PD438B/S46 Silizium-PIN-Fotodiode Datenblatt - 4,8mm Halblinse - Schwarzes Gehäuse - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PD438B/S46 ist eine leistungsstarke Silizium-PIN-Fotodiode für Anwendungen, die schnelle Reaktion und hohe Empfindlichkeit erfordern. Sie ist in einem kompakten, zylindrischen Seitenansichts-Kunststoffgehäuse mit einer 4,8mm Halblinse untergebracht. Ein wesentliches Merkmal ist ihr Epoxidharzgehäuse, das als integrierter Infrarot(IR)-Filter wirkt. Dieser Filter ist spektral auf gängige IR-Emitter abgestimmt und verbessert die Leistung in IR-Erfassungsanwendungen, indem die Empfindlichkeit für unerwünschtes sichtbares Licht reduziert wird.

Die Kernvorteile dieser Fotodiode sind ihre schnellen Ansprechzeiten, die für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und Schaltanwendungen entscheidend sind, sowie ihre hohe Lichtempfindlichkeit, die eine effektive Erfassung geringer Lichtpegel ermöglicht. Ihre geringe Sperrschichtkapazität trägt zur schnellen Reaktion bei und macht sie für Hochfrequenzschaltungen geeignet. Das Bauteil ist aus bleifreien Materialien gefertigt und entspricht relevanten Umweltvorschriften wie RoHS und EU REACH, wodurch es für Produkte mit strengen Umweltanforderungen geeignet ist.

Die primären Zielmärkte und Anwendungen für die PD438B/S46 liegen in der Unterhaltungselektronik, der industriellen Automatisierung und Kommunikationssystemen. Ihre Spezifikationen machen sie zur idealen Komponente für Entwickler von Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen, Präsenzerkennungssystemen und präziser Lichtmesstechnik.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Die maximale Sperrspannung (VR) beträgt 32V. Die maximale Verlustleistung (Pd) liegt bei 150 mW und definiert die thermischen Betriebsgrenzen. Die Anschlüsse können bei einer Temperatur von bis zu 260°C für maximal 5 Sekunden gelötet werden, was mit Standard-Reflow-Lötprozessen kompatibel ist. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -40°C und +85°C, die Lagertemperatur zwischen -40°C und +100°C. Diese Werte gewährleisten eine zuverlässige Leistung unter vielfältigen Umgebungsbedingungen.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Das spektrale Ansprechverhalten der Fotodiode wird durch ihre spektrale Bandbreite (λ0,5) definiert, die von 840 nm bis 1100 nm reicht. Die Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit (λp) liegt bei 940 nm, was sie klar im nahen Infrarotbereich positioniert, der häufig für Fernbedienungen, optische Sensoren und Freiraumkommunikation verwendet wird.

Bei einer Bestrahlungsstärke von 5 mW/cm² bei 940 nm beträgt die typische Leerlaufspannung (VOC) 0,35V. Der typische Kurzschlussstrom (ISC), gemessen bei 1 mW/cm² und 940 nm, beträgt 18 µA. Dieser Parameter ist ein direktes Maß für die Stromerzeugungsfähigkeit des Bauteils unter Beleuchtung.

Der Sperrlichtstrom (IL) ist der Fotostrom, der bei Sperrvorspannung erzeugt wird. Bei VR=5V und Ee=1 mW/cm² (λp=940nm) beträgt der typische Wert 18 µA, mit einem garantierten Mindestwert von 10,2 µA. Der Dunkelstrom (Id), der Leckstrom ohne Beleuchtung bei VR=10V, beträgt typisch 5 nA, maximal 30 nA. Ein niedriger Dunkelstrom ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis, besonders bei der Erfassung schwacher Lichtsignale, entscheidend.

Die minimale Sperrspannungs-Durchbruchspannung (BVR) beträgt 32V bei einem Strom von 100 µA, der typische Wert liegt bei bis zu 170V. Die Gesamtanschlusskapazität (Ct) bei VR=5V und 1 MHz beträgt typisch 18 pF. Diese geringe Kapazität ist ein Schlüsselfaktor für schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten. Die Anstiegs- und Abfallzeiten (tr/tf) betragen typisch jeweils 50 Nanosekunden bei einem Betrieb mit VR=10V und einem Lastwiderstand (RL) von 1 kΩ.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die ein tieferes Verständnis des Bauteilverhaltens unter verschiedenen Bedingungen ermöglichen.

Abbildung 1: Verlustleistung vs. Umgebungstemperaturzeigt die Reduzierung der maximal zulässigen Verlustleistung mit steigender Umgebungstemperatur. Diese Grafik ist für das Wärmemanagement-Design entscheidend, um Überhitzung zu vermeiden und Langzeitzuverlässigkeit sicherzustellen.

Abbildung 2: Spektrale Empfindlichkeitzeigt die relative Empfindlichkeit der Fotodiode über das Wellenlängenspektrum von etwa 600 nm bis 1200 nm. Die Kurve erreicht ihr Maximum bei 940 nm und zeigt die effektive Filterwirkung des Epoxidharzgehäuses, das die Empfindlichkeit außerhalb des Ziel-IR-Bandes dämpft.

Abbildung 3: Dunkelstrom vs. Umgebungstemperaturzeigt, wie der Leckstrom (Id) exponentiell mit der Temperatur ansteigt. Dieser Zusammenhang ist für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen entscheidend, da er das Grundrauschen des Sensors definiert.

Abbildung 4: Sperrlichtstrom vs. Bestrahlungsstärke (Ee)zeigt den linearen Zusammenhang zwischen dem erzeugten Fotostrom und der einfallenden Lichtleistungsdichte. Diese Linearität ist eine grundlegende Eigenschaft von PIN-Fotodioden und für analoge Lichtmessanwendungen wesentlich.

Abbildung 5: Anschlusskapazität vs. Sperrspannungzeigt, dass die Sperrschichtkapazität mit zunehmender Sperrvorspannung abnimmt. Entwickler können diesen Zusammenhang nutzen, um die Geschwindigkeit ihrer Schaltung durch Wahl eines geeigneten Arbeitspunktes zu optimieren.

Abbildung 6: Ansprechzeit vs. Lastwiderstandzeigt, wie die Anstiegs-/Abfallzeit des Ausgangssignals der Fotodiode vom angeschlossenen Lastwiderstand beeinflusst wird. Schnellere Reaktion wird mit niedrigeren Lastwiderständen erreicht, was jedoch auf Kosten der Ausgangsspannungsamplitude gehen kann.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die PD438B/S46 ist in einem zylindrischen Seitenansichtsgehäuse erhältlich. Die Schlüsselabmessungen umfassen einen Gehäusedurchmesser und eine Halblinsenhöhe gemäß Zeichnung. Alle nicht spezifizierten Toleranzen für lineare Abmessungen betragen ±0,25mm. Das Gehäuse ist schwarz, was Streulichtinterferenzen reduziert. Die Seitenansichtskonfiguration ermöglicht die Erfassung von Licht aus einer Richtung parallel zur Leiterplattenebene, was für Anwendungen wie Papiererkennung in Druckern oder Kantenerkennung nützlich ist.

4.2 Polaritätskennzeichnung

5. Löt- und Montagerichtlinien

Das Bauteil ist für Wellenlöt- und Reflow-Lötprozesse geeignet. Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur der Anschlüsse beträgt 260°C, wobei die Lötzeit 5 Sekunden nicht überschreiten sollte. Es wird empfohlen, die Standard-IPC-Richtlinien für das Löten elektronischer Bauteile zu befolgen. Das Bauteil sollte in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb seines spezifizierten Lagertemperaturbereichs von -40°C bis +100°C gelagert werden, um Feuchtigkeitsaufnahme und elektrostatische Schäden zu verhindern.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungsspezifikation lautet wie folgt: 200 bis 500 Stück werden in einer Feuchtigkeitssperrbeutel verpackt. Sechs solcher Beutel werden in einen Innenkarton gelegt. Zehn Innenkartons werden dann in einen Versandkarton gepackt. Das Etikett auf der Verpackung enthält Felder für die Kundenteilenummer (CPN), die Herstellerteilnummer (P/N), die Packmenge (QTY) und die Losnummer (LOT No.). Andere Felder wie CAT, HUE und REF, die bei LEDs üblich sind, um Intensität, Wellenlänge und Spannungsgruppen zu kennzeichnen, sind für diese Fotodiode nicht anwendbar, da sie nicht auf die gleiche Weise sortiert wird; diese Felder können leer bleiben oder für andere Rückverfolgbarkeitsinformationen verwendet werden.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Hochgeschwindigkeits-Lichterkennung:

• Ideal für optische Encoder, Datenkommunikation über Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) und Laserstrahlerkennung, wo Nanosekunden-Reaktion erforderlich ist.Kameraanwendungen:
• Kann für Umgebungslichtsensorik (ALS) oder IR-Näherungserkennung in Smartphones, Tablets und Digitalkameras verwendet werden. Der integrierte IR-Filter hilft, IR-Pegel genau zu messen.Optoelektronische Schalter:
• Geeignet für Objekterkennung, Zählung und Positionserfassung in Verkaufsautomaten, industrieller Automatisierung und Sicherheitssystemen.Unterhaltungselektronik:
• Wird in Videorekordern und Videokameras für Bandendenerkennung oder Steuersignalempfang verwendet.7.2 Designüberlegungen

Bei der Schaltungsentwicklung mit der PD438B/S46 sind folgende Punkte zu beachten:

Vorspannung:

• Eine Sperrvorspannung (typisch 5V bis 10V gemäß Datenblatt) wird angelegt, um die Sperrschicht zu verbreitern, die Kapazität zu reduzieren und die Geschwindigkeit zu verbessern. Stellen Sie sicher, dass die Spannung den Maximalwert von 32V nicht überschreitet.Lastwiderstand (RL):
• Der Wert von RL in der Transimpedanz-Konfiguration beeinflusst direkt Bandbreite und Ausgangsspannung. Ein kleinerer RL ergibt eine schnellere Reaktion, aber ein geringeres Ausgangssignal. Abbildung 6 im Datenblatt ist eine wichtige Referenz.Verstärkung:
• Der Fotostrom ist klein (Mikroampere). Ein Transimpedanzverstärker (TIA) wird fast immer verwendet, um diesen Strom in ein nutzbares Spannungssignal umzuwandeln. Wählen Sie einen Operationsverstärker mit niedrigem Eingangsruhestrom und ausreichender Bandbreite.Rauschunterdrückung:
• Schirmen Sie die Fotodiode und ihre Leiterbahnen vor elektrischem Rauschen ab. Verwenden Sie einen Entkopplungskondensator nahe den Versorgungspins, wenn eine aktive Vorspannungsschaltung verwendet wird. Der niedrige Dunkelstrom hilft, ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis aufrechtzuerhalten.Optische Überlegungen:
• Stellen Sie sicher, dass die Linse sauber und frei von Hindernissen ist. Das Seitenansichtsgehäuse erfordert möglicherweise ein sorgfältiges mechanisches Design, um den Lichtweg korrekt auszurichten.8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-PN-Fotodioden bietet die PIN-Struktur der PD438B/S46 deutliche Vorteile. Die intrinsische (I) Zone zwischen den P- und N-Schichten erzeugt eine größere Sperrschicht. Dies führt zu zwei Hauptvorteilen:

1) Geringere Sperrschichtkapazität:Die größere Sperrschicht wirkt wie ein breiteres Dielektrikum und reduziert die Kapazität (typisch 18 pF) erheblich, was die Hauptvoraussetzung für Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist.2) Verbesserte Linearität und Empfindlichkeit:Die breite intrinsische Zone ermöglicht eine effizientere Sammlung von photogenerierten Ladungsträgern über ein größeres Volumen, was zu besserer Linearität zwischen Fotostrom und Bestrahlungsstärke und potenziell höherer Quanteneffizienz bei der Peak-Wellenlänge führt.Darüber hinaus ist die Integration eines IR-filternden Epoxidharzes direkt ins Gehäuse ein differenzierendes Merkmal. Es macht einen separaten externen IR-Filter überflüssig, spart Platz, reduziert Kosten und vereinfacht die Montage. Dies ist besonders vorteilhaft für kompakte Designs in der Unterhaltungselektronik.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Unterschied zwischen Kurzschlussstrom (ISC) und Sperrlichtstrom (IL)?

A: ISC wird bei null Volt über der Diode (Kurzschlussbedingung) gemessen. IL wird gemessen, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist (z.B. bei VR=5V). In der Praxis sind diese Werte für eine PIN-Fotodiode sehr ähnlich, da der Fotostrom im normalen Betriebsbereich weitgehend unabhängig von der Sperrvorspannung ist.

F: Warum sind die Anstiegs-/Abfallzeiten mit einem 1 kΩ Lastwiderstand spezifiziert?

A: Der 1 kΩ Lastwiderstand repräsentiert eine gängige Test- und einfache Schaltungsbedingung. Die tatsächliche Ansprechzeit in Ihrer Anwendung hängt von Ihrem spezifischen Lastwiderstand und parasitären Kapazitäten ab, wie in Abbildung 6 gezeigt.

F: Kann diese Fotodiode für sichtbares Licht verwendet werden?

A: Während das Siliziummaterial selbst für sichtbares Licht empfindlich ist (wie in der Spektralkurve bis ~600nm zu sehen), wirkt das schwarze Epoxidharzgehäuse als starker Filter. Die Empfindlichkeit im sichtbaren Spektrum ist im Vergleich zum Peak bei 940 nm stark gedämpft. Sie ist primär für Nah-IR-Anwendungen ausgelegt.

F: Wie interpretiere ich die "Typ."-Werte in der Kennwerttabelle?

A: "Typ." steht für typischen Wert, den erwarteten Durchschnitt unter spezifizierten Bedingungen. Er ist nicht garantiert. Für Designzwecke, besonders bei kritischen Parametern, sollten Sie die "Min."- oder "Max."-Werte verwenden, um sicherzustellen, dass Ihre Schaltung über alle Produktionsvariationen und Bedingungen hinweg korrekt funktioniert.

10. Praktische Design- und Anwendungsbeispiele

Beispiel 1: Einfacher Objekterkennungsschalter

Ein einfacher Optoschalter kann durch Kombination der PD438B/S46 mit einer IR-LED (z.B. emittierend bei 940 nm) aufgebaut werden. Die Fotodiode wird in Sperrrichtung mit einem Pull-up-Widerstand zu Vcc (z.B. 5V) geschaltet. Der Ausgangsknoten zwischen Widerstand und Kathode der Fotodiode wird an einen Komparator oder einen digitalen Eingangspin eines Mikrocontrollers geführt. Wenn ein Objekt den IR-Strahl zwischen LED und Fotodiode unterbricht, sinkt der Fotostrom, wodurch die Spannung am Ausgangsknoten ansteigt und das Erkennungssignal auslöst. Die schnelle Ansprechzeit ermöglicht die Erkennung sich schnell bewegender Objekte.

Beispiel 2: Umgebungslichtsensor mit Mikrocontroller

Für analoge Lichtpegelmessung kann die Fotodiode an einen Transimpedanzverstärker angeschlossen werden. Die Ausgangsspannung des TIA, die proportional zur einfallenden IR-Lichtintensität ist, wird dann in einen Analog-Digital-Wandler (ADC)-Eingang eines Mikrocontrollers eingespeist. Der MCU kann diesen Wert verwenden, um die Helligkeit eines Displays automatisch anzupassen oder um zu bestimmen, ob ein IR-Fernbedienungssignal vorhanden ist. Der integrierte IR-Filter hilft sicherzustellen, dass die Messung spezifisch für die IR-Komponente des Umgebungslichts ist.

11. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode ist ein Halbleiterbauteil, das Licht in elektrischen Strom umwandelt. Sie besteht aus einer Schicht intrinsischen (undotierten oder schwach dotierten) Halbleitermaterials (der "I"-Zone), die zwischen einer P-Typ-Schicht und einer N-Typ-Schicht eingebettet ist. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters (für Silizium Licht mit einer Wellenlänge kleiner als ~1100 nm) auf das Bauteil treffen, können sie in der intrinsischen Zone Elektron-Loch-Paare erzeugen. Wird eine Sperrvorspannung angelegt, erzeugt sie ein starkes elektrisches Feld über die intrinsische Zone. Dieses Feld treibt die photogenerierten Ladungsträger schnell zu den jeweiligen Anschlüssen – Elektronen zur N-Seite und Löcher zur P-Seite – und erzeugt so einen messbaren Fotostrom im externen Stromkreis. Die Breite der intrinsischen Zone ist entscheidend: Sie ermöglicht eine effiziente Ladungsträgererzeugung und -sammlung bei gleichzeitig niedriger Bauteilkapazität.

12. Technologietrends und Kontext

Silizium-PIN-Fotodioden wie die PD438B/S46 repräsentieren eine ausgereifte und hochzuverlässige Technologie. Aktuelle Trends in diesem Bereich konzentrieren sich auf mehrere Bereiche:

Miniaturisierung:Entwicklung kleinerer Gehäuse (z.B. Chip-Scale-Packages) für platzbeschränkte Anwendungen wie Wearables und Mobiltelefone.Integration:Kombination der Fotodiode mit Verstärkungs-, Digitalisierungs- und Signalverarbeitungsschaltungen auf einem einzigen Chip, um intelligente optische Sensoren zu schaffen.Verbesserte Leistung:Forschung an Strukturen wie Avalanche-Fotodioden (APDs) für Anwendungen, die extreme Empfindlichkeit erfordern, obwohl diese komplexer und teurer sind.Neue Materialien:Erforschung von Materialien wie Germanium oder III-V-Verbindungen (z.B. InGaAs) für die Detektion in längeren Infrarotwellenlängen, die mit Standard-Silizium nicht zugänglich sind. Für Mainstream-Nah-IR-Anwendungen bis 1100 nm bleibt Silizium aufgrund seiner exzellenten Herstellbarkeit und Leistung das dominierende, kosteneffektive Material der Wahl.Exploration of materials like germanium or III-V compounds (e.g., InGaAs) for detection in longer infrared wavelengths, which are not accessible with standard silicon. For mainstream near-IR applications up to 1100 nm, silicon remains the dominant, cost-effective material of choice due to its excellent manufacturability and performance.