifizieren alle kritischen Abmessungen einschließlich Linsenhöhe, Anschlussabstand und Gesamtfläche. Toleranzen sind typischerweise ±0,1 mm, sofern nicht anders angegeben. Ein vorgeschlagenes Pad-Layout wird als Referenz für das Leiterplattendesign bereitgestellt, aber Ingenieuren wird empfohlen, es basierend auf ihrem spezifischen Bestückungsprozess und thermischen Anforderungen anzupassen.

4.2 Polaritätskennzeichnung und Montage

Das SMD-Gehäuse hat eine spezifische Ausrichtung. Die Zeichnung im Datenblatt zeigt die Kathoden- und Anodenanschlüsse. Die korrekte Polarität ist entscheidend für den ordnungsgemäßen Schaltungsbetrieb. Der schwarze Kunststoffkörper mit einer klaren sphärischen Linse unterstützt die Richtungsempfindlichkeit.

5. Richtlinien für Lötung und Bestückung

Eine ordnungsgemäße Handhabung ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit und Leistung des Bauteils zu erhalten.

5.1 Lagerung und Feuchtigkeitsempfindlichkeit

• Öffnen Sie die feuchtigkeitsdichte Verpackung erst unmittelbar vor der Verwendung.
• Lagern Sie ungeöffnete Beutel bei 10°C~30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit.
• Verwenden Sie die Bauteile innerhalb eines Jahres nach dem Versand.
• Nach dem Öffnen müssen die Bauteile innerhalb von 168 Stunden (Bodenlebensdauer) verwendet werden, wenn sie bei 10°C~30°C und ≤60% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert werden. Andernfalls müssen sie erneut getrocknet und in einem Trockenbeutel gelagert werden.
• Trocknungsverfahren: 96 Stunden bei 60°C ± 5°C und <5% relativer Luftfeuchtigkeit.

5.2 Lötbedingungen

• Reflow-Lötung:Ein empfohlenes Temperaturprofil wird bereitgestellt. Überschreiten Sie nicht zwei Reflow-Zyklen.
• Handlötung:Verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Spitzentemperatur <350°C und einer Leistung <25W. Die Kontaktzeit pro Anschluss sollte <3 Sekunden betragen. Lassen Sie zwischen dem Löten jedes Anschlusses ein Intervall von 2 Sekunden, um thermische Schäden zu vermeiden.
• Vermeiden Sie mechanische Belastung des Bauteils während des Erhitzens und Verziehen der Leiterplatte nach dem Löten.

5.3 Nacharbeit und Reparatur

Eine Reparatur nach dem Löten wird nicht empfohlen. Falls unvermeidbar, verwenden Sie einen Doppelspitzen-Lötkolben, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und das Bauteil gleichmäßig anzuheben. Überprüfen Sie die Funktionalität des Bauteils nach jeder Nacharbeit.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Spezifikationen für Band und Rolle

Das Bauteil ist in einer Trägerbandverpackung mit im Datenblatt spezifizierten Abmessungen verpackt. Die Standardmenge beträgt 1000 Stück pro 7-Zoll-Rolle. Die Bandabmessungen gewährleisten die Kompatibilität mit Standard-SMD-Bestückungsgeräten.

6.2 Etiketteninformationen

Das Rollenetikett enthält Standardinformationen für Rückverfolgbarkeit und korrekte Bestückung: Kundenteilenummer (CPN), Teilenummer (P/N), Losnummer, Menge, Spitzenwellenlänge (HUE), Kategorien (CAT), Referenz (REF), Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL-X) und Herkunftsland.

7. Anwendungsdesign-Überlegungen

7.1 Schaltungsschutz

Kritisch:Ein externer strombegrenzender Widerstand muss in Reihe mit der Fotodiode geschaltet werden, wenn sie im fotoleitenden Modus (in Sperrrichtung vorgespannt) betrieben wird. Ohne diesen kann eine kleine Spannungsänderung einen großen Stromstoß verursachen, der das Bauteil möglicherweise zerstört.

7.2 Vorspannung und Signalaufbereitung

Die Fotodiode kann in zwei Hauptmodi verwendet werden:

• Fotovoltaischer Modus (Nullvorspannung):Erzeugt eine Spannung (V_OC). Bietet niedriges Rauschen, aber langsamere Reaktion.
• Fotoleitender Modus (Sperrvorspannung):Betrieben mit einer Sperrspannung (z.B. 5V wie in den Spezifikationen). Dies reduziert die Sperrschichtkapazität (beschleunigt die Reaktion) und verbessert die Linearität, erhöht aber den Dunkelstrom. Ein Transimpedanzverstärker (TIA) wird üblicherweise verwendet, um den Fotostrom (I_L) in ein nutzbares Spannungssignal umzuwandeln.

7.3 Optisches Design

Die sphärische Linse hat einen spezifischen Blickwinkel. Für optimale Kopplung sollte die IR-Quelle innerhalb dieses Winkels ausgerichtet werden. Das schwarze Gehäuse minimiert interne Reflexionen und Übersprechen von Umgebungslicht.

8. Technischer Vergleich und Positionierung

Im Vergleich zu Standard-Fotodioden bietet die PD42-21C/TR8 eine ausgewogene Kombination aus Geschwindigkeit (6 ns), Empfindlichkeit (typ. 5 μA bei 1mW/cm²) und einem sehr kompakten SMD-Fußabdruck. Ihre Spitzenempfindlichkeit bei 940nm macht sie zu einer direkten Ergänzung für viele kostengünstige IR-LEDs. Die niedrige Kapazität ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal für Hochfrequenzanwendungen im Vergleich zu Bauteilen mit größeren aktiven Flächen.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

9.1 Was ist der Unterschied zwischen I_SCund I_L?

I_SC(Kurzschlussstrom) wird bei Null Spannung über der Diode gemessen. I_L(Lichtstrom bei Sperrspannung) wird unter einer angelegten Sperrvorspannung (z.B. 5V) gemessen. In einer gut konstruierten PIN-Fotodiode sind diese Werte sehr ähnlich, wie im Datenblatt gezeigt (beide typ. 5,0 μA). I_List der praktischere Parameter für den Schaltungsentwieg im vorgespannten Betrieb.

9.2 Wie wähle ich den Wert des Vorwiderstands?

Der Widerstand begrenzt den Strom bei maximaler Beleuchtung. Berechnen Sie R ≥ (Versorgungsspannung) / (Maximaler I_L). Aus den Spezifikationen: Max. I_List 12 μA. Für eine 5V-Vorspannung sollte R ≥ 5V / 12μA ≈ 417 kΩ sein. Ein gängiger Startwert ist 100 kΩ, der zusammen mit der Sperrschichtkapazität auch die Bandbreite festlegt.

9.3 Kann dies für die Sichtbarlichterkennung verwendet werden?

Ihr spektraler Bereich beginnt bei 730 nm, was im nahen Infrarot liegt. Sie hat eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber sichtbarem Licht (Wellenlängen unter 700 nm). Für sichtbares Licht wäre eine Fotodiode mit einer Spitzenempfindlichkeit im Bereich von 550-650 nm besser geeignet.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Infrarot-Annäherungssensor in einem Gamecontroller.

1. Bauteilpaarung:Die PD42-21C/TR8 wird mit einer 940nm IR-LED gepaart.
2. Schaltungsdesign:Die Fotodiode wird mit 3,3V über einen 100 kΩ Widerstand in Sperrrichtung vorgespannt. Ihr Ausgang ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers verbunden, der als TIA mit einem 1 MΩ Rückkopplungswiderstand und einem kleinen Rückkopplungskondensator (z.B. 1 pF) zur Stabilisierung der Antwort konfiguriert ist.
3. Betrieb:Die IR-LED sendet ein gepulstes Signal aus. Wenn sich ein Objekt (z.B. die Hand eines Benutzers) nähert, reflektiert es IR-Licht zur Fotodiode. Der TIA wandelt den erhöhten Fotostrom in einen messbaren Spannungsimpuls um.
4. Vorteile:Die schnelle Reaktion der Fotodiode ermöglicht die schnelle Erkennung rascher Handbewegungen. Ihre geringe Größe passt problemlos in das kompakte Controllergehäuse. Die hohe Empfindlichkeit gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb auch bei schwachen reflektierten Signalen.

11. Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode besteht aus einer breiten, schwach dotierten intrinsischen (I) Region, die zwischen P-Typ- und N-Typ-Halbleiterregionen eingebettet ist. Bei Sperrvorspannung wird die intrinsische Region vollständig verarmt, wodurch ein starkes elektrisches Feld entsteht. Einfallende Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters werden absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paare. Das starke elektrische Feld trennt diese Ladungsträger schnell und erzeugt einen Fotostrom, der proportional zur Lichtintensität ist. Im Vergleich zu einer Standard-PN-Fotodiode reduziert die breite intrinsische Region die Sperrschichtkapazität (ermöglicht hohe Geschwindigkeit) und erhöht das Volumen für die Photonenabsorption (verbessert die Empfindlichkeit).

12. Branchentrends

Die Nachfrage nach miniaturisierten, schnellen Fotodetektoren wächst weiter, angetrieben durch Anwendungen in der Unterhaltungselektronik (Smartphones, Wearables), der Automobilindustrie (LiDAR, Innenraumsensorik) und der industriellen Automatisierung. Trends umfassen weitere Miniaturisierung, Integration von Fotodioden mit Verstärkungs- und Digitalisierungsschaltungen auf einem einzigen Chip (z.B. integrierte optische Sensoren) und verbesserte Leistung in bestimmten Wellenlängenbereichen für neue Anwendungen wie Gestenerkennung und 3D-Sensorik. Bauteile wie die PD42-21C/TR8 stellen eine ausgereifte, zuverlässige Lösung für kostenbewusste, hochvolumige Anwendungen dar, die eine robuste Infrarot-Erkennung erfordern.