PD438C/S46 4.8mm 半透镜硅PIN光电二极管规格书 - 4.8mm直径 - 32V反向电压 - 940nm峰值灵敏度 - 简体中文技术文档

1. 产品概述

PD438C/S46是一款高性能硅PIN光电二极管，专为需要快速响应和对红外光高灵敏度的应用而设计。它采用紧凑的圆柱形侧视塑料封装，直径为4.8mm。该器件的一个关键特性是其环氧树脂封装本身充当了集成的红外滤光片，其光谱特性与常见的红外发射器相匹配，通过滤除不需要的可见光，增强了其在红外检测系统中的性能。

该光电二极管的特点是响应时间快、光敏度高、结电容小，适用于高速光学检测。它采用无铅材料制造，并符合相关的环保法规。

2. 技术参数详解

2.1 绝对最大额定值

该器件设计为在规定的极限范围内可靠工作。超出这些额定值可能会导致永久性损坏。

• 反向电压（V_R）：32 V - 可施加在光电二极管引脚两端的最大反向偏置电压。
• 功耗（P_d）：150 mW - 在规定条件下，器件可以耗散的最大功率，主要以热的形式。
• 工作温度（T_opr）：-40°C 至 +85°C - 保证器件满足其公布规格的环境温度范围。
• 储存温度（T_stg）：-40°C 至 +100°C - 器件未通电时安全储存的温度范围。
• 焊接温度（T_sol）：260°C，持续时间不超过5秒，这符合典型的无铅回流焊工艺要求。

2.2 光电特性

这些参数在环境温度（T_a）为25°C时测量，定义了光电二极管的核心性能。

• 光谱带宽（λ_0.5）：840 nm 至 1100 nm。这定义了光电二极管响应度至少为其峰值一半的波长范围。它主要对近红外区域的光敏感。
• 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。这与许多红外LED的常见发射波长相匹配。
• 开路电压（V_OC）：0.35 V（典型值），在940nm波长、辐照度（E_e）为5 mW/cm²的条件下照射时测得。这是光电二极管在没有外部负载时产生的电压。
• 短路电流（I_SC）：18 µA（典型值），在E_e= 1 mW/cm²，λ_p=940nm条件下。这是输出短路时的光电流。
• 反向光电流（I_L）：18 µA（典型值，最小值10.2 µA），在E_e= 1 mW/cm²，λ_p=940nm，且反向偏置电压（V_R）为5V的条件下。这是光电导模式下的主要工作参数。
• 暗电流（I_d）：5 nA（典型值，最大值30 nA），在V_R= 10V且完全黑暗的条件下。这是即使没有光存在时也会流动的微小漏电流，是信噪比的关键参数。
• 反向击穿电压（BV_R）：最小值32V，典型值170V，在反向电流为100 µA时测量。这表示结发生击穿的电压。
• 总电容（C_t）：18 pF（典型值），在V_R= 3V且测试频率为1 MHz的条件下。较低的电容可实现更快的响应时间。
• 上升/下降时间（t_r/t_f）：50 ns / 50 ns（典型值），在V_R= 10V且负载电阻（R_L）为1 kΩ的条件下。这规定了光电二极管对光脉冲的响应速度。

关键参数的容差规定为：发光强度±10%，主波长±1nm，正向电压±0.1V。

3. 性能曲线分析

规格书提供了几条特性曲线，说明了在不同条件下的性能。这些对设计工程师至关重要。

3.1 光谱灵敏度

一条绘制相对灵敏度与波长关系的曲线。它确认了在约940nm处的峰值灵敏度，并显示了光谱响应在840-1100nm范围的边界处逐渐下降。集成的环氧树脂透镜充当滤光片，衰减了目标红外波段之外的响应。

3.2 暗电流与环境温度关系

该曲线通常显示暗电流（I_d）随温度升高呈指数增长。理解这种关系对于在宽温度范围内运行的应用至关重要，因为它定义了可检测光的下限（噪声基底）。

3.3 反向光电流与辐照度（E_e)

）关系_L该图展示了产生的光电流（I

）与入射光功率密度之间的线性关系。在规定条件下，光电二极管工作在一个高度线性的区域，这对于模拟光测量应用至关重要。

3.4 端电容与反向电压关系_t结电容（C

）随着反向偏置电压的增加而减小。这是PN结的基本特性。设计者可以使用更高的偏置电压来降低电容，从而提高带宽和响应速度，代价是暗电流略有增加。

3.5 响应时间与负载电阻关系_L该曲线显示了上升/下降时间如何受外部负载电阻（R_L）值的影响。较小的R

通常会导致更快的响应，但产生的输出电压摆幅较小。此图有助于在电路设计中优化速度与幅度的权衡。

3.6 功耗与环境温度关系

说明了最大允许功耗随着环境温度升高而降额的情况。在温度高于25°C时，器件无法耗散全部的150mW，最大功率必须在达到最高结温时线性降至零。

4. 机械与封装信息

4.1 封装尺寸

PD438C/S46采用圆柱形侧视塑料封装，标称直径为4.8mm。尺寸图规定了主体直径、长度、引脚间距和引脚直径。一个重要说明指出，除非图纸上另有规定，所有尺寸公差均为±0.25mm。侧视配置非常适合光路平行于PCB表面的应用。

4.2 极性识别

极性通常在封装上或图纸中标明。对于光电二极管，当工作在反向偏置（光电导模式）时，阴极通常连接到正电源电压，阳极连接到电路地或跨阻放大器的输入端。正确的极性对于正常工作至关重要。

5. 焊接与组装指南

• 该器件适用于标准的表面贴装组装工艺。回流焊接：
• 建议的最高焊接温度为260°C。器件引脚暴露在此峰值温度或更高温度下的时间不应超过5秒。这符合典型的无铅回流焊曲线（例如，IPC/JEDEC J-STD-020）。手工焊接：
• 如果必须进行手工焊接，应使用温控烙铁。每个引脚的接触时间应最小化，以防止过多热量传递到敏感的半导体芯片。清洗：
• 可以使用标准的PCB清洗工艺，但应验证清洗剂与塑料封装材料的兼容性。储存条件：

器件应储存在其原始的防潮袋中，温度在-40°C至+100°C之间，并保持低湿度，以防止引脚氧化和封装吸湿。

6. 包装与订购信息

6.1 包装规格

标准包装流程如下：500片装一袋。五袋放入一个内盒。最后，十个内盒装入一个主（外）箱。这样每个主箱总计25,000片。

6.2 标签规格

• 包装上的标签包含用于追溯和识别的关键信息：CPN：
• 客户产品编号（如已分配）。P/N：
• 制造商产品编号（例如，PD438C/S46）。QTY：
• 包装内器件数量。CAT, HUE, REF：
• 分别为发光强度等级、主波长等级和正向电压等级的代码，表示性能分档。LOT No：
• 生产批号，用于追溯。REF：

用于识别标签的参考编号。

7. 应用建议

• 7.1 典型应用场景高速光电探测器：
• 适用于光数据链路、编码器和脉冲检测，其50ns的响应时间是一个关键优势。相机应用：
• 可用于自动对焦系统、测光或作为红外存在检测器。光电开关：
• 用于物体检测、槽型传感器和限位开关。集成的红外滤光片有助于抑制环境光干扰。录像机和摄像机：

历史上用于磁带计数器传感器、遥控接收器或其他内部光学传感功能。

• 7.2 设计考量偏置电压：
• 建议工作在光电导模式（施加反向偏置）以实现高速和线性操作。典型的偏置电压为5V至10V，以平衡速度（较低电容）和噪声（较低暗电流）。电路拓扑：
• 为了获得最佳速度和线性度，使用跨阻放大器将光电流转换为电压。TIA中的反馈电阻和电容必须根据所需的带宽和光电二极管的电容来选择。光学对准：
• 侧视封装需要精心的机械设计，以确保与光源（通常也是侧视红外LED）的正确对准。环境光抑制：

虽然环氧树脂充当红外滤光片，但对于存在强红外光源（例如阳光）的环境，可能需要额外的光学滤波或调制/解调技术。

8. 技术对比与差异化

• PD438C/S46在其类别中提供了几个显著优势：集成红外滤光片：
• 与许多需要单独滤光片的基本光电二极管不同，其封装环氧树脂经过配方设计以滤光，简化了组装并减少了元件数量。侧视封装：
• 4.8mm圆柱形侧视封装是一种特定的外形规格，针对光路平行于PCB的应用进行了优化，提供了紧凑且定向的视场。均衡的性能：
• 它在速度（50ns）、灵敏度（1 mW/cm²下18 µA）和暗电流（5 nA）之间提供了良好的平衡，使其成为通用红外检测的多功能选择。稳健的额定值：

具有32V的反向电压额定值和宽工作温度范围（-40°C至+85°C），适用于工业和汽车环境（根据免责声明，用于非安全关键应用）。

9. 常见问题解答（基于技术参数）

问：工作在光伏模式（零偏置）和光电导模式（反向偏置）有什么区别？_R答：在光伏模式（V_OC=0V）下，光电二极管产生自己的电压（参见V_R）。它具有非常低的暗电流，但电容较高，响应较慢。光电导模式（施加V_r）拓宽了耗尽区，降低了电容并加快了响应速度（参见t_f/t_d），代价是存在一个微小但恒定的暗电流（I

）。对于高速检测，首选光电导模式。_L问：如何理解“反向光电流（I

）”参数？

答：这是电路设计中最有用的参数。它告诉您，在特定的光照条件下（940nm波长下1 mW/cm²）并施加5V反向偏置时，您通常可以预期获得18 µA的光电流。您的放大器电路必须设计为能够处理此电流范围。最小值10.2 µA对于最坏情况设计很重要。

问：为什么暗电流很重要？

答：暗电流是无光时光电二极管的主要噪声源。它设定了可检测光的下限。较低的暗电流（该器件典型值为5 nA）意味着传感器可以检测到更微弱的光信号。请注意，暗电流大约每升温10°C就会翻倍。

问：我可以将其用于940nm以外的光源吗？

答：可以，但灵敏度会降低。请参考光谱灵敏度曲线。光电二极管会对大约840nm至1100nm的光产生响应，但如果波长不在940nm峰值附近，相同光功率下的输出电流将会较低。

10. 实际设计与使用案例

1. 案例：为自动水龙头设计红外接近传感器。系统框图：
2. 一个红外LED（发射940nm光）和PD438C/S46光电二极管并排放置在半透明窗口后面。LED被脉冲驱动。当没有物体时，大部分红外光会散射。当手靠近水龙头时，反射的红外光进入光电二极管。元件选择理由：
3. 选择PD438C/S46是因为其940nm的峰值灵敏度与LED匹配。其封装中的集成红外滤光片有助于抑制来自顶灯的环境可见光，减少误触发。侧视封装允许发射器和探测器都平贴在PCB上，朝外指向。电路设计：
4. 光电二极管用5V反向偏置。其输出连接到跨阻放大器。放大器的增益（反馈电阻）设置得使预期的反射信号（18 µA/mW/cm²的一部分）产生可用的电压。放大器后面的比较器检测该电压何时超过设定的阈值。优化：

选择LED脉冲频率和持续时间，使其避开环境光闪烁的频率（例如，来自主电源照明的100Hz）。系统只寻找与LED脉冲同步的信号，从而提供出色的抗噪能力。

11. 工作原理简介

PIN光电二极管是一种半导体器件，具有一个宽的、轻掺杂的本征（I）区，夹在P型和N型区域之间。当能量大于半导体带隙（对于硅，波长小于约1100nm）的光子撞击器件时，它们可以在本征区产生电子-空穴对。在内建电场（光伏模式）或外加反向偏置电场（光电导模式）的影响下，这些电荷载流子被分离，产生与入射光强度成正比的光电流。与标准的PN光电二极管相比，PIN结构中的宽本征区降低了结电容（实现更快响应）并增加了光子吸收的体积（提高灵敏度）。

12. 技术趋势与背景

• 像PD438C/S46这样的硅PIN光电二极管是用于近红外检测的成熟、可靠且经济高效的解决方案。该领域当前的趋势包括：集成化：
• 朝着集成解决方案发展，将光电二极管、放大器，有时甚至LED驱动器和数字逻辑集成到单个封装或芯片中（例如，光电专用集成电路）。小型化：
• 开发更小表面贴装封装（例如，芯片级封装）的光电二极管，用于移动设备等空间受限的应用。专用材料：
• 对于超出硅截止波长（约1100nm）的波长，使用如InGaAs等材料。然而，由于成本低和制造工艺成熟，硅在可见光和近红外光谱中仍占主导地位。性能提升：

持续的研究重点是通过先进的掺杂分布和器件结构进一步降低电容和暗电流，以提高速度和灵敏度。PD438C/S46代表了在这个更广泛的技术背景下，一个经过良好优化、针对特定应用的组件，为广泛的工业和消费类红外传感任务提供了性能、尺寸和成本的实用平衡。