PD204-6B/L3 光電晶體規格書 - 3mm 封裝 - 峰值靈敏度 940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD204-6B/L3 是一款高速、高靈敏度的矽 PIN 光電二極體，採用標準 3mm 塑膠封裝。此元件的光譜特性與可見光及紅外線發光二極體相匹配，其峰值靈敏度針對 940nm 波長進行了優化，適用於各種需要快速響應與可靠性能的感測應用。

此元件的關鍵優勢包括其快速響應時間、高光敏度以及低接面電容，這些特性有助於實現高效的訊號偵測。本產品符合 RoHS 與歐盟 REACH 法規，並以無鉛 (Pb-free) 製程製造。

2. 技術參數詳解

2.1 絕對最大額定值

本元件設計為在指定的環境與電氣限制範圍內可靠運作。超過這些額定值可能會導致永久性損壞。

• 反向電壓 (VR)：32 V - 可施加於光電二極體端子間的最大反向偏壓電壓。
• 工作溫度 (Topr)：-25°C 至 +85°C - 元件正常運作時的環境溫度範圍。
• 儲存溫度 (Tstg)：-40°C 至 +100°C - 元件未通電時的安全儲存溫度範圍。
• 焊接溫度 (Tsol)：最高 260°C，持續時間最長 5 秒，符合標準迴焊溫度曲線。
• 功率損耗 (Pc)：在自由空氣溫度 25°C 或以下時為 150 mW。

2.2 電氣與光學特性

這些參數定義了光電晶體在標準測試條件 (Ta=25°C) 下的核心性能。

• 光譜頻寬 (λ0.5)：760 nm 至 1100 nm。此定義了元件能維持至少一半峰值靈敏度的波長範圍。
• 峰值靈敏度波長 (λP)：940 nm (典型值)。元件對此紅外線波長的光最為敏感。
• 開路電壓 (VOC)：在 940nm 波長、輻照度 (Ee) 為 1 mW/cm² 的條件下，典型值為 0.42 V。
• 短路電流 (ISC)：在相同測試條件下 (Ee=1mW/cm², λp=940nm)，典型值為 4.3 μA。
• 反向光電流 (IL)：在 VR=5V、Ee=1mW/cm²、λp=940nm 條件下，最小值為 3.9 μA，典型值為 6 μA。這是二極體在反向偏壓且受光照時產生的光電流。
• 反向暗電流 (ID)：在 VR=10V、完全黑暗 (Ee=0mW/cm²) 條件下，最大值為 10 nA。這是即使沒有光存在時也會流動的微小漏電流。
• 反向崩潰電壓 (VBR)：在黑暗中，反向電流 (IR) 為 100μA 時測得的最小值為 32 V。
• 總電容 (Ct)：在 VR=5V、頻率 1MHz 條件下，典型值為 10 pF。較低的電容可實現更快的開關速度。
• 上升/下降時間 (tr/tf)：在 VR=10V、負載電阻 (RL) 為 100Ω 條件下，典型值為 10 ns / 10 ns，顯示其非常適合用於脈衝光偵測的快速響應能力。
• 視角 (2θ1/2)：45° (典型值)。此定義了元件能維持靈敏度的角度視野範圍。

相關應用中，發光強度的公差為 ±10%，主波長公差為 ±1nm，順向電壓公差為 ±0.1V。

3. 性能曲線分析

本規格書提供了數條特性曲線，用以說明元件在不同條件下的行為。這些對於設計工程師預測實際應用中的性能至關重要。

3.1 功率損耗 vs. 環境溫度

此曲線顯示最大允許功率損耗會隨著環境溫度超過 25°C 而降低。設計者必須據此降低功率處理能力，以確保長期可靠性。

3.2 光譜靈敏度

光譜響應曲線確認了元件在 940nm 的峰值靈敏度，以及其從約 760nm 至 1100nm 的有效範圍。它突顯了此元件非常適合使用常見紅外線 LED 的應用。

3.3 反向暗電流 vs. 環境溫度

暗電流會隨溫度呈指數增長。此曲線對於在高溫環境下運作的應用至關重要，因為較高的暗電流會增加雜訊，並可能影響低光條件下的訊噪比。

3.4 反向光電流 vs. 輻照度 (Ee)

此圖表展示了在特定範圍內，產生的光電流 (IL) 與入射光強度（輻照度）之間的線性關係。它確認了元件可預測且線性的光度響應。

3.5 端子電容 vs. 反向電壓

接面電容 (Ct) 會隨著反向偏壓電壓增加而降低。對於高速應用，較低的電容是理想的，此曲線有助於選擇最佳的工作偏壓點。

3.6 響應時間 vs. 負載電阻

此曲線顯示上升與下降時間 (tr/tf) 如何受到外部負載電阻 (RL) 值的影響。使用較小的負載電阻可實現更快的響應，但這會與訊號振幅產生取捨。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

本元件採用標準 3mm 徑向引線封裝。尺寸圖標明了本體直徑、引腳間距與引腳尺寸。所有未指定的公差為 ±0.25mm。透鏡顏色為黑色。

4.2 極性辨識

陰極（負極端子）通常由封裝本體上的平面標記或較長的引腳來指示。在電路組裝時必須注意正確的極性，以確保正常的反向偏壓運作。

5. 焊接與組裝指南

此元件適用於標準 PCB 組裝製程。

• 迴焊：最高焊接溫度為 260°C，在此溫度或以上的時間不得超過 5 秒，以防止對塑膠封裝與半導體晶片造成熱損傷。
• 手動焊接：若需手動焊接，應使用溫控烙鐵，並將接觸時間降至最低（通常每引腳少於 3 秒）。
• 清潔：使用與塑膠封裝材料相容的清潔劑。
• 儲存：儲存於乾燥、防靜電的環境中，並在指定的儲存溫度範圍 -40°C 至 +100°C 內。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 包裝數量規格

標準包裝如下：每袋 200-1000 顆，每盒 4 袋，每箱 10 盒。這為原型製作與量產提供了靈活性。

6.2 標籤格式規格

產品標籤包含用於追溯與識別的關鍵資訊：

• CPN：客戶產品編號
• P/N：產品編號 (例如：PD204-6B/L3)
• QTY：包裝數量
• CAT, HUE, REF：發光強度、主波長與順向電壓的分級（若有分級）。
• LOT No：製造批號，用於追溯。
• X：生產月份。

7. 應用建議

7.1 典型應用情境

PD204-6B/L3 非常適合各種光電感測應用，包括：

• 自動門感測器：偵測紅外線光束的中斷，以觸發門的開關機制。
• 影印機與印表機：用於紙張偵測、邊緣感測或碳粉量監控。
• 遊戲機/街機系統：用於物體偵測、互動控制或位置感測。
• 通用紅外線感測：遙控接收器、接近感測器以及需要快速、可靠偵測 940nm 紅外線光的工業自動化應用。

7.2 設計考量

• 偏壓電路：在反向偏壓（光導模式）下操作光電二極體，以獲得最佳速度與線性度。如規格所示，典型的反向電壓為 5V 至 10V。
• 負載電阻 (RL)：根據響應速度（頻寬）與輸出電壓擺幅之間的取捨來選擇 RL。建議使用跨阻放大器 (TIA) 電路，將微小的光電流轉換為可用的電壓，同時保持高速與低雜訊。
• 光學考量：確保與光源（通常是 940nm 的紅外線 LED）正確對準。應考慮 45° 視角所決定的視野範圍。使用光學濾波片有助於阻擋不需要的環境光，特別是可見光。
• 雜訊抑制：對於敏感的應用，應遮蔽元件及其電路，以避免電氣雜訊干擾。保持走線短，使用旁路電容，並考慮高工作溫度下暗電流的影響。

8. 技術比較與差異化

與響應時間較慢的標準光電二極體或光電晶體相比，PD204-6B/L3 提供了顯著的優勢：

• 高速：具有 10ns 的上升/下降時間，比許多通用光電晶體快得多，能夠偵測快速調變的訊號。
• PIN 結構：PIN 光電二極體的結構提供了比標準 PN 光電二極體更寬的耗盡區，從而實現更低的接面電容 (10pF) 與更高的速度。
• 優化的光譜：940nm 的峰值靈敏度與常見、低成本的紅外線 LED 輸出精確匹配，最大化系統效率。
• 標準封裝：3mm 徑向封裝是業界常見的外形規格，易於整合到現有設計中，並與標準 PCB 焊盤相容。

9. 常見問題解答 (基於技術參數)

9.1 在光伏模式（零偏壓）與光導模式（反向偏壓）下運作有何差異？

在光伏模式 (V_R=0V) 下，光電二極體會產生電壓 (V_OC)。此模式具有零暗電流，但響應較慢且線性度較差。PD204-6B/L3 規格列出 VOC=0.42V。在光導模式（施加反向偏壓，例如 V_R=5V）下，會施加外部電壓。這降低了接面電容（實現更快的響應，如 10ns tr/tf 所示），改善了線性度，並允許更大的有效區域，但會引入暗電流 (I_D)。對於此元件所針對的高速應用，建議使用光導模式。

9.2 如何將光電流 (I_L) 轉換為可量測的電壓？

最簡單的方法是使用一個串聯的負載電阻 (R_L)。輸出電壓為 V_out = I_L * R_L。然而，隨著 R_L 增加，RC 時間常數（與二極體電容相關）也會增加，從而減慢響應速度（如響應時間 vs. 負載電阻曲線所示）。為了獲得最佳性能，特別是在電流小且需要速度的情況下，跨阻放大器 (TIA) 是首選電路。它提供穩定、低阻抗的輸出電壓 (V_out = -I_L * R_f)，同時將光電二極體保持在虛擬接地，最大限度地減少電容的影響。

9.3 為何暗電流很重要？溫度如何影響它？

暗電流 (I_D) 是沒有光存在時流動的雜訊電流。它設定了可偵測光強度的下限。規格書規定在 25°C 時最大值為 10nA。此電流大約每升高 10°C 就會翻倍。因此，在高溫環境中或進行極低光偵測時，暗電流可能成為顯著的雜訊來源，必須在電路設計中考慮（例如，透過溫度補償或同步偵測技術）。

9.4 此感測器能否用於 940nm 以外的光源？

可以，但靈敏度會降低。光譜響應曲線顯示從 760nm 到 1100nm 有顯著的靈敏度。例如，它會對 850nm LED 產生響應，但在相同光強度下產生的光電流將低於使用 940nm 光源的情況。進行精確設計時，請務必參考相對光譜靈敏度曲線（若提供完整版），或計算在所需波長下的響應度。

10. 實務設計案例分析

設計案例：用於安全閘門的紅外線光束遮斷感測器。

目標：建立一個可靠、快速的感測器，用於偵測物體何時遮斷不可見的紅外線光束，從而觸發安全警報。

實作方式：

1. 發射器：一個 940nm 紅外線 LED 由脈衝電流驅動（例如，38kHz 的 20mA 脈衝），以提供抗環境光干擾能力並降低平均功耗。
2. 接收器：將 PD204-6B/L3 放置在發射器對面，並在其 45° 視角內對準。透過一個負載電阻對其施加 5V 反向偏壓。
3. 訊號調理：來自光電二極體的微小交流光電流訊號（疊加在直流暗電流上）被送入一個調諧至 38kHz 的高增益帶通放大器。這可以濾除直流環境光與低頻雜訊。
4. 偵測：然後將放大後的訊號進行整流並與一個閾值進行比較。當光束未被遮斷時，存在強烈的 38kHz 訊號，比較器輸出為高電位。當物體遮斷光束時，訊號消失，導致比較器切換為低電位並啟動警報。

為何 PD204-6B/L3 適用：其快速的 10ns 響應時間能輕鬆處理 38kHz 的調變訊號。在 940nm 的高靈敏度確保了來自匹配紅外線 LED 的良好訊噪比。低電容特性使得即使加入必要的濾波元件，電路仍能保持靈敏。

11. 工作原理

像 PD204-6B/L3 這樣的 PIN 光電二極體，其運作基於內部光電效應的原理。元件結構由一個寬的、輕度摻雜的本質 (I) 半導體區域夾在 P 型與 N 型區域之間組成。當能量大於半導體能隙的光子（例如，對於矽而言是 940nm 的紅外線光）撞擊本質區域時，會產生電子-電洞對。當二極體處於反向偏壓時，跨越耗盡區（延伸穿過本質層）的內建電場會將這些電荷載子掃向各自的端子，產生與入射光強度成正比的光電流 (I_L)。寬廣的本質區域降低了電容，並允許有效收集在更大體積內產生的載子，從而貢獻了速度與靈敏度。

12. 產業趨勢與背景

像 PD204-6B/L3 這樣的光偵測器是光電與感測領域不斷成長中的基礎元件。當前推動對此類元件需求的趨勢包括：

• 自動化與工業 4.0：在製造業中，越來越多地使用非接觸式感測器進行位置、存在與品質控制。
• 消費性電子產品：整合到裝置中用於接近感測（例如，通話時關閉智慧型手機螢幕）、環境光感測以控制顯示器亮度，以及手勢辨識。
• 物聯網 (IoT)：用於智慧家庭裝置、安全系統與環境監控的低功耗、可靠感測器。
• 技術進步：總體趨勢是朝向更高整合度（例如，帶有晶片上放大器的光電二極體）、更小的封裝（表面黏著元件）、更低的功耗，以及針對特定波長（如 LiDAR、生物醫學感測和光通訊應用）的增強性能。像 PD204-6B/L3 這樣的元件，代表了滿足主流紅外線感測需求的成熟、可靠且具成本效益的解決方案。

13. 免責聲明與使用注意事項

源自規格書免責聲明的關鍵使用指南包括：

1. 規格可能變更。設計時請務必參考最新的官方規格書。
2. 在正常儲存條件下，本產品自出貨之日起 12 個月內符合其公布的規格。
3. 特性曲線顯示的是典型性能，並非保證的最小值或最大值。設計時應保留適當的餘裕。
4. 嚴格遵守絕對最大額定值。超出這些限制運作可能導致立即或潛在的故障。製造商對因誤用造成的損壞概不負責。
5. 本資訊為專有資訊。未經許可禁止複製。
6. 此元件並非為安全關鍵應用（例如醫療生命維持、汽車控制、航空或軍事系統）而設計或認證。對於此類應用，請聯繫製造商以獲取經過特殊認證的產品。