1,8 mm runde subminiaturisierte Silizium-PIN-Fotodiode PD42-21B/TR8 Datenblatt - Abmessungen 1,8 mm Durchmesser - Schwarze Linse - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PD42-21B/TR8 ist eine schnelle, hochempfindliche Silizium-PIN-Fotodiode für Infrarot-Erkennungsanwendungen. Das Bauteil ist in einem miniaturisierten, 1,8 mm durchmessenden, kugelförmigen Top-View-Linsengehäuse (SMD) mit schwarzer Kunststoff-Umspritzung untergebracht und spektral auf den Einsatz mit gängigen Infrarot-Emissionsdioden abgestimmt. Seine Hauptfunktion ist die Umwandlung von einfallendem Licht, insbesondere im Infrarotspektrum, in einen elektrischen Strom.

Die Kernvorteile des Bauteils ergeben sich aus seiner schnellen Ansprechzeit, hohen Lichtempfindlichkeit und geringen Sperrschichtkapazität, was es für Anwendungen geeignet macht, die eine schnelle und zuverlässige Lichterkennung erfordern. Es wird in einer bandolierbaren T&R-Verpackung geliefert, die mit automatisierten Bestückungsprozessen kompatibel ist, und entspricht modernen Umweltstandards durch bleifreie (Pb-free) Ausführung, RoHS-Konformität, EU-REACH-Konformität und halogenfreie Bauweise.

2. Vertiefung der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Sperrspannung (VR):32 V - Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung an die Fotodioden-Anschlüsse angelegt werden darf.
• Betriebstemperatur (Topr):-25°C bis +85°C - Der Umgebungstemperaturbereich für den normalen Betrieb des Bauteils.
• Lagertemperatur (Tstg):-40°C bis +85°C - Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Löttemperatur (Tsol):260°C für maximal 5 Sekunden - Die maximale Spitzentemperatur während des Reflow-Lötens.
• Verlustleistung (Pd):150 mW bei 25°C - Die maximale Leistung, die das Bauteil abführen kann.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter, gemessen bei 25°C, definieren die Leistung der Fotodiode unter spezifizierten Testbedingungen.

• Spektralbandbreite (λ0.5):730 nm bis 1100 nm - Der Wellenlängenbereich, in dem die Empfindlichkeit der Fotodiode mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Dies definiert ihr Empfindlichkeitsfenster.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λP):940 nm (typisch) - Die Lichtwellenlänge, bei der die Fotodiode am empfindlichsten ist. Dies macht sie kompatibel mit gängigen 940nm IR-LEDs.
• Leerlaufspannung (VOC):0,42 V (typisch) bei Ee=5 mW/cm², λP=940nm - Die an den Fotodioden-Anschlüssen unter Beleuchtung erzeugte Spannung, wenn kein Strom entnommen wird (Leerlauf).
• Kurzschlussstrom (ISC):4,0 μA (typisch) bei Ee=1 mW/cm², λP=875nm - Der Strom, der durch die Fotodiode fließt, wenn ihre Anschlüsse unter Beleuchtung kurzgeschlossen sind.
• Sperrlichtstrom (IL):4,0 μA (typisch) bei Ee=1 mW/cm², λP=875nm, VR=5V - Der Fotostrom, der erzeugt wird, wenn das Bauteil in Sperrrichtung vorgespannt ist. Dies ist der primäre Betriebsparameter für die meisten Detektorschaltungen.
• Dunkelstrom (ID):10 nA (max.) bei VR=10V - Der geringe Sperrleckstrom, der fließt, wenn das Bauteil in völliger Dunkelheit ist. Niedrigere Werte deuten auf ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis hin.
• Sperr-Durchbruchspannung (VBR):32 V (min.), 170 V (typ.) bei IR=100μA - Die Spannung, bei der der Sperrstrom stark ansteigt. Betrieb in der Nähe oder über dieser Spannung kann zu Schäden führen.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien, die einen visuellen Einblick in das Bauteilverhalten über Einzelpunkt-Spezifikationen hinaus geben.

3.1 Spektrale Empfindlichkeit (Abb. 1)

Diese Kurve stellt die relative Empfindlichkeit der Fotodiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts dar. Sie bestätigt grafisch die Spektralbandbreite und die Spitzenempfindlichkeit bei 940nm. Die Kurve zeigt einen steilen Anstieg der Empfindlichkeit ab etwa 700nm, ein Maximum bei 940nm und dann ein allmähliches Abfallen bis etwa 1100nm. Diese Form ist charakteristisch für siliziumbasierte Fotodetektoren.

3.2 Sperrlichtstrom vs. Bestrahlungsstärke (Abb. 2)

Dieses Diagramm veranschaulicht die Beziehung zwischen dem erzeugten Fotostrom (IL) und der einfallenden Lichtleistungsdichte (Ee). Für eine PIN-Fotodiode, die im fotoleitenden Modus (in Sperrrichtung vorgespannt) betrieben wird, ist diese Beziehung typischerweise über einen weiten Bereich linear. Diese Linearität ist entscheidend für analoge Lichtsensoranwendungen, bei denen das Ausgangssignal direkt proportional zur Lichtintensität sein muss.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die PD42-21B/TR8 ist ein rundes subminiaturisiertes Bauteil mit einem Gehäusedurchmesser von 1,8 mm. Die detaillierte mechanische Zeichnung liefert alle kritischen Abmessungen einschließlich Gesamthöhe, Linsenform, Anschlussabstand und Lötflächenempfehlungen. Das vorgeschlagene Lötflächenlayout dient als Referenz; Designer sollten es basierend auf ihren spezifischen PCB-Designregeln und thermischen/mechanischen Anforderungen anpassen. Alle Maßtoleranzen betragen typischerweise ±0,1 mm, sofern nicht anders angegeben.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Das Bauteil hat zwei Anschlüsse. Eine korrekte Polungsanschaltung ist für den ordnungsgemäßen Betrieb in einer Sperrspannungsschaltung unerlässlich. Die Zeichnung im Datenblatt zeigt Kathode und Anode. Typischerweise kennzeichnet der längere Anschlussdraht oder eine spezifische Markierung auf dem Gehäuse die Kathode. Das Anschließen der Kathode an eine positivere Spannung (in Sperrrichtung) ist der Standardbetriebszustand.

4.3 Verpackungsspezifikation

Das Bauteil wird in geprägter Trägerbandverpackung auf 7-Zoll-Spulen geliefert. Die Bandabmessungen (Taschengröße, Teilung usw.) sind spezifiziert, um die Kompatibilität mit Standard-SMD-Bestückungsgeräten sicherzustellen. Jede Spule enthält 1000 Stück, eine gängige Menge für die mittlere Serienfertigung.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

5.1 Reflow-Lötprofil

Das Bauteil ist für bleifreie (Pb-free) Reflow-Lötprozesse geeignet. Die maximale Spitzentemperatur darf 260°C nicht überschreiten, und die Zeit oberhalb von 260°C sollte begrenzt sein. Die Gesamtzahl der Reflow-Zyklen sollte zwei nicht überschreiten, um thermische Spannungsschäden am Kunststoffgehäuse und der internen Chip-Verbindung zu verhindern.

5.2 Handlöten

Falls manuelles Löten erforderlich ist, ist äußerste Vorsicht geboten. Die Temperatur der Lötspitze sollte unter 350°C liegen, und die Kontaktzeit pro Anschluss sollte auf 3 Sekunden oder weniger begrenzt werden. Ein Lötkolben mit geringer Leistung (≤25W) wird empfohlen. Zwischen dem Löten jedes Anschlusses sollte eine Abkühlpause eingelegt werden, um lokale Überhitzung zu verhindern.

5.3 Nacharbeit und Reparatur

Nacharbeit nach dem ersten Löten wird dringend abgeraten. Falls unvermeidbar, sollte ein spezieller Doppelspitzen-Lötkolben verwendet werden, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen, um eine sichere Entfernung ohne übermäßige mechanische Belastung zu ermöglichen. Die potenzielle Auswirkung der Nacharbeit auf die Bauteilleistung muss vorab bewertet werden.

6. Lager- und Handhabungshinweise

• Feuchtigkeitsempfindlichkeit:Das Bauteil ist feuchtigkeitsempfindlich. Der Beutel sollte erst unmittelbar vor der Verwendung geöffnet werden. Die Vorlagerung sollte bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit erfolgen.
• Bodenlebensdauer:Nach dem Öffnen der Feuchtigkeitsschutzverpackung müssen die Bauteile innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen) verwendet werden, wenn sie bei ≤30°C und ≤60% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert werden.
• Trocknen (Baking):Wird die Lagerzeit überschritten oder zeigt der Trockenmittelbeutel eine hohe Luftfeuchtigkeit an, ist eine Trocknungsbehandlung bei 60±5°C für 24 Stunden erforderlich, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und ein \"Popcorning\" während des Reflow-Lötens zu verhindern.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die Hauptanwendung ist als schneller Fotodetektor. In einer typischen Schaltung wird die Fotodiode mit einer Spannung unterhalb ihres Maximalwertes (z. B. 5V wie in der Testbedingung) in Sperrrichtung vorgespannt. Der Fotostrom (IL) fließt durch einen Lastwiderstand (RL). Der Spannungsabfall über RL, der proportional zur Lichtintensität ist, wird dann von einem nachgeschalteten Transimpedanzverstärker (TIA) oder Spannungsverstärker verstärkt. Die schnelle Ansprechzeit macht sie für gepulste Lichterkennung und Datenkommunikation geeignet.

7.2 Design-Überlegungen

• Vorspannung:Eine Sperrspannung (z. B. 5V) wird für optimale Geschwindigkeit und Linearität empfohlen. Eine höhere Vorspannung kann die Sperrschichtkapazität weiter reduzieren und die Bandbreite erhöhen, muss aber unter V_R.
• Strombegrenzung/Schutz:Wie in den Vorsichtsmaßnahmen erwähnt, begrenzt die Fotodiode selbst den Strom nicht. In Schaltungen, in denen sie hoher Lichtintensität ausgesetzt sein oder falsch angeschlossen werden könnte, kann ein Vorwiderstand erforderlich sein, um übermäßigen Strom zu verhindern, der die Sperrschicht beschädigen könnte.
• Optisches Design:Die schwarze Linse hilft, die Empfindlichkeit gegenüber Streulicht zu reduzieren. Für optimale Leistung sollte die Fotodiode mit einer IR-Quelle (wie einer 850nm oder 940nm LED) und gegebenenfalls einem optischen Filter gepaart werden, um unerwünschtes Umgebungslicht, insbesondere sichtbares Licht, das sie in gewissem Maße ebenfalls detektieren kann, auszublenden.

7.3 Anwendungsszenarien

• Hochgeschwindigkeits-Lichterkennung:Geeignet für Lichtschranken, Objektzählung und Encoder, bei denen schnelle Ein/Aus-Lichtwechsel erkannt werden müssen.
• Kopierer und Scanner:Kann als Sensor zur Erkennung von Dokumenten, Papierstau oder als Teil des Bildsensor-Arrays in Kontaktbildsensoren (CIS) verwendet werden.
• Spielautomaten & Unterhaltungselektronik:Verwendung in IR-Fernbedienungsempfängern, Annäherungssensoren und Gestenerkennungssystemen.
• Infrarot-Anwendungssysteme:Jedes System, das moduliertes oder gepulstes Infrarotlicht für Datenübertragung, Entfernungsmessung (Time-of-Flight) oder einfache Präsenzerkennung nutzt.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-PN-Fotodioden bietet die PIN-Struktur wesentliche Vorteile: eine breitere Verarmungszone (die \"I\"- oder intrinsische Schicht), die zugeringerer Sperrschichtkapazitätführt (ermöglicht schnellere Reaktion) und einen effizienten Betrieb bei niedrigeren Sperrspannungen erlaubt. Das kleine 1,8-mm-Gehäuse macht es ideal für platzbeschränkte Designs. Die schwarze Linse bietet im Vergleich zu Varianten mit klarer Linse einen gewissen Grad an eingebauter Unterdrückung von sichtbarem Licht, was für IR-spezifische Anwendungen vorteilhaft ist.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Unterschied zwischen Kurzschlussstrom (I_SC) und Sperrlichtstrom (I_L)?

A: I_SCwird bei Null Spannung über der Diode gemessen (Photovoltaik-Modus). I_Lwird mit angelegter Sperrspannung gemessen (fotoleitender Modus). I_List typischerweise der in der Schaltungsentwicklung verwendete Parameter, da er stabiler und linearer ist und die Sperrspannung die Reaktion beschleunigt.

F: Warum ist der Dunkelstrom wichtig?

A: Der Dunkelstrom ist das Grundrauschen der Fotodiode. Bei Anwendungen mit geringer Beleuchtung kann ein hoher Dunkelstrom das kleine Fotostromsignal überdecken und so die Empfindlichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis reduzieren. Der Maximalwert von 10 nA ist für eine Silizium-Fotodiode recht niedrig.

F: Kann ich diese mit einer sichtbaren Lichtquelle verwenden?

A: Ja, aber mit reduzierter Effizienz. Die spektrale Empfindlichkeitskurve zeigt, dass sie ab ~730nm empfindlich ist, daher wird sie rotes und nahes Infrarotlicht gut detektieren. Für optimale Leistung mit sichtbarem Licht (z. B. blau oder grün) wäre eine Fotodiode mit einem anderen spektralen Peak besser geeignet.

10. Funktionsprinzipien

Eine PIN-Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement mit einem p-dotierten Bereich, einem intrinsischen (undotierten) Bereich und einem n-dotierten Bereich. Bei Sperrspannung bildet sich eine breite Verarmungszone hauptsächlich über der intrinsischen Schicht. Einfallende Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters werden absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paare. Das starke elektrische Feld in der Verarmungszone trennt diese Paare schnell und lässt sie zu den jeweiligen Anschlüssen driften, wodurch ein Fotostrom erzeugt wird, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die intrinsische Schicht reduziert die Kapazität und ermöglicht eine effiziente Ladungsträgersammlung über einen größeren Bereich, was Geschwindigkeit und Quanteneffizienz erhöht.