PD95-21B/TR10 光电二极管数据手册 - 1.9mm圆形SMD封装 - 黑色透镜 - 峰值灵敏度940nm

1. 产品概述

PD95-21B/TR10是一款专为高性能光传感应用设计的超小型表面贴装器件（SMD）。它是一款基于硅材料的PIN光电二极管，这是一种将光能转换为电流的基础半导体元件。该器件采用紧凑的1.9mm直径圆形封装，并具有独特的“Z形弯曲”引脚结构，非常适合自动化组装工艺。封装顶部配有黑色塑料透镜，有助于限定视场角并提供一定的环境保护。其主要功能是检测红外辐射，其光谱特性经过专门调校，以匹配常见的红外发射二极管（IRED），使其成为光电系统中理想的接收组件。

2. 主要特性与应用

2.1 核心优势

该光电二极管提供了对现代电子设计至关重要的多项性能优势：

• 快速响应时间：PIN结构及其本征（I）区允许快速的载流子收集，使器件能够快速响应光强的变化。这对于数据通信、脉冲检测和高速传感至关重要。
• 高光敏度：它能从低水平的入射光（辐照度）高效地产生可测量的电流，从而提高检测电路的信噪比。
• 低结电容：低电容对于维持高带宽和快速响应至关重要，因为它能最小化检测电路的RC时间常数。
• 强大的制造兼容性：该器件设计用于承受标准的红外和汽相回流焊接工艺，便于可靠的PCB组装。
• 环保合规性：该元件为无铅（Pb-free）产品，符合欧盟REACH法规，并满足无卤素要求（Br <900 ppm， Cl <900 ppm， Br+Cl <1500 ppm），符合全球环保和安全标准。

2.2 目标应用

这款光电二极管专为需要可靠红外检测的系统而设计。典型的应用领域包括：

• 红外应用系统：涵盖范围广泛，包括遥控器、接近传感器、物体检测和遮断式光开关。
• 复印机和打印机：用于纸张检测、碳粉量感应以及需要精确检测反射光或透射光的扫描机构。
• 汽车传感器：适用于车辆内的非关键性传感项目，例如雨量传感器、黄昏传感器或车内乘员检测，在这些应用中，器件在温度范围内的可靠性非常重要。

3. 技术参数分析

3.1 绝对最大额定值

这些极限定义了可能导致永久性损坏的应力条件。操作应始终在此范围内进行。

• 反向电压（V_R）：32 V。可在二极管上施加而不导致击穿的最大反向偏置电压。
• 工作温度（T_opr）：-25°C 至 +85°C。器件被规定能正常工作的环境温度范围。
• 储存温度（T_stg）：-40°C 至 +85°C。非工作状态下的储存温度范围。
• 焊接温度（T_sol）：最高260°C，持续时间不超过5秒。这定义了回流焊接期间的峰值温度耐受度。
• 功耗（P_d）：在25°C时为150 mW。器件能够安全耗散为热量的最大功率。

3.2 光电特性（Ta=25°C）

这些参数定义了器件在典型工作条件下的性能。

• 光谱带宽（λ_0.5）：730 nm 至 1100 nm。这是光电二极管响应度至少为其峰值一半的波长范围。它确认了器件在整个近红外光谱范围内都具有灵敏度。
• 峰值灵敏度波长（λ_P）：940 nm（典型值）。光电二极管最敏感的光波长。这与许多标准GaAlAs红外LED的发射峰值完美匹配。
• 短路电流（I_SC）：在E_e=1 mW/cm²， λ=875 nm条件下为4 µA（典型值）。光电二极管端子短路（零偏置电压）时产生的电流。它是光电流产生效率的直接度量。
• 反向光电流（I_L）：在E_e=1 mW/cm²， λ=875 nm， V_R=5V条件下为4 µA（典型值）。光照下反向偏置时流过的电流。与零偏置（光伏模式）相比，在反向偏置（光电导模式）下工作通常能提供更快的响应和更线性的输出。
• 反向暗电流（I_D）：在V_R=10V条件下为10 nA（最大值）。在完全黑暗的反向偏置条件下流动的小泄漏电流。低暗电流对于检测微弱光信号至关重要，因为它代表了器件的本底噪声。
• 反向击穿电压（V_BR）：32 V（最小值）， 170 V（典型值）。反向电流急剧增加的电压。器件绝不应在此点附近工作。

4. 性能曲线分析

数据手册引用了典型的性能曲线，这些曲线比单点规格提供了更深入的见解。

4.1 光谱灵敏度（图1）

该曲线以图形方式表示了光电二极管的响应度与入射光波长的函数关系。它将显示一个钟形曲线，峰值大约在940 nm，并在峰值灵敏度一半处向指定的730 nm和1100 nm点逐渐下降。此曲线对于将光电二极管与特定光源匹配至关重要，可确保获得最大的信号强度。

4.2 反向光电流 vs. 辐照度（图2）

此图说明了产生的光电流（I_L）与入射光功率密度（E_e）之间的关系。对于在其线性区域内工作的设计良好的PIN光电二极管，这种关系应该是高度线性的。该线的斜率代表了光电二极管的响应度（通常以A/W为单位）。这种线性对于模拟光测量应用至关重要。

5. 机械与封装信息

5.1 封装尺寸

该器件为直径1.9mm的圆形封装。数据手册中提供了详细的机械图纸，规定了所有关键尺寸，包括本体直径、高度、引脚间距和引脚尺寸。除非另有说明，所有尺寸均以毫米为单位，标准公差为±0.1mm。“Z形弯曲”引脚样式旨在为表面贴装提供稳定的焊盘，并缓解机械应力。

5.2 极性识别

光电二极管是一个有极性的元件。数据手册图纸明确标明了阴极和阳极端子。在电路板组装过程中必须注意正确的极性，以确保在反向偏置配置下正常工作。

5.3 载带和卷盘规格

为便于自动化组装，元件以载带和卷盘形式供应。数据手册包含了载带凹槽、卷盘直径和方向的尺寸。标准包装数量为每卷1000片。

6. 焊接与组装指南

6.1 储存与湿度敏感性

光电二极管对湿度敏感。必须采取预防措施，防止在回流焊接过程中出现“爆米花”效应或分层：

• 将未开封的包装袋储存在≤30°C和≤90% RH条件下。
• 在一年内使用元件。
• 开封后，储存在≤30°C和≤70% RH条件下。
• 在打开防潮袋后168小时（7天）内使用。
• 如果储存时间超过规定或干燥剂显示有湿气进入，使用前应在60±5°C下烘烤24小时。

6.2 回流焊接温度曲线

建议采用无铅回流焊接温度曲线。应控制温度曲线，确保器件本体峰值温度不超过260°C的时间不超过5秒。回流焊接不应超过两次，以避免对塑料封装和半导体芯片造成热损伤。

6.3 手工焊接与返修

如果必须进行手工焊接，需要极其小心：

• 使用温度低于350°C、额定功率低于25W的电烙铁。
• 每个引脚的接触时间限制在3秒以内。
• 焊接每个引脚之间至少间隔2秒的冷却时间。
• 加热期间避免对元件施加机械应力。
• 强烈不建议进行返修。如果不可避免，应使用专用的双头烙铁同时加热两个引脚，以防止热应力。任何返修尝试后都必须验证器件的功能。

6.4 电路板设计注意事项

焊接后，电路板不应翘曲或弯曲，因为这会将应力传递到脆弱的半导体芯片或焊点，可能导致故障。

7. 应用设计注意事项

7.1 过流保护

一个关键的设计注意事项：光电二极管本身没有内部限流功能。当在反向偏置下工作时，如果器件暴露在光线下，即使电压有微小增加，也可能导致电流大幅、甚至可能具有破坏性的增加。因此，在偏置电路中必须使用一个外部串联电阻，以限制在强光照射条件下的最大电流并防止烧毁。

7.2 偏置与接口电路

光电二极管可用于两种主要模式：

1. 光电导模式（反向偏置）：施加反向偏置电压（例如，测试条件中的5V）会加宽耗尽区，降低结电容并加快响应时间。这是高速和线性应用的首选模式。输出是一个电流源，通常使用跨阻放大器（TIA）转换为电压。
2. 光伏模式（零偏置）：光电二极管在光照下产生自身的电压，像太阳能电池一样工作。这种模式提供非常低的暗电流，但响应较慢且线性度较差。适用于以简单性为关键的低频光测量。

7.3 光学设计

黑色透镜提供了限定的视角。为获得最佳性能，系统设计应考虑红外光源（例如LED）与光电二极管之间的对准，以及可能在其光谱范围内的环境光干扰源（例如阳光、白炽灯泡）。在高环境光环境中可能需要使用光学滤光片。

8. 技术对比与选型

PD95-21B/TR10属于带黑色透镜的硅光电二极管类别。在选择光电二极管时，工程师应根据应用需求比较关键参数：响应速度（与电容和偏置相关）、灵敏度（I_L）、与光源的光谱匹配度、封装尺寸和环境鲁棒性。该器件结合了小尺寸、良好灵敏度、快速响应和SMD兼容性，使其成为空间受限、大批量消费和工业红外传感应用的有力候选者，在这些应用中需要平衡可靠性和成本。

9. 工作原理

PIN光电二极管是一种具有三层结构的半导体器件：P型、本征（未掺杂）和N型硅。当能量大于硅带隙的光子撞击本征区时，它们会产生电子-空穴对。在反向偏置的PIN二极管中，宽本征区中的电场将这些载流子扫向各自的端子，产生与入射光强度成正比的光电流。宽本征区是其性能的关键：它创建了一个大的耗尽区用于光子吸收（提高灵敏度）并降低了结电容（提高速度）。

10. 免责声明与使用说明

数据手册中提供的信息代表了制造商在发布时的规格。典型性能曲线仅供参考，不代表保证的最小值或最大值。设计者有责任在器件的绝对最大额定值范围内操作，并在特定的最终应用中验证性能。除非获得元件制造商的明确认证和批准，否则本产品通常不适用于安全关键、生命维持、军事或汽车主系统。