PD438C/S46 4.8mm 半透鏡矽PIN光電二極管規格書 - 4.8mm直徑 - 32V反向電壓 - 940nm峰值靈敏度 - 粵語技術文件

1. 產品概覽

PD438C/S46 係一款高性能矽PIN光電二極管，專為需要快速響應同對紅外光高靈敏度嘅應用而設計。佢採用緊湊嘅圓柱形側視塑膠封裝，直徑為4.8mm。呢個元件嘅一個關鍵特點係，其環氧樹脂封裝本身就充當咗一個集成紅外線（IR）濾鏡，光譜上同常見嘅紅外線發射器匹配，通過濾除唔需要嘅可見光，增強咗佢喺紅外線檢測系統中嘅性能。

呢款光電二極管嘅特點係響應時間快、光敏度高、接面電容細，適合用於高速光學檢測。佢採用無鉛物料製造，並符合相關環保法規。

2. 技術參數深入分析

2.1 絕對最大額定值

呢個元件設計喺指定極限內可靠運作。超出呢啲額定值可能會導致永久損壞。

• 反向電壓 (V_R):32 V - 可以施加喺光電二極管端子之間嘅最大反向偏壓電壓。
• 功耗 (P_d):150 mW - 喺指定條件下，元件可以耗散嘅最大功率，主要係以熱嘅形式。
• 工作溫度 (T_opr):-40°C 至 +85°C - 保證元件符合其公佈規格嘅環境溫度範圍。
• 儲存溫度 (T_stg):-40°C 至 +100°C - 當元件未通電時，安全儲存嘅溫度範圍。
• 焊接溫度 (T_sol):260°C，持續時間唔超過5秒，呢個係典型嘅無鉛回流焊接工藝要求。

2.2 電光特性

呢啲參數喺環境溫度 (T_a) 為25°C時測量，定義咗光電二極管嘅核心性能。

• 光譜帶寬 (λ_0.5):840 nm 至 1100 nm。呢個定義咗光電二極管響應度至少為其峰值一半嘅波長範圍。佢主要對近紅外區域敏感。
• 峰值靈敏度波長 (λ_p):940 nm（典型值）。光電二極管最敏感嘅光波長。呢個同好多IR LED嘅常見發射波長匹配。
• 開路電壓 (V_OC):0.35 V（典型值），當用940nm、輻照度 (E_e) 為5 mW/cm²嘅光照射時。呢個係光電二極管喺冇外接負載時產生嘅電壓。
• 短路電流 (I_SC):18 µA（典型值），喺 E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm 時。呢個係輸出短路時嘅光電流。
• 反向光電流 (I_L):18 µA（典型值，最小值 10.2 µA），喺 E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm，以及反向偏壓 (V_R) 為5V時。呢個係光導模式下嘅主要工作參數。
• 暗電流 (I_d):5 nA（典型值，最大值 30 nA），喺 V_R= 10V 且完全黑暗時。呢個係即使冇光存在時都會流動嘅微小漏電流，係信噪比嘅關鍵參數。
• 反向擊穿電壓 (BV_R):最小值 32V，典型值 170V，喺反向電流為100 µA時測量。呢個表示接面擊穿嘅電壓。
• 總電容 (C_t):18 pF（典型值），喺 V_R= 3V 且測試頻率為1 MHz時。較低嘅電容可以實現更快嘅響應時間。
• 上升/下降時間 (t_r/t_f):50 ns / 50 ns（典型值），喺 V_R= 10V 且負載電阻 (R_L) 為1 kΩ時。呢個指定咗光電二極管對光脈衝嘅響應速度。

關鍵參數嘅公差指定為：發光強度 ±10%，主波長 ±1nm，正向電壓 ±0.1V。

3. 性能曲線分析

規格書提供咗幾條特性曲線，說明咗唔同條件下嘅性能。呢啲對設計工程師嚟講係必不可少嘅。

3.1 光譜靈敏度

一條繪製相對靈敏度對應波長嘅曲線。佢確認咗大約喺940nm處嘅峰值靈敏度，並顯示光譜響應喺840-1100nm範圍邊界處逐漸下降。集成嘅環氧樹脂透鏡充當濾鏡，衰減目標IR波段以外嘅響應。

3.2 暗電流 vs. 環境溫度

呢條曲線通常顯示暗電流 (I_d) 隨溫度升高而指數式增加。理解呢個關係對於喺寬溫度範圍內運作嘅應用至關重要，因為佢定義咗可檢測光嘅下限（噪聲基底）。

3.3 反向光電流 vs. 輻照度 (E_e)

呢個圖表展示咗產生嘅光電流 (I_L) 同入射光功率密度之間嘅線性關係。喺指定條件下，光電二極管喺高度線性區域運作，呢個對於模擬光測量應用至關重要。

3.4 端子電容 vs. 反向電壓

接面電容 (C_t) 隨反向偏壓增加而減少。呢個係PN接面嘅基本特性。設計師可以用更高嘅偏壓來降低電容，從而提高帶寬同響應速度，但代價係暗電流會輕微增加。

3.5 響應時間 vs. 負載電阻

呢條曲線顯示上升/下降時間如何受外部負載電阻 (R_L) 嘅數值影響。較細嘅 R_L通常會導致更快嘅響應，但會產生較細嘅輸出電壓擺幅。呢個圖表有助於優化電路設計中速度同幅度之間嘅權衡。

3.6 功耗 vs. 環境溫度

說明咗最大允許功耗隨環境溫度升高而降低。喺溫度高於25°C時，元件無法耗散全部150mW，最大功率必須線性降低，喺最高接面溫度時降至零。

4. 機械及封裝資料

4.1 封裝尺寸

PD438C/S46 封裝喺一個圓柱形側視塑膠封裝內，標稱直徑為4.8mm。尺寸圖指定咗本體直徑、長度、引腳間距同引腳直徑。一個重要註明指出，除非圖紙另有說明，否則所有尺寸公差均為±0.25mm。側視配置對於光路平行於PCB表面嘅應用係理想嘅。

4.2 極性識別

極性通常標示喺封裝上或圖紙中。對於光電二極管，當喺反向偏壓（光導模式）下運作時，陰極通常連接到正電源電壓，而陽極則連接到電路地或跨阻放大器嘅輸入端。正確嘅極性對於正常運作至關重要。

5. 焊接及組裝指引

呢個元件適合標準表面貼裝組裝工藝。

• 回流焊接：建議嘅最高焊接溫度為260°C。元件引腳暴露喺呢個峰值溫度或以上嘅時間唔應超過5秒。呢個同典型嘅無鉛回流曲線（例如IPC/JEDEC J-STD-020）一致。
• 手動焊接：如果需要手動焊接，應使用溫控烙鐵。每個引腳嘅接觸時間應盡量縮短，以防止過多熱量傳遞到敏感嘅半導體晶片。
• 清潔：可以使用標準PCB清潔工藝，但應驗證清潔劑同塑膠封裝物料嘅兼容性。
• 儲存條件：元件應儲存喺其原裝防潮袋中，溫度喺-40°C至+100°C之間，並保持低濕度，以防止引腳氧化同封裝吸濕。

6. 包裝及訂購資料

6.1 包裝規格

標準包裝流程如下：500件裝喺一個袋入面。然後五個袋放入一個內箱。最後，十個內箱裝入一個主（外）箱。咁樣每個主箱總共有25,000件。

6.2 標籤規格

包裝上嘅標籤包含用於追溯同識別嘅關鍵信息：

• CPN：客戶產品編號（如有分配）。
• P/N：製造商產品編號（例如，PD438C/S46）。
• QTY：包裝內元件嘅數量。
• CAT, HUE, REF：分別係發光強度等級、主波長等級同正向電壓等級嘅代碼，表示性能分級。
• LOT No：製造批次號，用於追溯。
• REF：用於識別標籤嘅參考編號。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 高速光電探測器：適用於光數據鏈路、編碼器同脈衝檢測，其中50ns嘅響應時間係一個關鍵優勢。
• 相機應用：可以用於自動對焦系統、測光，或作為紅外線存在檢測器。
• 光電開關：用於物體檢測、槽型傳感器同限位開關。集成嘅紅外線濾鏡有助於抑制環境光干擾。
• 錄影機同攝錄機：歷史上用於磁帶計數器傳感器、遙控接收器或其他內部光學感應功能。

7.2 設計考慮因素

• 偏壓：建議喺光導模式（帶反向偏壓）下運作以實現高速同線性操作。典型偏壓為5V至10V，平衡速度（較低電容）同噪聲（較低暗電流）。
• 電路拓撲：為咗獲得最佳速度同線性度，使用跨阻放大器（TIA）將光電流轉換為電壓。TIA中嘅反饋電阻同電容必須根據所需帶寬同光電二極管嘅電容來選擇。
• 光學對準：側視封裝需要仔細嘅機械設計，以確保同光源正確對準，光源通常亦係側視IR LED。
• 環境光抑制：雖然環氧樹脂充當紅外線濾鏡，但對於有強紅外線源（例如陽光）嘅環境，可能需要額外嘅光學濾波或調製/解調技術。

8. 技術比較及差異

PD438C/S46 喺其類別中提供咗幾個明顯優勢：

• 集成紅外線濾鏡：同好多需要獨立濾鏡嘅基本光電二極管唔同，呢個封裝嘅環氧樹脂配方可以濾光，簡化組裝並減少元件數量。
• 側視封裝：4.8mm圓柱形側視封裝係一種特定外形，專為光路平行於PCB嘅應用而優化，提供緊湊且定向嘅視場。
• 平衡性能：佢喺速度（50ns）、靈敏度（1 mW/cm²下18 µA）同暗電流（5 nA）之間提供良好平衡，使其成為通用紅外線檢測嘅多功能選擇。
• 穩健額定值：具有32V反向電壓額定值同寬廣嘅工作溫度範圍（-40°C至+85°C），適合工業同汽車環境（根據免責聲明，非安全關鍵應用）。

9. 常見問題（基於技術參數）

問：喺光伏（零偏壓）模式同光導（反向偏壓）模式下運作有咩區別？

答：喺光伏模式（V_R=0V）下，光電二極管自己產生電壓（見 V_OC）。佢嘅暗電流非常低，但電容較高，響應較慢。光導模式（施加 V_R）會擴闊耗盡區，降低電容並加快響應（見 t_r/t_f），代價係一個細小但恆定嘅暗電流 (I_d)。對於高速檢測，首選光導模式。

問：我應該點樣理解反向光電流 (I_L)呢個參數？

答：呢個係電路設計中最有用嘅參數。佢話俾你知，喺特定光照條件下（940nm，1 mW/cm²）同5V反向偏壓下，你通常可以預期有18 µA嘅光電流。你嘅放大器電路必須設計成可以處理呢個電流範圍。最小值10.2 µA對於最壞情況設計非常重要。

問：點解暗電流咁重要？

答：暗電流係冇光存在時光電二極管中嘅主要噪聲來源。佢設定咗可檢測光嘅下限。較低嘅暗電流（呢個元件典型值為5 nA）意味住傳感器可以檢測到更微弱嘅光信號。請注意，暗電流大約每升高10°C就會翻倍。

問：我可唔可以用喺940nm以外嘅光源？

答：可以，但靈敏度會降低。請參考光譜靈敏度曲線。光電二極管會對大約840nm至1100nm嘅光有響應，但如果波長唔接近940nm峰值，相同光功率下嘅輸出電流會較低。

10. 實用設計及使用案例

案例：為自動水龍頭設計紅外線接近傳感器。

1. 系統方塊：一個IR LED（發射940nm）同PD438C/S46光電二極管並排放置喺半透明窗口後面。LED被脈衝驅動。當冇物體時，大部分紅外光會散開。當手靠近水龍頭時，反射嘅紅外光進入光電二極管。
2. 元件選擇理由：選擇PD438C/S46係因為其940nm峰值靈敏度同LED匹配。其封裝中嘅集成紅外線濾鏡有助於抑制來自頂燈嘅環境可見光，減少誤觸發。側視封裝允許發射器同探測器都平貼安裝喺PCB上，指向外面。
3. 電路設計：光電二極管用5V反向偏壓。其輸出連接到一個跨阻放大器。放大器嘅增益（反饋電阻）設定為，預期嘅反射信號（18 µA/mW/cm²嘅一小部分）會產生可用嘅電壓。放大器後面嘅比較器檢測呢個電壓何時超過設定閾值。
4. 優化：選擇LED脈衝頻率同持續時間時，要避開環境光閃爍嘅頻率（例如，來自市電照明嘅100Hz）。系統只檢測同LED脈衝同步嘅信號，從而提供極佳嘅抗噪能力。

11. 工作原理簡介

PIN光電二極管係一種半導體元件，具有一個寬闊、輕度摻雜嘅本徵（I）區域，夾喺P型同N型區域之間。當能量大於半導體帶隙（對於矽，波長短於約1100nm）嘅光子撞擊元件時，佢哋可以喺本徵區域產生電子-空穴對。喺內建電場（光伏模式）或施加嘅反向偏壓電場（光導模式）嘅影響下，呢啲電荷載流子被分開，產生一個與入射光強度成正比嘅光電流。同標準PN光電二極管相比，PIN結構中嘅寬闊本徵區域降低咗接面電容（實現更快響應）並增加咗光子吸收嘅體積（提高靈敏度）。

12. 技術趨勢及背景

像PD438C/S46咁樣嘅矽PIN光電二極管係成熟、可靠且具成本效益嘅近紅外檢測解決方案。目前該領域嘅趨勢包括：

• 集成化：趨向於集成解決方案，將光電二極管、放大器，有時甚至LED驅動器同數字邏輯集成到單一封裝或芯片中（例如，光電專用集成電路）。
• 微型化：為咗空間受限嘅應用（如移動設備），開發更細小嘅表面貼裝封裝（例如，芯片級封裝）中嘅光電二極管。
• 專用材料：對於超出矽截止波長（約1100nm）嘅波長，會使用像銦鎵砷（InGaAs）呢類材料。然而，由於成本低同製造工藝優良，矽喺可見光同近紅外光譜中仍然佔主導地位。
• 增強性能：持續嘅研究聚焦於通過先進嘅摻雜分佈同元件結構，進一步降低電容同暗電流，以提高速度同靈敏度。

PD438C/S46 喺呢個更廣闊嘅技術背景下，代表咗一個經過良好優化、針對特定應用嘅元件，為廣泛嘅工業同消費類紅外線感應任務提供咗性能、尺寸同成本之間嘅實用平衡。