PD15-21B/TR8 Silizium-PIN-Fotodiode Datenblatt - 1206-Gehäuse (1,6x0,8x0,55mm) - Spektralbereich 730-1100nm - Peak 940nm - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PD15-21B/TR8 ist eine leistungsstarke Silizium-PIN-Fotodiode in einem miniaturisierten SMD-Gehäuse (Surface-Mount Device). Dieses Bauteil ist speziell für Erfassungsanwendungen im Infrarotspektrum konzipiert und bietet eine kompakte und zuverlässige Lösung für moderne elektronische Designs, die optische Detektion erfordern.

1.1 Kernvorteile und Produktpositionierung

Dieses Bauteil ist entwickelt, um mehrere wesentliche Vorteile für die Präzisionserfassung zu bieten. Es zeichnet sich durch eineschnelle Ansprechzeitaus, die die Erkennung schneller Änderungen der Lichtintensität ermöglicht – entscheidend für Anwendungen wie Zählen, Sortieren und Positionserfassung. Diehohe Lichtempfindlichkeitgewährleistet eine zuverlässige Signaldetektion selbst bei geringer Beleuchtung. Darüber hinaus trägt diegeringe Sperrschichtkapazitätzu seiner Hochgeschwindigkeitsleistung bei. Das Produkt wird auf 7-Zoll-Durchmesser-Spulen in einer 8 mm breiten, genormten Embossed-Carrier-Tape geliefert, was automatisierte Bestückungsprozesse erleichtert. Es entspricht vollständig den Umweltvorschriften: bleifrei, RoHS-konform, EU-REACH-konform und halogenfrei (Brom <900 ppm, Chlor <900 ppm, Summe <1500 ppm).

1.2 Zielmärkte und Anwendungen

Zu den primären Zielmärkten zählen die Industrieautomatisierung, die Unterhaltungselektronik und Sicherheitssysteme. Seine Miniaturgröße und das SMD-Format machen es ideal für platzbeschränkte Anwendungen. Typische Anwendungsfälle sind:

• Miniatur-Optoschalter:Verwendung in der Objekterkennung, Papiererkennung in Druckern und Schlitzsensoren.
• Zähler und Sortierer:Eingesetzt in Fertigungsstraßen zur Teilezählung und -sortierung basierend auf Vorhandensein-/Abwesenheitserkennung.
• Positionssensoren:Verwendung für Kantenerkennung, Endlagenschalter und Drehgebersysteme.
• Infrarot-Anwendungssysteme:Integraler Bestandteil von Systemen, die Infrarot-Emitter für Datenübertragung, Annäherungserkennung und Umgebungslichtsensorik nutzen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Ein gründliches Verständnis der Bauteilspezifikationen ist für einen korrekten Schaltungsentwurf und die Systemintegration entscheidend.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Ein Dauerbetrieb an oder nahe diesen Grenzen wird nicht empfohlen.

• Sperrspannung (V_R):32 V. Dies ist die maximale Spannung, die in Sperrrichtung an die Fotodiodenanschlüsse angelegt werden darf.
• Betriebstemperatur (T_opr):-25°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für einen zuverlässigen Betrieb.
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +85°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Löttemperatur (T_sol):260°C für maximal 5 Sekunden. Dies definiert die maximale Temperatur im Reflow-Profil.
• Verlustleistung (P_d):150 mW bei oder unter 25°C freier Lufttemperatur. Dies begrenzt die gesamte elektrische Leistung, die das Bauteil sicher verarbeiten kann.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter, gemessen bei einer Standardtemperatur von 25°C, definieren die Kern-Erfassungsleistung der Fotodiode.

• Spektralbandbreite (λ_0.5):730 nm bis 1100 nm. Dies ist der Wellenlängenbereich, in dem die Empfindlichkeit der Fotodiode mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Sie zeigt die Empfindlichkeit für nahes Infrarotlicht an.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λ_P):940 nm (typisch). Das Bauteil ist spektral auf gängige Infrarot-Emissionsdioden (IREDs) abgestimmt, die bei dieser Wellenlänge arbeiten, und maximiert so die Systemeffizienz.
• Kurzschlussstrom (I_SC):0,8 μA (typisch) bei einer Bestrahlungsstärke (E_e) von 1 mW/cm² bei 940 nm. Dies ist der Fotostrom, der erzeugt wird, wenn die Fotodiode im Photovoltaik-Modus (Null-Vorspannung) betrieben wird.
• Lichtstrom bei Sperrspannung (I_L):0,2 μA (min) bis 0,8 μA (typisch) bei einer Bestrahlungsstärke von 1 mW/cm² bei 940 nm mit einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Dieser Parameter ist relevant für den Betrieb im Photoleitungs-Modus, bei dem eine externe Sperrspannung angelegt wird, um Geschwindigkeit und Linearität zu verbessern.
• Dunkelstrom (I_D):10 nA (max) bei V_R=10V in völliger Dunkelheit (E_e=0). Dies ist der geringe Leckstrom, der auch bei Abwesenheit von Licht fließt. Ein niedriger Dunkelstrom ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis unerlässlich, insbesondere bei Anwendungen mit wenig Licht.
• Sperrspannungs-Durchbruchspannung (BV_R):32 V (min), 170 V (typisch), gemessen bei einem Sperrstrom von 100 μA. Dies zeigt eine sehr hohe Durchbruchspannung an und bietet einen weiten Betriebsspielraum unterhalb des absoluten Maximalwertes von 32V.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die zeigen, wie sich Schlüsselparameter mit den Betriebsbedingungen ändern.

3.1 Leistungsreduzierung

Abb.1: Verlustleistung vs. Umgebungstemperaturzeigt, wie die maximal zulässige Verlustleistung abnimmt, wenn die Umgebungstemperatur über 25°C steigt. Entwickler müssen die Leistung entsprechend reduzieren, um thermische Überlastung zu verhindern.

3.2 Spektrale Empfindlichkeit

Abb.2: Spektrale Empfindlichkeitveranschaulicht grafisch die relative Empfindlichkeit der Fotodiode über das Lichtspektrum und bestätigt ihr Maximum bei 940 nm sowie die definierte Bandbreite von 730-1100 nm.

3.3 Temperaturabhängigkeit

Abb.3: Dunkelstrom vs. Umgebungstemperaturzeigt, dass sich der Dunkelstrom etwa alle 10°C Temperaturanstieg verdoppelt. Dies ist ein grundlegendes Halbleiterverhalten und muss bei Hochtemperatur- oder Präzisionsanwendungen berücksichtigt werden.Abb.4: Lichtstrom bei Sperrspannung vs. Bestrahlungsstärke (E_e)demonstriert den linearen Zusammenhang zwischen einfallender Lichtleistung und erzeugtem Fotostrom, eine Schlüsseleigenschaft von PIN-Fotodioden.

3.4 Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit

Abb.5: Relative Strahlungsintensität vs. Winkelabweichungzeigt die Richtungsempfindlichkeit des Bauteils. Das schwarze Epoxidharzgehäuse mit sphärischer Linse bietet einen spezifischen Öffnungswinkel, der beeinflusst, wie die Fotodiode im Systemdesign mit einer Lichtquelle ausgerichtet werden sollte.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil entspricht dem standardmäßigen SMD-Fußabdruck 1206 (3216 metrisch): etwa 1,6 mm lang, 0,8 mm breit und 0,55 mm hoch (ohne Linsenkuppel). Detaillierte Maßzeichnungen mit Toleranzen von ±0,1 mm werden für das Leiterplatten-Land-Pattern-Design bereitgestellt. Ein empfohlenes Pad-Layout dient als Referenz, Entwickler sollten es jedoch basierend auf ihrem spezifischen Leiterplattenfertigungsprozess und thermischen Anforderungen anpassen.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Fotodiode ist in schwarzem Epoxidharz vergossen. Der Kathodenanschluss ist typischerweise in der Gehäuseumrisszeichnung markiert oder gekennzeichnet. Ein korrekter Polanschluss ist für den ordnungsgemäßen Betrieb im Sperrspannungs- (Photoleitungs-) Modus unerlässlich.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

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

5.1 Lagerung und Feuchtigkeitssensitivität

Das Bauteil ist feuchtigkeitsempfindlich. Die Feuchtigkeitssperrbeutel sollten erst unmittelbar vor der Verwendung geöffnet werden. Nach dem Öffnen beträgt die "Floor Life" 168 Stunden (7 Tage) bei Lagerung bei 10-30°C und ≤60 % relativer Luftfeuchtigkeit. Nicht verwendete Bauteile müssen mit Trockenmittel zurückverpackt werden. Wird die Floor Life überschritten oder zeigt das Trockenmittel Feuchtigkeitsaufnahme an, ist vor der Verwendung ein Trocknungsvorgang bei 60°C ±5°C und <5 % relativer Luftfeuchtigkeit für 96 Stunden erforderlich.

5.2 Reflow-Löten

Ein bleifreies Löttemperaturprofil wird empfohlen, mit einer Spitzentemperatur von 260°C für maximal 5 Sekunden. Das Reflow-Löten sollte nicht mehr als zweimal durchgeführt werden. Spannungen am Bauteilkörper während des Erhitzens und Verzug der Leiterplatte nach dem Löten müssen vermieden werden.

5.3 Handlöten und Nacharbeit

Falls Handlöten notwendig ist, verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Spitzentemperatur unter 350°C und einer Leistung von 25W oder weniger. Die Kontaktzeit pro Anschluss sollte unter 3 Sekunden liegen, mit Pausen von mehr als 2 Sekunden zwischen dem Löten jedes Anschlusses. Nacharbeit wird dringend abgeraten. Falls unvermeidbar, muss ein spezieller Doppelspitzen-Lötkolben verwendet werden, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen, und die Auswirkung auf die Bauteileigenschaften muss vorab überprüft werden.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Tape-and-Reel-Spezifikationen

Das Produkt wird auf 7-Zoll- (178 mm) Durchmesser-Spulen in einer 8 mm breiten Embossed-Carrier-Tape geliefert. Jede Spule enthält 2000 Stück. Detaillierte Abmessungen der Trägertape und der Spule werden bereitgestellt, um die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsgeräten sicherzustellen.

6.2 Etikettenspezifikation

Das Spulenetikett enthält Standardinformationen wie Kundenteilenummer (CPN), Herstellteilenummer (P/N), Losnummer, Menge, Peak-Wellenlänge (HUE), Ränge (CAT), Referenz (REF), Feuchtigkeitssensitivitätsstufe (MSL-X) und Herkunftsland.

7. Anwendungsdesign-Überlegungen

7.1 Schaltungsschutz

Kritischer Hinweis:Das Datenblatt warnt ausdrücklich, dass ein externer strombegrenzender Widerstandzwingendin Reihe mit der Fotodiode verwendet werden muss. Ohne diesen Widerstand kann eine geringe Spannungsänderung eine große Stromänderung verursachen, die möglicherweise zum sofortigen Durchbrennen des Bauteils führt. Der Widerstandswert muss basierend auf der Versorgungsspannung und dem maximal erwarteten Fotostrom berechnet werden.

7.2 Betriebsarten (Bias-Modi)

Die Fotodiode kann in zwei Hauptmodi betrieben werden:

1. Photovoltaik-Modus (Null-Bias):Die Fotodiode erzeugt bei Beleuchtung eine Spannung/einen Strom, ohne dass eine externe Vorspannung angelegt wird. Dieser Modus bietet einen sehr niedrigen Dunkelstrom und Rauschen, hat aber langsamere Ansprechzeiten.
2. Photoleitungs-Modus (Sperrspannungs-Bias):Es wird eine externe Sperrspannung angelegt (z.B. 5V wie in der Testbedingung). Dies verbreitert die Sperrschicht, reduziert die Sperrschichtkapazität und erhöht so Geschwindigkeit und Bandbreite. Es verbessert auch die Linearität, erhöht aber den Dunkelstrom.

Die Wahl hängt von den Anforderungen der Anwendung an Geschwindigkeit gegenüber Rauschverhalten ab.

7.3 Anbindung an Verstärker

Zur Verstärkung des kleinen Fotostroms (μA-Bereich) wird üblicherweise eine Transimpedanzverstärker-Schaltung (TIA) verwendet. Diese Schaltung wandelt den Fotodiodenstrom in eine proportionale Ausgangsspannung um. Wichtige Entwurfsüberlegungen für den TIA umfassen die Auswahl eines Operationsverstärkers mit niedrigem Eingangsruhestrom und niedrigem Rauschen sowie die Berechnung des Rückkopplungswiderstands und -kondensators für die gewünschte Verstärkung und Bandbreite unter Beibehaltung der Stabilität.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Fototransistoren bietet diese Silizium-PIN-Fotodiode aufgrund ihres intrinsischen Bereichs, der die Kapazität reduziert, überlegene Geschwindigkeit und Linearität. Ihre Reaktion hängt rein vom einfallenden Licht ab, anders als bei einem Fototransistor, der eine Stromverstärkung hat und langsamer sowie weniger linear sein kann. Im Vergleich zu anderen Fotodioden bietet ihr 1206-Gehäuse eine gute Balance zwischen Miniaturisierung und einfacher Handhabung/Bestückung, während ihre hohe Durchbruchspannung und die spezifische spektrale Abstimmung auf 940-nm-IREDs deutliche Vorteile für gezielte Infrarot-Erfassungsanwendungen sind.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

9.1 Was ist der Unterschied zwischen I_SCund I_L?

I_SC(Kurzschlussstrom) wird bei null Volt über der Diode (Photovoltaik-Modus) gemessen. I_L(Lichtstrom bei Sperrspannung) wird mit einer angelegten Sperrspannung (Photoleitungs-Modus) gemessen. I_Lliegt für PIN-Fotodioden typischerweise sehr nahe an I_SC.

9.2 Warum ist ein Reihenwiderstand zwingend erforderlich?

Eine Fotodiode verhält sich bei Beleuchtung im Wesentlichen wie eine Stromquelle. Wenn sie ohne Reihenwiderstand direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen wird, gibt es keinen Mechanismus zur Strombegrenzung, was zu übermäßiger Verlustleistung und sofortigem Ausfall führt.

9.3 Wie wähle ich die Betriebssperrspannung?

Für den Photoleitungs-Modus kann eine Sperrspannung zwischen 5V und einem Wert sicher unterhalb der maximalen Nennspannung von 32V verwendet werden. Eine höhere Sperrspannung reduziert die Kapazität weiter (erhöht die Geschwindigkeit), erhöht aber auch den Dunkelstrom leicht. Ein üblicher Arbeitspunkt ist 5V oder 12V.

10. Design- und Anwendungsfallstudie

Fall: Objektzählung auf einem Förderband

Eine Infrarot-LED (940 nm) wird auf einer Seite des Förderbands platziert und die PD15-21B/TR8-Fotodiode direkt gegenüber. Objekte, die zwischen ihnen hindurchgehen, unterbrechen den Infrarotstrahl. Die Fotodiode wird im Photoleitungs-Modus mit einer 5V-Sperrspannung betrieben, die über einen 10-kΩ-Reihenwiderstand zum Schutz bereitgestellt wird. Der Spannungsabfall über einem Lastwiderstand (oder der Ausgang eines an die Fotodiode angeschlossenen Transimpedanzverstärkers) wird von einem Mikrocontroller überwacht. Ein plötzlicher Abfall dieser Spannung zeigt die Anwesenheit eines Objekts an und löst eine Zählung aus. Die schnelle Ansprechzeit der Fotodiode ermöglicht eine genaue Zählung von sich schnell bewegenden Objekten. Das kleine 1206-Gehäuse erleichtert die Integration in einen kompakten Sensorkopf.

11. Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement mit einem breiten, schwach dotierten intrinsischen (I) Bereich, der zwischen P- und N-dotierten Bereichen eingebettet ist. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters auf das Bauteil treffen, erzeugen sie im intrinsischen Bereich Elektron-Loch-Paare. Unter dem Einfluss des internen elektrischen Feldes (oder einer extern angelegten Sperrspannung) werden diese Ladungsträger getrennt, wodurch ein Fotostrom erzeugt wird, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Der intrinsische Bereich reduziert die Sperrschichtkapazität und ermöglicht im Vergleich zu Standard-PN-Fotodioden schnellere Ansprechzeiten.

12. Branchentrends

Der Trend in der Optoelektronik geht weiterhin in Richtung weiterer Miniaturisierung, höherer Integration und verbesserter Leistung. Die Nachfrage nach Sensoren in der Unterhaltungselektronik (Smartphones, Wearables), der Automobilindustrie (LiDAR, Fahrerüberwachung) und dem industriellen IoT wächst. Fotodioden wie die PD15-21B/TR8, die eine Balance aus Leistung, Größe und Kosten bieten, sind für diese Märkte gut positioniert. Zukünftige Entwicklungen können integrierte Fotodioden mit On-Chip-Verstärkung und digitalen Schnittstellen sowie Bauteile mit Empfindlichkeit für spezifische Wellenlängen für Spektralanalyseanwendungen umfassen.

Haftungsausschluss: Die in diesem Dokument bereitgestellten Informationen dienen der technischen Referenz. Entwickler sollten alle Parameter überprüfen und sicherstellen, dass ihre Anwendung innerhalb der spezifizierten absoluten Maximalwerte arbeitet. Die Leistung kann je nach Betriebsbedingungen variieren.