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Andri(R)

08.11.2019,
11:40
 

Photodiode: ansteigender Dunkelstrom (Bauelemente)

Einen schönen Gruß zusammen,

ich kämpfe gegen ein Phänomen, bei welchem ich Hilfe brauche.
Es handelt sich um ein Bauteilproblem; die Beschaltung kann meines Erachtens dafür nicht in Frage kommen und wurde auch schon durch Versuche ausgeschlossen.

Ich betreibe eine SI-Photodiode 660nm in Chipform (Bonddrähte sind vergossen, Rest ist offen):
Kathode auf +9V Vorspannung
Anode liefert Strom an einen TIA.

Nun kommt es bei einigen Fotodioden vor, dass der Dunkelstrom dauerhaft ansteigt.
Dunkelstrom lt. Datenblatt: 2 nA (bei 10V Vorspg.)
Dunkelstrom Fehlerhaft: >10 µA

Die Dioden werden abgedunkelt betrieben. Nur mit 9V Vorspannung und dem TIA.

Betroffene Photodioden zeigen dies dauerhaft.
Dies tritt anscheinend auf, wenn sie im Betrieb über längeren Zeitraum heiß werden (70°C) bzw. Temperaturzyklen durchmachen (25°, 70°, 25° etc.)

Es ist aufgefallen, dass die Dioden anscheinend mit Lageröl in Kontakt kommen. Durch intensives Reinigen konnte der Dunkelstrom etwa halbiert, jedoch nicht beseitigt werden.
Werden gute Photodioden versuchsweise mit Öl verunreinigt, tritt kein erhöhter Dunkelstrom auf! Auch nach längerem Einwirken nicht. Deswegen denke ich, dass die Verunreinigung unschön, jedoch nicht das Problem ist.

Folgende Kuriositäten treten noch auf:
- Der Dunkelstromanstieg baut sich über Wochen im Betrieb auf
- Dunkelstrom kann - nach Monaten in der "Schrottkiste" - wieder zurückgehen
- Dunkelstrom ist abhängig von Vorspannung: 0V: kein Dunkelstrom; bis 2V: Anstieg Dunkelstrom; >2V: kein Anstieg mehr
- Dioden mit Dunkelstrom zeigen nach dem Einschalten eine Art Ladeeffekt: 3 Minuten nach Einschalten ist etwa 50% des Dunkelstromes erreicht, danach steigt er linear an und hat den "Endwert" etwa nach 24 Stunden erreicht. Nach ausschalten baut sich der Dunkelstrom dann innerhalb Sekunden ab.
- Die Änderungen sind durch Temperaturanstieg nicht zu erklären: viel zu groß
- Verspannungen der Photodiode durch Montage konnte ausgeschlossen werden

Daten aus dem Datenblatt (Diodenchip wird für uns gefertigt):
operating temperature: -10°C - 50°C
storage temperature: -65°C - 125°C
reverse breakdown voltage: 50 V
conductiove current (Vf=1V): 10 mA
capacitance: 7 pF
Chiphöhe: 0,38 mm

Im Betrieb wird sie von einer LED angeleuchtet. Max. Strom ist dann etwa 27 µA. Evtl. unterliegt die Photodiode Mikrovibrationen.

Die Photodiode und das Projekt unterliegt leider der Geheimhaltung.
Bilder kann ich leider von hier aus nicht hochladen. Ich bemühe mich jedoch, Rückfragen so gut wie möglich zu beantworten (ist ja in meinem Interesse!).

Vielen Dank für das Lesen! Vielleicht hat jemand von Euch ja schon eine ähnliche Erfahrung mit einer Photodiode gemacht bzw. kennt Effekte, die das Verhalten erklären kann oder hat Einfälle für weitere Versuche.

Herzlichen Dank und liebe Grüße,
Joachim

Hartwig(R)

08.11.2019,
12:16

@ Andri

Photodiode: ansteigender Dunkelstrom

Hallo,
Der Versuch, das Öl als Ursache auszuschließen, war eine gute Idee, nur ist Öl nicht gleich Öl. Öl aus einem Lager enthält Additive, Metallabrieb etc.
In dem Strombereich können Leckströme durchaus auftreten. Je nach Betriebsbedingungen kann es bei der Verwendung ungeeigneter Vergußharze auch Überraschungen geben. Aus deinen Angaben ergibt sich nicht zwangsläufig, dass es die Dioden sind. Sonst versuchsweise anderen Typ oder anderes Herstellungslos probieren. Da es um einen gravierenden scheinbaren Anstieg des Sperrstromes geht, kann für einige Versuche evtl. Auch der Chip einer Universaldiode genommmen werde. Wenn die auch ohne Lichteinfall das gleiche Verhalten zeigt, würde ich den Aufbau verdächtigen.
Übrigens: Geheimprojekte werden hier ungern unterstützt. Entweder ist deren Ziel unseriös oder dient bedeutenden kommerziellen Zwecken. Im letzterem Fall soll entweder das Geld für eine Fachkraft oder einen Berater gespart werden. Das Forum ist aber für offene Diskussionen gedacht.
Grüße
Hartwig

Altgeselle(R)

E-Mail

08.11.2019,
12:34

@ Hartwig

Photodiode: ansteigender Dunkelstrom

Hallo,
» Bonddrähte sind vergossen, Rest ist offen
was bedeutet das? Ist der Si-Chip nicht mit klarem Kunststoff
vergossen?
Ich sehe zwei mögliche Fehlerquellen.
1. Bestandteile des Öls oder Lösungsmittel dringen in das Material des Gehäuses
ein und führen zu Leitfähigkeit des Kunststoffs. Vielleicht werden die
bestückten Leiterplatten von Bestücker gewaschen?
2. Die Fotodioden sind von vornherein defekt (unwahrscheinlich).

Wenn die erforderliche Geschwindigkeit (Grenzfrequenz)
niedrig ist, dann kann man die Fotodiode als Fotoelement betreiben; also
Kurzschluss durch den TIA, Spannung über der Fotodiode 0V.

Grüße
Altgeselle

Andri(R)

08.11.2019,
12:55

@ Hartwig

Photodiode: ansteigender Dunkelstrom

Hallo Hartwig,

danke fürs durchlesen und die Antwort.

» Aus deinen Angaben ergibt sich nicht
» zwangsläufig, dass es die Dioden sind.
Es ist klar auf eine bestückte Baugruppe einzugrenzen. Die Baugruppe besteht aus: PCB, Stecker, Photodiode inkl. Bondung und Schutzabdeckung der Bonddrähte.

» Übrigens: Geheimprojekte werden hier ungern unterstützt. Entweder ...

Ok, das kann ich verstehen. Externe Berater bzw. Institute werden derzeit gesucht. Jedoch ist das auch nicht immer so einfach, die richtigen zu finden. Und dann dauert es natürlich seine Zeit.
Ich wollte halt eine "zweite Meinung" einholen. Hier kollidiert meine Ungeduld mit dem Wunsch, endlich auf des Pudels Kern zu kommen.

Nochmals vielen Dank für Deine Zeit,

Gruß,
Joachim

Andri(R)

08.11.2019,
13:04

@ Altgeselle

Photodiode: ansteigender Dunkelstrom

Hallo Altgeselle,

» Bonddrähte sind vergossen, Rest ist offen
» was bedeutet das? Ist der Si-Chip nicht mit klarem Kunststoff
» vergossen?
Nein, er ist tatsächlich ungeschützt.

» Ich sehe zwei mögliche Fehlerquellen.
» 1. Bestandteile des Öls oder Lösungsmittel dringen in das Material des
» Gehäuses
» ein und führen zu Leitfähigkeit des Kunststoffs.
Kein Gehäuse und kein Kunststoff. SI-Photodiodenchip ist offen.
» Vielleicht werden die
» bestückten Leiterplatten von Bestücker gewaschen?
Bestücker versichert, kein Waschvorgang. Fehler tritt auch erst nach Monaten im Betrieb auf.
Bei Betrieb mit geringeren Umgebungstemperaturen ist noch nie ein erhöhter Dunkelstrom beobachtet worden.

Auch Dir vielen Dank fürs Durchlesen und die Antworten.

Schönen Gruß,
Joachim