PD70-01B/TR10 Silizium-Planar-PIN-Fotodiode Datenblatt - 2.0x1.25x0.7mm - Sperrspannung 32V - Spitzenempfindlichkeit 940nm - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PD70-01B/TR10 ist eine Silizium-Planar-PIN-Fotodiode, die für hochempfindliche Lichtdetektion über einen breiten Spektralbereich konzipiert ist. Ihre Kernvorteile ergeben sich aus der PIN-Struktur, die eine intrinsische (I) Zone zwischen den P- und N-dotierten Halbleiterschichten aufweist. Diese intrinsische Zone verbreitert die Verarmungszone, was zu mehreren entscheidenden Leistungsvorteilen für optoelektronische Anwendungen führt.

Kernvorteile & Zielmarkt:Das Bauteil bietet aufgrund der reduzierten Sperrschichtkapazität und effizienten Ladungsträgersammlung in der PIN-Struktur hohe Empfindlichkeit und schnelle Schaltzeiten. Der geringe Dunkelstrom gewährleistet ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis. In Kombination mit der kompakten Bauform und dem integrierten Tageslichtfilter (schwarze Linse) ist es ideal geeignet für vielfältige Anwendungen, darunter Fernbedienungen in der Unterhaltungselektronik (TV, Haushaltsgeräte), Infrarot-Tonsysteme, Kopierer, Aufzugssensoren sowie verschiedene industrielle Mess- und Steuerungssysteme, die zuverlässige optische Erfassung erfordern.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Limits, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden auftreten können. Ein Dauerbetrieb an diesen Grenzen wird nicht empfohlen.

• Sperrspannung (V_R):32V. Dies ist die maximale Spannung, die in Sperrrichtung an die Fotodiodenanschlüsse angelegt werden darf.
• Verlustleistung (P_d):150 mW bei 25°C. Dies begrenzt die gesamte elektrische Leistung, die das Bauteil verarbeiten kann, hauptsächlich bestimmt durch den Sperrstrom und eventuellen Fotostrom unter hoher Beleuchtung.
• Temperaturbereiche:Betrieb: -25°C bis +85°C; Lagerung: -40°C bis +85°C. Das Bauteil ist für einen breiten industriellen Temperaturbereich ausgelegt.
• Löttemperatur (T_sol):260°C für maximal 5 Sekunden. Dies ist entscheidend für bleifreie Reflow-Lötprozesse.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen (Ta=25°C)

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter typischen Betriebsbedingungen.

• Spektrale Bandbreite (λ_0.5):730 nm bis 1100 nm. Dies definiert den Wellenlängenbereich, in dem die Empfindlichkeit der Fotodiode mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Sie ist empfindlich vom sichtbaren Rot bis in das nahe Infrarot (NIR) Spektrum.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λ_P):940 nm (typisch). Das Bauteil ist für maximale Ansprechbarkeit im gebräuchlichen NIR-Bereich optimiert, was mit der Emission vieler IR-LEDs übereinstimmt.
• Kurzschlussstrom (I_SC):35 μA (typisch) bei einer Bestrahlungsstärke von 1 mW/cm² bei 875 nm. Dieser Parameter wird bei Null-Bias-Spannung (Photovoltaik-Modus) gemessen.
• Fotostrom in Sperrrichtung (I_L):25 μA (typisch) bei V_R=5V unter denselben Bedingungen (1 mW/cm², 875 nm). Der Betrieb in Sperrrichtung (Photoleitungs-Modus) liefert im Vergleich zum Photovoltaik-Modus generell eine höhere und schnellere Ansprechzeit.
• Dunkelstrom in Sperrrichtung (I_D):5 nA (typisch), 30 nA (max) bei V_R=10V. Dies ist der Leckstrom bei völliger Dunkelheit. Ein niedriger Dunkelstrom ist für die Detektion schwacher Lichtsignale unerlässlich.
• Durchbruchspannung in Sperrrichtung (V_BR):170V (typisch), mit einem Minimum von 32V. Dies ist die Spannung, bei welcher der Sperrstrom stark ansteigt. Die normale Betriebssperrspannung sollte deutlich unter diesem Wert liegen.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien, die für das Design entscheidend sind.

• Spektrale Empfindlichkeitskurve:Dieses Diagramm zeigt die relative Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Es bestätigt das Maximum bei ~940 nm und die definierte Bandbreite von 730 nm bis 1100 nm. Die integrierte schwarze Linse fungiert als Sichtlichtfilter und dämpft die Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich, um Rauschen durch Umgebungslicht (Tageslicht) zu reduzieren.
• Fotostrom in Sperrrichtung vs. Bestrahlungsstärke (Ee):Diese Kurve veranschaulicht den linearen Zusammenhang zwischen dem erzeugten Fotostrom (I_L) und der einfallenden Lichtleistungsdichte. Die Linearität ist ein Schlüsselmerkmal von PIN-Fotodioden und macht sie für Lichtmessanwendungen geeignet.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die PD70-01B/TR10 ist in einem sehr kleinen Oberflächenmontagegehäuse erhältlich. Wichtige Abmessungen (in mm) umfassen eine Gehäusegröße von ca. 2,0 x 1,25 bei einer Höhe von 0,7 mm. Die Kathode ist typischerweise durch eine markierte Ecke oder eine Kerbe am Gehäuse gekennzeichnet. Detaillierte Maßzeichnungen mit Toleranzen von ±0,1mm sind für das Leiterplatten-Layout-Design verfügbar.

4.2 Polungskennzeichnung

Eine klare Polungskennzeichnung ist für die korrekte Installation unerlässlich. Das Gehäusediagramm im Datenblatt zeigt die Anschlüsse für Anode und Kathode. Eine falsche Polung bei Anlegen einer Sperrspannung führt zu einer Flusspolung der Diode, was möglicherweise einen hohen Stromfluss und Beschädigung verursacht.

5. Richtlinien für Lötung und Montage

Eine sachgemäße Handhabung ist für die Zuverlässigkeit entscheidend.

5.1 Lagerung und Feuchtigkeitsempfindlichkeit

Das Bauteil ist feuchtigkeitsempfindlich. Vorsichtsmaßnahmen umfassen: Lagerung im original versiegelten Beutel bei ≤30°C/90% rel. Luftfeuchte; Verwendung innerhalb von 1 Jahr nach Versand; nach Öffnen Lagerung bei ≤30°C/70% rel. Luftfeuchte und Verwendung innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen). Bei Überschreitung ist vor dem Löten eine Trocknung bei 60±5°C für 24 Stunden erforderlich.

5.2 Lötbedingungen

• Reflow-Lötung:Ein bleifreies Löttemperaturprofil wird empfohlen, mit einer Spitzentemperatur von 260°C für bis zu 5 Sekunden. Der Reflow-Vorgang sollte nicht mehr als zweimal durchgeführt werden.
• Handlötung:Falls erforderlich, verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Temperatur <350°C und einer Leistung <25W. Die Kontaktzeit pro Anschluss sollte <3 Sekunden betragen, mit Pausen >2 Sekunden zwischen den Anschlüssen, um thermische Belastung zu vermeiden.
• Reparatur:Nach dem Löten nicht empfohlen. Falls unvermeidbar, muss zum Entfernen ein Doppelspitzen-Lötkolben verwendet werden, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und mechanische Belastung des Halbleiterchips zu verhindern.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackung ist eine Rolle mit 1000 Stück (1000PCS/Rolle). Die Rollenabmessungen sind für die Handhabung durch automatisierte Bestückungsgeräte spezifiziert. Das Etikett auf der Rolle enthält wichtige Informationen wie Artikelnummer (P/N), Losnummer (LOT No), Menge (QTY) und andere Rückverfolgungscodes.

7. Anwendungshinweise und Design-Überlegungen

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

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 geringes Rauschen, hat jedoch eine langsamere Ansprechgeschwindigkeit und geringere Linearität.
2. Photoleitungs-Modus (Sperrrichtung):Es wird eine externe Sperrspannung angelegt (z.B. 5V wie in der I_LTestbedingung). Dieser Modus verbreitert die Verarmungszone weiter, reduziert die Sperrschichtkapazität und führt zudeutlich schnelleren Schaltzeitenund höherer Linearität über einen größeren Lichtintensitätsbereich. Dies ist der bevorzugte Modus für Hochgeschwindigkeitsdetektion wie bei IR-Fernbedienungsempfängern.

7.2 Kritische Design-Vorsichtsmaßnahmen

• Strombegrenzung/Schutz:Beim Betrieb in einer Schaltung MUSS ein Vorwiderstand verwendet werden, um den Strom zu begrenzen. Wie in den Vorsichtsmaßnahmen angegeben, "kann eine leichte Spannungsänderung einen großen Stromanstieg verursachen (was zu einem Durchbrennen führen kann)." Dies liegt daran, dass eine Fotodiode in Sperrrichtung, wenn sie sehr hoher Lichtintensität ausgesetzt ist oder versehentlich in Flussrichtung gepolt wird, übermäßigen Strom leiten kann.
• Leiterplatten-Layout:Minimieren Sie die parasitäre Kapazität und Induktivität in den Leiterbahnen, die die Fotodiode mit dem Verstärker oder Komparator verbinden. Dies ist entscheidend für die Erhaltung der Hochgeschwindigkeitsleistung.
• Unterdrückung von Umgebungslicht:Die eingebaute schwarze Linse hilft, aber für optimale Leistung bei Umgebungslicht können optische Filterung (ein zusätzlicher IR-Passfilter) und elektrische Filterung (synchrone Detektion) erforderlich sein.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die PD70-01B/TR10 unterscheidet sich durch ihre Kombination von Merkmalen in einem kompakten SMD-Gehäuse:

• vs. Standard-Fotodioden:Die PIN-Struktur bietet eine geringere Kapazität und schnellere Ansprechzeit als Standard-PN-Fotodioden.
• vs. Größere PIN-Dioden:Ihr winziger Bauraum von 2,0x1,25mm ermöglicht hochdichte Leiterplatten-Designs, bei denen der Platz begrenzt ist.
• Integrierter Filter:Der integrierte Tageslichtfilter (schwarzes Epoxid) vereinfacht das Design, da kein externer Filter zur Blockierung von sichtbarem Lichtrauschen benötigt wird.
• Robuste Grenzwerte:Ein breiter Betriebstemperaturbereich (-25°C bis +85°C) und eine hohe typische Durchbruchspannung (170V) bieten Designreserven und Zuverlässigkeit.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Zweck des "Tageslichtfilters"?

A: Das schwarze Linsenmaterial dämpft Licht im sichtbaren Spektrum (ca. 400-700 nm), während es nahes Infrarotlicht (700-1100 nm) durchlässt. Dies reduziert die Störung durch Umgebungsbeleuchtung in Innenräumen (Leuchtstofflampen, LED, Glühlampen), die sichtbares Licht enthält, und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis für IR-basierte Systeme.

F: Sollte ich diesen für einen IR-Fernbedienungsempfänger im Photovoltaik- oder Photoleitungs-Modus verwenden?

A: Für IR-Fernbedienungsanwendungen, die eine schnelle Impulserkennung erfordern (typischerweise 38-56 kHz Trägerfrequenz), ist derPhotoleitungs-Modus (Sperrrichtung)zwingend erforderlich. Die reduzierte Kapazität in diesem Modus ermöglicht es dem Bauteil, auf die Hochfrequenzmodulation zu reagieren.

F: Wie berechne ich den Wert des erforderlichen Vorwiderstands?

A: Der Widerstand begrenzt den maximalen Strom. Wenn eine Sperrspannung V_R angelegt wird und der maximal erwartete Fotostrom I_max beträgt, kann ein einfacher Vorwiderstand R eingesetzt werden. Der Spannungsabfall über ihm sollte die Vorspannung an der Diode nicht wesentlich reduzieren. Zum Beispiel: Bei V_R= 5V und I_max~ 50μA würde ein Widerstand von 10kΩ nur 0,5V abfallen lassen, sodass 4,5V über der Diode verbleiben. Der Widerstand schützt auch vor versehentlicher Flusspolung.

10. Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode arbeitet nach dem Prinzip des inneren photoelektrischen Effekts. Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters werden in der intrinsischen Zone absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paare. Das starke elektrische Feld in der in Sperrrichtung gepolten Verarmungszone (die durch die intrinsische Schicht vergrößert wird) trennt diese Ladungsträger schnell und lässt sie zu den jeweiligen Anschlüssen driften. Diese Ladungsbewegung bildet einen Fotostrom, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Zone ist der Schlüssel: Sie vergrößert das Volumen für die Photonenabsorption (verbessert die Empfindlichkeit) und reduziert die Sperrschichtkapazität (ermöglicht höhere Geschwindigkeit).

11. Branchentrends

Die Nachfrage nach kompakten, schnellen und empfindlichen Fotodetektoren wächst weiter. Trends, die Bauteile wie die PD70-01B/TR10 beeinflussen, umfassen:

• Miniaturisierung:Der Trend zu kleineren Geräten der Unterhaltungselektronik und IoT-Geräten treibt den Bedarf an immer kleineren optischen Sensoren mit beibehaltener oder verbesserter Leistung.
• Erhöhte Integration:Während diskrete Fotodioden weiterhin essentiell sind, gibt es einen Trend zur Integration der Fotodiode mit einem Transimpedanzverstärker (TIA) und anderen Signalaufbereitungsschaltungen in ein einziges Gehäuse, was das Design vereinfacht.
• Ausweitung der NIR-Anwendungen:Über traditionelle Fernbedienungen hinaus breitet sich die NIR-Sensorik in Bereiche wie Annäherungserkennung, Gestenerkennung, Spektralanalyse und biomedizinische Überwachung aus, die alle zuverlässige Fotodetektoren erfordern.
• Verschärfte Zuverlässigkeitsstandards:Die Einhaltung von Umweltvorschriften (RoHS, REACH, halogenfrei) und strengen Automobil-/Industrie-Zuverlässigkeitsklassen wird für Komponenten, die in verschiedenen Märkten eingesetzt werden, zum Standard.