PD15-22B/TR8 Silizium-PIN-Fotodiode Datenblatt - Gehäuse 3,5x4,0x1,65mm - Sperrspannung 32V - Schwarze Linse - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PD15-22B/TR8 ist eine hochgeschwindigkeitsfähige, hochempfindliche Silizium-PIN-Fotodiode für Anwendungen, die eine schnelle optische Detektion erfordern. Sie ist in einem miniaturisierten, flachdeckigen Oberflächenmontagegehäuse (SMD) mit schwarzer Kunststoff-Ummantelung und einer schwarzen Linse untergebracht. Das Bauteil ist spektral auf sichtbare und nahinfrarote Lichtquellen abgestimmt, was es für eine Vielzahl von Sensoranwendungen geeignet macht.

Zu den wesentlichen Vorteilen dieser Komponente zählen ihre schnelle Ansprechzeit, die die Detektion schneller Lichtintensitätsänderungen ermöglicht, sowie ihre hohe Lichtempfindlichkeit, die einen zuverlässigen Betrieb selbst bei schwachen Lichtverhältnissen gewährleistet. Die geringe Sperrschichtkapazität trägt zur hohen Geschwindigkeitsleistung bei. Das Produkt entspricht Umweltstandards: bleifrei (Pb-frei), RoHS-konform, EU-REACH-konform und halogenfrei (Brom <900 ppm, Chlor <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm).

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für einen zuverlässigen Betrieb innerhalb der spezifizierten Grenzwerte ausgelegt. Das Überschreiten dieser absoluten Maximalwerte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Sperrspannung (VR):32 V. Dies ist die maximale Spannung, die im Sperrzustand angelegt werden kann, ohne einen Durchbruch zu verursachen.
• Betriebstemperatur (Topr):-40°C bis +85°C. Dies definiert den Umgebungstemperaturbereich für den normalen Betrieb des Bauteils.
• Lagertemperatur (Tstg):-40°C bis +100°C. Das Bauteil kann innerhalb dieses Bereichs gelagert werden, wenn es nicht in Betrieb ist.
• Löttemperatur (Tsol):260°C für maximal 5 Sekunden. Dies ist kritisch für Reflow-Lötprozesse.
• Verlustleistung (Pc):150 mW. Die maximale Leistung, die das Bauteil sicher abführen kann.
• ESD HMB Level:Mindestens 2000V. Zeigt die Robustheit des Bauteils gegenüber elektrostatischen Entladungen gemäß Human Body Model an.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter werden bei Ta=25°C gemessen und definieren die Kernleistung der Fotodiode.

• Spektralbandbreite (λ):730 nm bis 1100 nm (bei 10% der Spitzenempfindlichkeit). Das Bauteil reagiert auf Licht innerhalb dieses Wellenlängenbereichs, mit Spitzenempfindlichkeit im Nahinfrarotbereich.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λP):Typischerweise 940 nm. Die Wellenlänge, bei der die Fotodiode am empfindlichsten ist.
• Leerlaufspannung (VOC):Typischerweise 0,41 V bei einer Bestrahlungsstärke (Ee) von 5 mW/cm² bei λP=940nm. Dies ist die Spannung, die bei offenen Anschlüssen erzeugt wird.
• Kurzschlussstrom (ISC):Mindestens 4,0 μA, typischerweise 6,5 μA bei Ee=1 mW/cm² und λP=875nm. Dies ist der Strom, der bei kurzgeschlossenen Anschlüssen erzeugt wird.
• Fotostrom bei Sperrspannung (IL):Mindestens 4,2 μA, typischerweise 6,5 μA bei Ee=1 mW/cm², λP=875nm und VR=5V. Dies ist der Fotostrom, der erzeugt wird, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist – der typische Betriebsmodus für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
• Dunkelstrom (ID):Maximal 10 nA bei VR=10V in völliger Dunkelheit. Dies ist der geringe Leckstrom, der auch bei Abwesenheit von Licht fließt.
• Sperrspannungs-Durchbruchspannung (BVR):Mindestens 32 V, typischerweise 170 V gemessen bei einem Sperrstrom (IR) von 100 μA im Dunkeln.
• Anstiegs-/Abfallzeit (tr, tf):Typischerweise jeweils 10 ns bei VR=5V und RL=1000 Ω. Dies definiert die Schaltgeschwindigkeit der Fotodiode.
• Öffnungswinkel (2θ1/2):Typischerweise 130 Grad bei VR=5V. Dies weist auf ein großes Sichtfeld für die Lichtdetektion hin.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die für Entwicklungsingenieure wesentlich sind.

3.1 Spektrale Empfindlichkeit

Die spektrale Empfindlichkeitskurve zeigt die relative Empfindlichkeit der Fotodiode über verschiedene Wellenlängen hinweg. Sie bestätigt die Spitzenempfindlichkeit bei etwa 940 nm, mit einer nutzbaren Ansprechbarkeit von 730 nm bis 1100 nm. Dies macht sie ideal geeignet für Infrarot-Emitter wie z.B. solche mit 850nm oder 940nm Wellenlänge, die häufig in Fernbedienungen, Annäherungssensoren und Datenkommunikationsverbindungen verwendet werden.

3.2 Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Diese Kurve veranschaulicht, wie der Dunkelstrom (ID) exponentiell mit steigender Umgebungstemperatur zunimmt. Bei 25°C liegt er unter 10 nA, kann aber bei höheren Temperaturen (z.B. 85°C) deutlich ansteigen. Entwickler müssen diesen erhöhten Grundrauschpegel in Hochtemperaturanwendungen oder bei der Detektion sehr schwacher Lichtpegel berücksichtigen.

3.3 Fotostrom bei Sperrspannung in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke

Dieses Diagramm zeigt den linearen Zusammenhang zwischen dem Fotostrom bei Sperrspannung (IL) und der einfallenden Bestrahlungsstärke (Ee). Die Fotodiode weist eine gute Linearität auf, was bedeutet, dass der Ausgangsstrom über ihren Arbeitsbereich direkt proportional zur Lichtintensität ist. Dies ist entscheidend für analoge Lichtsensoranwendungen, bei denen eine genaue Intensitätsmessung erforderlich ist.

3.4 Anschlusskapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung

Die Sperrschichtkapazität nimmt mit zunehmender Sperrspannung (VR) ab. Eine geringere Kapazität ist für Hochgeschwindigkeitsbetrieb wünschenswert, da sie die RC-Zeitkonstante der Schaltung verringert. Die Kurve zeigt, dass das Anlegen einer höheren Sperrspannung (z.B. 10V statt 5V) die Kapazität deutlich reduzieren kann, wodurch Bandbreite und Ansprechzeit verbessert werden.

3.5 Ansprechzeit in Abhängigkeit vom Lastwiderstand

Diese Kurve demonstriert den Kompromiss zwischen Ansprechgeschwindigkeit und Signalamplitude. Die Anstiegs-/Abfallzeit nimmt mit höherem Lastwiderstand (RL) zu. Für die schnellste Reaktion sollte ein Lastwiderstand mit niedrigem Wert (z.B. 50 Ω) verwendet werden, dies erzeugt jedoch ein kleineres Spannungssignal. Ein Transimpedanzverstärker wird häufig eingesetzt, um diese Einschränkung zu überwinden und sowohl hohe Geschwindigkeit als auch gute Signalverstärkung zu bieten.

3.6 Relativer Fotostrom in Abhängigkeit vom Winkel

Diese Darstellung charakterisiert die Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit der Fotodiode. Der weite Öffnungswinkel von 130 Grad wird bestätigt; sie zeigt, dass das detektierte Signal auch bei Lichteinfall in signifikantem Winkel zur Mittelachse relativ hoch bleibt. Dies ist vorteilhaft für Anwendungen, bei denen die Ausrichtung nicht perfekt ist oder ein breites Detektionsfeld benötigt wird.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die PD15-22B/TR8 ist in einem kompakten SMD-Gehäuse erhältlich. Die wichtigsten Abmessungen sind wie folgt (alle in mm, Toleranz ±0,1mm sofern nicht anders angegeben):

• Gesamtlänge: 4,0 mm
• Gesamtbreite: 3,5 mm
• Gesamthöhe: 1,65 mm (typisch, von der Auflageebene bis zur Linsenoberseite)
• Anschlussbreite: 1,55 mm ±0,05 mm
• Anschlussabstand (Pitch): 2,95 mm
• Für das PCB-Layout werden Empfehlungen für die Lötflächengeometrie (Land Pattern) bereitgestellt.

Anode und Kathode sind auf der Gehäusezeichnung klar gekennzeichnet. Pin 1 ist die Kathode.

4.2 Abmessungen von Trägerband und Rolle

Das Bauteil wird auf Trägerband und Rolle für die automatisierte Montage geliefert. Die Rolle enthält 2000 Stück. Detaillierte Abmessungen für die Taschen des Trägerbands und der Rolle werden bereitgestellt, um die Kompatibilität mit Standard-Bestückungsautomaten sicherzustellen.

5. Richtlinien für Lötung und Montage

5.1 Lagerung und Feuchtigkeitsempfindlichkeit

Die Fotodiode ist feuchtigkeitsempfindlich. Es müssen Vorkehrungen getroffen werden, um Schäden während der Lagerung und Handhabung zu vermeiden.

• Öffnen Sie die feuchtigkeitsdichte Verpackung erst unmittelbar vor der Verwendung.
• Vor dem Öffnen bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit lagern.
• Innerhalb eines Jahres nach Versand verwenden.
• Nach dem Öffnen bei ≤30°C und ≤60% relativer Luftfeuchtigkeit lagern.
• Innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen) nach dem Öffnen der Verpackung verwenden.
• Wird die Lagerzeit überschritten oder zeigt der Trockenmittelbeutel Feuchtigkeit an, muss das Bauteil vor der Verwendung mindestens 24 Stunden bei 60 ±5°C getrocknet (gebakt) werden.

5.2 Reflow-Lötprofil

Ein empfohlenes bleifreies Reflow-Löttemperaturprofil wird bereitgestellt. Wichtige Parameter umfassen:

• Aufheiz- und Haltezone.
• Spitzentemperatur darf 260°C nicht überschreiten.
• Die Zeit oberhalb von 240°C sollte kontrolliert werden.
• Reflow-Lötung sollte nicht öfter als zweimal durchgeführt werden.
• Vermeiden Sie mechanische Belastung des Bauteils während des Erhitzens.
• Verbiegen Sie die Leiterplatte nach dem Löten nicht.

5.3 Handlötung und Nacharbeit

Falls Handlötung notwendig ist:

• Verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Spitzentemperatur <350°C.
• Begrenzen Sie die Kontaktzeit auf ≤3 Sekunden pro Anschluss.
• Verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Leistung <25W.
• Halten Sie eine Abkühlpause von >2 Sekunden zwischen dem Löten jedes Anschlusses ein.
• Nacharbeit nach dem Löten wird nicht empfohlen. Falls unvermeidbar, verwenden Sie einen Zwillingslötkolben, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und thermische Belastung zu minimieren. Überprüfen Sie die Funktionalität des Bauteils nach jeder Nacharbeit.

6. Anwendungshinweise und Design-Überlegungen

6.1 Typische Anwendungen

• Hochgeschwindigkeits-Fotodetektor:Geeignet für optische Datenverbindungen, Encoder und Laserdetektion aufgrund ihrer 10 ns Ansprechzeit.
• Kopierer und Scanner:Verwendet zur Detektion von Dokumenten, Kantenerkennung und Tonerdichtemessung.
• Spielautomaten und Unterhaltungselektronik:Eingesetzt bei Annäherungserkennung, Gestenerkennung und IR-Fernbedienungsempfängern.

6.2 Kritische Design-Aspekte

• Strombegrenzung/Schutz:Das Datenblatt warnt ausdrücklich, dass ein externer Vorwiderstand ZWINGEND zum Schutz verwendet werden MUSS. Eine geringe Spannungsänderung kann eine große Stromänderung verursachen, die möglicherweise zur Zerstörung führt. Dieser Widerstand begrenzt den Strom durch die Diode.
• Vorspannung für Geschwindigkeit:Für optimale Hochgeschwindigkeitsleistung sollte die Fotodiode im Sperrspannungsmodus (photoleitender Modus) betrieben werden. Eine höhere Sperrspannung (bis zum Maximalwert) verringert die Sperrschichtkapazität und verbessert die Ansprechzeit, wie in den Kennlinien gezeigt.
• Schaltungstopologie:Für die Umwandlung des Fotostroms in eine Spannung sollte die Verwendung eines Transimpedanzverstärkers (TIA) in Betracht gezogen werden. Diese Konfiguration bietet niedrige Eingangsimpedanz (hält die Fotodiodenspannung konstant, was Kapazitätsmodulation minimiert), hohe Bandbreite und einstellbare Verstärkung. Die Wahl des Rückkopplungswiderstands und der Verstärkerbandbreite bestimmt die Gesamtsystemleistung.
• Optisches Design:Die schwarze Linse hilft, die Empfindlichkeit gegenüber Streulicht zu reduzieren. Stellen Sie sicher, dass der optische Pfad sauber und frei von Hindernissen ist. Der weite Öffnungswinkel von 130 Grad bietet Flexibilität bei der mechanischen Ausrichtung.
• Thermisches Management:Berücksichtigen Sie den Anstieg des Dunkelstroms mit der Temperatur, insbesondere bei hochpräzisen oder Hochtemperaturanwendungen. Temperaturkompensationsschaltungen können erforderlich sein.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Das Standardverpackungsverfahren umfasst das Einlegen der Rollen in eine aluminiumbeschichtete Feuchtigkeitsschutzfolie zusammen mit einem Trockenmittel und entsprechenden Etiketten. Das Etikett enthält Felder für Kunden-Teilenummer (CPN), Produktnummer (P/N), Menge (QTY), Kategorie (CAT), Spitzenwellenlänge (HUE), Referenz (REF), Losnummer (LOT No.) und Produktionsort.

Die Bauteilauswahltabelle bestätigt, dass das Modell PD15-22B/TR8 einen Silizium-Chip verwendet und eine schwarze Linse besitzt.

8. Technischer Vergleich und Positionierung

Die PD15-22B/TR8 positioniert sich als universelle, hochgeschwindigkeitsfähige Silizium-PIN-Fotodiode in einem Standard-SMD-Gehäuse. Ihre wesentlichen Unterscheidungsmerkmale sind die ausgewogene Kombination aus Geschwindigkeit (10 ns), Empfindlichkeit, weitem Blickwinkel und robuster Umweltkonformität (RoHS, halogenfrei). Im Vergleich zu langsameren Fotodioden oder Fototransistoren bietet sie überlegene Leistung für gepulste Lichtdetektion. Im Vergleich zu spezialisierteren, ultrahochgeschwindigen Fotodioden bietet sie eine kosteneffektive Lösung für Mainstream-Anwendungen, die Ansprechzeiten im Nanosekundenbereich erfordern. Die schwarze Linse ist in Umgebungen mit Umgebungslicht ein Vorteil gegenüber Versionen mit klarer Linse, da sie hilft, unerwünschte Signale zu unterdrücken.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Unterschied zwischen Kurzschlussstrom (ISC) und Fotostrom bei Sperrspannung (IL)?

A: ISC wird bei Null Spannung über der Diode (Kurzschlussbedingung) gemessen. IL wird mit einer angelegten Sperrspannung (z.B. 5V) gemessen. IL ist typischerweise der in der Schaltungsentwicklung verwendete Parameter, da Fotodioden üblicherweise in Sperrrichtung für Linearität und Geschwindigkeit betrieben werden.

F: Warum ist ein Vorwiderstand zwingend erforderlich?

A: Die I-V-Kennlinie einer Fotodiode ist in Durchlassrichtung sehr steil. Eine kleine Erhöhung der Durchlassspannung kann einen sehr großen, möglicherweise zerstörerischen Stromfluss verursachen. Der Vorwiderstand begrenzt diesen Strom auf einen sicheren Wert.

F: Wie wähle ich die Betriebssperrspannung?

A: Es handelt sich um einen Kompromiss. Eine höhere Sperrspannung (z.B. 10-20V) verringert die Kapazität für schnellere Reaktion, erhöht aber leicht den Dunkelstrom und den Leistungsverbrauch. Eine niedrigere Spannung (z.B. 5V) ist für viele Anwendungen ausreichend und hält den Dunkelstrom minimal. Siehe die Kapazität-gegen-Spannung-Kurve.

F: Kann diese Fotodiode sichtbares Licht detektieren?

A: Ja, ihr spektraler Bereich beginnt bei 730 nm, was im tiefroten Teil des sichtbaren Spektrums liegt. Ihre Spitzenempfindlichkeit liegt jedoch im Nahinfrarot (940 nm), daher ist ihre Empfindlichkeit für sichtbares Licht (insbesondere Blau und Grün) geringer als für IR-Licht.

10. Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement, das Licht in elektrischen Strom umwandelt. Sie besteht aus einer breiten, schwach dotierten intrinsischen (I) Zone, die zwischen einer P- und einer N-dotierten Halbleiterzone eingebettet ist (bildet die P-I-N-Struktur). Wenn Photonen mit ausreichender Energie auf die intrinsische Zone treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Unter dem Einfluss eines internen elektrischen Feldes (oft durch eine externe Sperrspannung verstärkt) werden diese Ladungsträger getrennt, wodurch ein Fotostrom erzeugt wird, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Zone ermöglicht im Vergleich zu einer Standard-PN-Fotodiode einen höheren Quantenwirkungsgrad (mehr Lichtabsorption) und eine geringere Sperrschichtkapazität, was sich direkt in höherer Empfindlichkeit und schnelleren Ansprechzeiten niederschlägt.

11. Branchentrends

Die Nachfrage nach Fotodioden wie der PD15-22B/TR8 wird durch mehrere anhaltende Trends getrieben. Die Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) und intelligenter Geräte erhöht den Bedarf an Umgebungslichtsensoren, Annäherungssensoren und einfachen optischen Kommunikationsverbindungen. Die Automatisierung in Industrie- und Verbrauchersektoren stützt sich auf optische Encoder und Objekterkennungssensoren. Es gibt einen kontinuierlichen Druck zur Miniaturisierung, was zu kleineren SMD-Gehäusen führt, und zur höheren Integration, bei der Fotodioden mit Verstärkungs- und Signalaufbereitungsschaltungen in einzelnen Modulen kombiniert werden. Darüber hinaus macht die Betonung von Energieeffizienz und Umweltverantwortung die Einhaltung von Standards wie RoHS und halogenfreier Fertigung zu einer Grundvoraussetzung für Komponenten, die auf globalen Märkten eingesetzt werden.