PD42-21C/TR8 1.8mm圆形超小型硅PIN光电二极管规格书 - 尺寸1.8mm圆形 - 峰值灵敏度940nm - 中文技术文档

1. 产品概述

PD42-21C/TR8是一款专为红外检测应用设计的高速、高灵敏度硅PIN光电二极管。它采用微型1.8mm圆形、顶部为球形透镜的黑色塑料表面贴装器件（SMD）封装。这种紧凑的设计使其非常适合空间受限、需要可靠红外感应的应用。

该器件的光谱特性与常见的红外发射二极管相匹配，优化了与红外光源配对使用时的系统性能。其主要优势包括快速响应时间、高光敏度和低结电容，这些特性对于高速信号检测至关重要。

1.1 核心特性与合规性

• 快速响应时间：能够检测快速变化的光学信号。
• 高光敏度：即使在低光照水平下也能提供较强的电信号输出。
• 低结电容：通过降低RC时间常数，有助于实现高速运行。
• 包装：器件安装在12mm载带上，并卷绕在7英寸直径的卷盘上，便于自动化组装。
• 环保合规：产品无铅，符合RoHS和欧盟REACH法规，且不含卤素（Br<900 ppm，Cl<900 ppm，Br+Cl<1500 ppm）。

1.2 目标应用

这款光电二极管专为各种需要精确红外检测的电子系统而设计。

• 高速光电探测器
• 复印机
• 游戏机与交互设备
• 通用红外应用系统（例如，接近传感器、数据传输）

2. 技术规格详解

2.1 绝对最大额定值

超出这些限制操作可能导致器件永久性损坏。

• 反向电压 (V_R)：32 V
• 工作温度 (T_opr)：-25°C 至 +85°C
• 存储温度 (T_stg)：-40°C 至 +85°C
• 焊接温度 (T_sol)：260°C，持续时间 ≤5 秒
• 功耗 (P_d)：在自由空气温度 ≤25°C 时为 150 mW

2.2 光电特性 (T_a=25°C)

这些参数定义了光电二极管在典型条件下的性能。

• 光谱带宽 (λ_0.5)：730 nm 至 1100 nm。该器件对近红外光谱敏感。
• 峰值灵敏度波长 (λ_P)：940 nm。在此红外波长下响应度达到最大。
• 开路电压 (V_OC)：在940nm波长、5 mW/cm²光照下，典型值为0.42 V。
• 短路电流 (I_SC)：在875nm波长、1 mW/cm²光照下，范围为2.0至12 μA（典型值5.0 μA）。
• 反向光电流 (I_L)：在V_R=5V、875nm波长、1 mW/cm²光照下，范围为2.0至12 μA（典型值5.0 μA）。这是光电导模式下的主要工作参数。
• 暗电流 (I_D)：在V_R=10V时，最大值为10 nA。这是无光照条件下的漏电流。
• 反向击穿电压 (V_BR)：在I_R=100μA时，最小值为32 V，典型值为170 V。
• 总电容 (C_t)：在V_R=5V、f=1MHz时，典型值为5 pF。低电容是实现高带宽的关键。
• 上升/下降时间 (t_r, t_f)：在V_R=10V、R_L=1kΩ时，典型值均为6 ns。这指定了器件对光脉冲的电响应速度。

3. 性能曲线分析

规格书包含典型特性曲线，这对设计工程师至关重要。虽然具体的图形数据未以文本形式提供，但这些曲线通常说明了关键参数之间的关系，有助于预测器件在非标准条件下的行为。

3.1 隐含曲线信息

基于标准光电二极管特性，通常会绘制以下关系曲线：

• 光谱响应：显示相对响应度与波长的关系曲线，在940 nm处达到峰值，在730 nm和1100 nm处降至一半。
• 电流 vs. 照度 (I_L vs. E_e)：预期在很宽的范围内呈线性关系，证实了光电二极管适用于模拟光测量。
• 电容 vs. 反向电压 (C_t vs. V_R)：电容通常随反向偏压增加而减小，这会影响频率响应。
• 暗电流 vs. 温度 (I_D vs. T)：暗电流大约每升高10°C就翻倍，这对于高温操作至关重要。

4. 机械与封装信息

4.1 封装尺寸

光电二极管采用超小型圆形封装，主体直径为1.8mm。规格书中的详细机械图纸规定了所有关键尺寸，包括透镜高度、引脚间距和整体占位面积。除非另有说明，公差通常为±0.1mm。提供了建议的焊盘布局供PCB设计参考，但建议工程师根据其特定的组装工艺和热要求进行修改。

4.2 极性识别与安装

SMD封装具有特定的方向。规格书图纸标明了阴极和阳极端子。正确的极性对于电路正常工作至关重要。带有透明球形透镜的黑色塑料外壳有助于实现定向灵敏度。

5. 焊接与组装指南

正确的操作对于保持器件可靠性和性能至关重要。

5.1 存储与湿度敏感性

• 在准备使用前，请勿打开防潮袋。
• 将未开封的袋子存储在10°C~30°C、相对湿度≤90%的环境中。
• 请在发货后一年内使用。
• 开封后，若存储在10°C~30°C、相对湿度≤60%的环境中，必须在168小时（车间寿命）内使用。否则，必须重新烘烤并存储在干燥袋中。
• 烘烤程序：在60°C ± 5°C、相对湿度<5%的条件下烘烤96小时。

5.2 焊接条件

• 回流焊：提供了推荐的温度曲线。回流焊循环次数不得超过两次。
• 手工焊接：使用烙铁头温度<350°C、功率<25W的烙铁。每个端子的接触时间应<3秒。焊接每个端子之间应间隔2秒，以防止热损伤。
• 加热期间避免对器件施加机械应力，焊接后避免PCB板翘曲。

5.3 返工与维修

不建议在焊接后进行维修。如果不可避免，请使用双头烙铁同时加热两个端子并均匀抬起元件。任何返工后，务必验证器件功能。

6. 包装与订购信息

6.1 载带与卷盘规格

器件包装在载带中，尺寸在规格书中规定。标准数量为每7英寸卷盘1000片。载带尺寸确保与标准SMD贴片设备兼容。

6.2 标签信息

卷盘标签包含用于追溯和正确组装的标准信息：客户部件号（CPN）、部件号（P/N）、批号、数量、峰值波长（HUE）、等级（CAT）、参考（REF）、湿度敏感等级（MSL-X）和原产地。

7. 应用设计考量

7.1 电路保护

关键点：在光电导模式（反向偏置）下工作时，必须在光电二极管上串联一个外部限流电阻。没有它，微小的电压变化可能导致大电流浪涌，可能烧毁器件。

7.2 偏置与信号调理

光电二极管主要有两种工作模式：

• 光伏模式（零偏置）：产生电压（V_OC）。噪声低，但响应较慢。
• 光电导模式（反向偏置）：施加反向电压工作（例如规格中的5V）。这降低了结电容（加快响应速度）并改善了线性度，但增加了暗电流。通常使用跨阻放大器（TIA）将光电流（I_L）转换为可用的电压信号。

7.3 光学设计

球形透镜具有特定的视角。为了获得最佳耦合效果，应将红外光源对准在此角度内。黑色外壳可最大限度地减少内部反射和环境光的串扰。

8. 技术对比与定位

与标准光电二极管相比，PD42-21C/TR8在速度（6 ns）、灵敏度（1mW/cm²下典型值5 μA）和非常紧凑的SMD占位面积之间取得了平衡。其940nm峰值灵敏度使其与许多低成本红外LED直接匹配。与具有更大有效面积的器件相比，低电容是其在高频应用中的关键差异化优势。

9. 常见问题解答 (FAQ)

9.1 I_SC和I_L?

I_SC（短路电流）是在二极管两端电压为零时测量的。I_L（反向光电流）是在施加反向偏压（例如5V）下测量的。在设计良好的PIN光电二极管中，这两个值非常接近，如规格书所示（典型值均为5.0 μA）。对于偏置工作下的电路设计，I_L是更实用的参数。

9.2 如何选择串联电阻的值？

该电阻用于限制最大光照下的电流。计算公式为 R ≥ (电源电压) / (最大 I_L)。根据规格，最大 I_L为12 μA。对于5V偏置，R应 ≥ 5V / 12μA ≈ 417 kΩ。一个常见的起始值是100 kΩ，该值也与结电容共同决定了带宽。

9.3 此器件能否用于可见光检测？

其光谱范围从730 nm开始，属于近红外。它对可见光（波长低于700 nm）的灵敏度非常低。对于可见光检测，峰值灵敏度在550-650 nm范围内的光电二极管更为合适。

10. 实际应用案例

场景：游戏控制器中的红外接近传感器。

1. 组件配对：PD42-21C/TR8与一个940nm红外LED配对使用。
2. 电路设计：光电二极管通过一个100 kΩ电阻施加3.3V反向偏置。其输出连接到一个运算放大器的反相输入端，该运放配置为跨阻放大器（TIA），反馈电阻为1 MΩ，并有一个小的反馈电容（例如1 pF）以稳定响应。
3. 工作原理：红外LED发射脉冲信号。当物体（例如用户的手）靠近时，它会将红外光反射到光电二极管上。TIA将增加的光电流转换为可测量的电压尖峰。
4. 优势：光电二极管的快速响应允许快速检测手部动作。其小巧尺寸易于安装在紧凑的控制器外壳内。高灵敏度确保了即使在反射信号较弱时也能可靠工作。

11. 工作原理

PIN光电二极管由一个宽且轻掺杂的本征（I）区夹在P型和N型半导体区域之间构成。当施加反向偏置时，本征区完全耗尽，形成强电场。能量大于半导体带隙的入射光子被吸收，产生电子-空穴对。强电场迅速分离这些载流子，产生与光强度成正比的光电流。与标准PN光电二极管相比，宽本征区降低了结电容（实现高速），并增加了光子吸收体积（提高灵敏度）。

12. 行业趋势

受消费电子（智能手机、可穿戴设备）、汽车（激光雷达、车内传感）和工业自动化应用的推动，对微型、高速光电探测器的需求持续增长。趋势包括进一步小型化、将光电二极管与放大和数字化电路集成在单芯片上（例如集成光学传感器），以及针对手势识别和3D传感等新兴应用在特定波长波段增强性能。像PD42-21C/TR8这样的器件代表了针对需要稳健红外检测、成本敏感、大批量应用的成熟可靠解决方案。