PD438B/S46 硅PIN光电二极管规格书 - 4.8mm半透镜 - 黑色封装 - 中文技术文档

1. 产品概述

PD438B/S46是一款高性能硅PIN光电二极管，专为需要快速响应和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，配备4.8mm半透镜。该器件的一个关键特性是其环氧树脂封装，其配方使其能够充当集成的红外（IR）滤光片。该滤光片在光谱上与常见的红外发射器相匹配，通过降低对不需要的可见光的灵敏度，从而提升其在红外传感应用中的性能。

该光电二极管的核心优势包括其快速响应时间（这对于高速数据传输和开关应用至关重要）以及高光敏度（使其能够有效检测低光照水平）。其低结电容有助于实现快速响应，并使其适用于高频电路。该器件采用无铅材料制造，符合RoHS和欧盟REACH等相关环保法规，适用于有严格环保合规要求的产品。

PD438B/S46的主要目标市场和应用领域是消费电子、工业自动化和通信系统。其规格使其成为设计高速光数据链路、存在检测系统和精密光测量设备的理想元件。

2. 深入技术参数分析

2.1 绝对最大额定值

该器件可承受的最大反向电压（VR）为32V。最大功耗（Pd）为150 mW，这定义了其工作的热极限。引脚可在高达260°C的温度下焊接，持续时间不超过5秒，这与标准的回流焊接工艺兼容。工作温度范围规定为-40°C至+85°C，存储环境温度范围为-40°C至+100°C。这些额定值确保了在各种环境条件下的可靠性能。

2.2 光电特性

该光电二极管的光谱响应由其光谱带宽（λ0.5）范围定义，从840 nm到1100 nm。峰值灵敏度波长（λp）为940 nm，使其正好位于近红外区域，该区域通常用于遥控器、光学传感器和自由空间通信。

在940 nm波长、辐照度为5 mW/cm²的条件下，典型的开路电压（VOC）为0.35V。在1 mW/cm²、940 nm条件下测量的短路电流（ISC）典型值为18 µA。该参数直接衡量了器件在光照下的电流产生能力。

反向光电流（IL）是二极管反向偏置时产生的光电流。在VR=5V、Ee=1 mW/cm²（λp=940nm）条件下，典型值为18 µA，最小保证值为10.2 µA。暗电流（Id）是在无光照、VR=10V条件下的漏电流，典型值为5 nA，最大值为30 nA。低暗电流对于实现良好的信噪比至关重要，尤其是在弱光检测场景中。

反向击穿电压（BVR）规定为在100 µA电流流过时最小为32V，典型值高达170V。在VR=5V、1 MHz条件下的总端子电容（Ct）典型值为18 pF。这种低电容是实现快速上升和下降时间的关键因素。当器件在VR=10V、负载电阻（RL）为1 kΩ条件下工作时，上升和下降时间（tr/tf）典型值均为50纳秒。

3. 性能曲线分析

规格书提供了多条特性曲线，以便更深入地了解器件在不同条件下的行为。

图1：功耗与环境温度关系说明了最大允许功耗随环境温度升高而降额的情况。此图对于热管理设计至关重要，可防止过热并确保长期可靠性。

图2：光谱灵敏度显示了光电二极管在约600 nm至1200 nm波长范围内的相对响应度。曲线在940 nm处达到峰值，并显示了环氧树脂封装的有效滤光作用，该作用衰减了目标红外波段之外的响应。

图3：暗电流与环境温度关系展示了漏电流（Id）如何随温度呈指数增长。这种关系对于在高温下运行的应用至关重要，因为它定义了传感器的本底噪声。

图4：反向光电流与辐照度（Ee）关系描述了产生的光电流与入射光功率密度之间的线性关系。这种线性是PIN光电二极管的基本特性，对于模拟光测量应用至关重要。

图5：端子电容与反向电压关系显示结电容随反向偏置电压增加而减小。设计人员可以利用这种关系，通过选择合适的偏置点来优化电路速度。

图6：响应时间与负载电阻关系指示了光电二极管输出信号的上升/下降时间如何受其连接的负载电阻影响。较低的负载电阻可实现更快的响应，但这可能会以输出电压摆幅为代价。

4. 机械与封装信息

4.1 封装尺寸

PD438B/S46采用圆柱形侧视封装。关键尺寸包括封装图纸中定义的管体直径和半透镜高度。所有未注公差的线性尺寸公差为±0.25mm。封装为黑色，有助于减少杂散光干扰。侧视配置允许从平行于PCB平面的方向感测光线，这在打印机纸张检测或边缘传感等应用中非常有用。

4.2 极性识别

阴极通常通过较长的引脚、封装体上的凹口或平面来识别。组装时必须注意正确的极性，因为反向偏置是光电二极管用于光电导模式的标准工作条件。

5. 焊接与组装指南

该器件适用于波峰焊接和回流焊接工艺。引脚焊接温度的绝对最大额定值为260°C，并注明焊接时间不应超过5秒。建议遵循IPC标准的电子元件焊接指南。器件应在其规定的存储温度范围（-40°C至+100°C）内，存放在干燥、防静电的环境中，以防止吸湿和静电损坏。

6. 包装与订购信息

标准包装规格如下：200至500片装在一个防潮袋中。六个这样的袋子放入一个内盒。十个内盒再装入一个主运输箱。包装标签上包含客户部件号（CPN）、制造商部件号（P/N）、包装数量（QTY）和批号（LOT No.）等字段。其他字段如CAT、HUE和REF（通常用于LED表示强度、波长和电压分档）不适用于此光电二极管，因为它不以相同方式分档；这些字段可以留空或用于其他可追溯性信息。

7. 应用建议

7.1 典型应用场景

• 高速光电检测：适用于需要纳秒级响应的光学编码器、塑料光纤（POF）数据通信和激光束检测。
• 相机应用：可用于智能手机、平板电脑和数码相机中的环境光传感（ALS）或红外接近检测。内置红外滤光片有助于准确测量红外水平。
• 光电开关：适用于自动售货机、工业自动化和安防系统中的物体检测、计数和位置传感。
• 消费电子：用于录像机和摄像机中的磁带末端检测或控制信号接收。

7.2 设计考量

使用PD438B/S46设计电路时，请考虑以下因素：

• 偏置电压：施加反向偏置电压（根据规格书条件，通常为5V至10V）以加宽耗尽区，降低电容并提高速度。确保电压不超过32V的最大额定值。
• 负载电阻（RL）：跨阻配置中的RL值直接影响带宽和输出电压。较小的RL提供更快的响应，但输出信号较低。规格书中的图6是关键参考。
• 放大：光电流很小（微安级）。几乎总是使用跨阻放大器（TIA）将此电流转换为可用的电压信号。选择具有低输入偏置电流和足够带宽的运算放大器。
• 降噪：屏蔽光电二极管及其连接走线，使其免受电噪声干扰。如果使用有源偏置电路，请在器件电源引脚附近使用旁路电容。低暗电流有助于保持良好的信噪比。
• 光学考量：确保透镜清洁且无遮挡。侧视封装可能需要精心的机械设计以正确对准光路。

8. 技术对比与差异化

与标准PN光电二极管相比，PD438B/S46的PIN结构具有明显优势。P层和N层之间的本征（I）区形成了一个更大的耗尽区。这带来了两个主要好处：1) 更低的结电容：更大的耗尽区就像一个更宽的电介质，显著降低了电容（典型值为18 pF），这是实现高速运行的主要因素。2) 改善的线性度和灵敏度：宽本征区允许在更大体积内更有效地收集光生载流子，从而在光电流与辐照度之间实现更好的线性度，并在其峰值波长处可能具有更高的量子效率。

此外，将红外滤光环氧树脂直接集成到封装中是一个差异化特性。它消除了对外部独立红外滤光片的需求，节省了空间，降低了成本，并简化了组装。这使得它在紧凑型消费电子产品设计中特别具有优势。

9. 常见问题解答（基于技术参数）

问：短路电流（ISC）和反向光电流（IL）有什么区别？

答：ISC是在二极管两端电压为零（短路条件）时测量的。IL是在二极管反向偏置（例如，在VR=5V时）时测量的。实际上，对于PIN光电二极管，这些值非常相似，因为在正常工作范围内，光电流在很大程度上与反向偏置电压无关。

问：为什么上升/下降时间要用1 kΩ负载来规定？

答：1 kΩ负载代表了测试和简单电路的常见负载条件。您应用中的实际响应时间将取决于您具体电路的负载电阻和寄生电容，如图6所示。

问：这个光电二极管能用于可见光检测吗？

答：虽然硅材料本身对可见光敏感（如其光谱曲线向下延伸至约600nm所示），但黑色环氧树脂封装起到了强滤光片的作用。与其在940 nm处的峰值相比，其在可见光谱中的灵敏度将大大衰减。它主要是为近红外应用设计的。

问：如何理解特性表中的“Typ.”值？

答：“Typ.”代表典型值，是指在规定条件下的预期平均值。它不被保证。出于设计目的，特别是对于关键参数，您应使用“Min.”或“Max.”值，以确保您的电路在所有生产变化和条件下都能正常工作。

10. 实际设计与使用示例

示例1：简单的物体检测开关

可以通过将PD438B/S46与一个红外LED（例如，发射波长为940 nm）配对来构建一个基本的光电开关。光电二极管反向偏置连接，并通过一个上拉电阻连接到Vcc（例如，5V）。电阻和光电二极管阴极之间的输出节点连接到比较器或微控制器的数字输入引脚。当物体中断LED和光电二极管之间的红外光束时，光电流下降，导致输出节点的电压上升，从而触发检测信号。快速响应时间允许检测快速移动的物体。

示例2：带微控制器的环境光传感器

对于模拟光强测量，可以将光电二极管连接到跨阻放大器。TIA的输出电压与入射红外光强度成正比，然后馈入微控制器的模数转换器（ADC）输入。MCU可以利用该读数自动调整显示器亮度或判断是否存在红外遥控信号。集成的红外滤光片有助于确保读数专门针对环境光的红外分量。

11. 工作原理简介

PIN光电二极管是一种将光转换为电流的半导体器件。它由一层夹在P型层和N型层之间的本征（未掺杂或轻掺杂）半导体材料（“I”区）组成。当能量大于半导体带隙（对于硅，波长小于约1100 nm的光）的光子撞击器件时，它们可以在本征区产生电子-空穴对。当施加反向偏置电压时，它会在本征区产生强电场。该电场迅速将光生载流子扫向各自的端子——电子扫向N侧，空穴扫向P侧——从而在外电路中产生可测量的光电流。本征区的宽度是关键：它允许有效的载流子产生和收集，同时保持器件电容较低。

12. 技术趋势与背景

像PD438B/S46这样的硅PIN光电二极管代表了一种成熟且高度可靠的技术。该领域的当前趋势集中在几个方面：小型化：为可穿戴设备和手机等空间受限的应用开发更小的封装尺寸（例如，芯片级封装）。集成化：将光电二极管与放大、数字化和信号处理电路集成在单个芯片上，以创建智能光学传感器。性能提升：研究雪崩光电二极管（APD）等结构，用于需要极高灵敏度的应用，尽管这些结构更复杂且昂贵。新材料：探索锗或III-V族化合物（例如，InGaAs）等材料，用于标准硅无法探测的更长红外波长检测。对于高达1100 nm的主流近红外应用，硅凭借其优异的可制造性和性能，仍然是主导的、具有成本效益的选择材料。