5mm 光電二極體 PD333-3C/H0/L2 規格書 - 5mm 直徑 - 32V 逆向電壓 - 940nm 峰值靈敏度 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD333-3C/H0/L2 是一款高速、高靈敏度的矽 PIN 光電二極體，封裝於標準 5mm 直徑的塑膠封裝內。此元件專為需要快速光學偵測的應用而設計，利用其低接面電容與快速響應時間。採用水清環氧樹脂作為透鏡材料，使其對包括可見光與紅外線在內的寬廣光譜敏感，其峰值靈敏度特別位於近紅外線區域。其主要設計目標是在緊湊、成本效益高的感測解決方案中提供可靠的性能。

2. 技術參數深度解析

本節客觀分析規格書中指定的關鍵電氣與光學參數。

2.1 絕對最大額定值

此元件的最大逆向電壓 (VR) 額定值為 32V，定義了在不冒永久損壞風險下可施加的偏壓上限。工作溫度範圍 (Topr) 為 -25°C 至 +85°C，適用於大多數商業與工業環境。儲存溫度範圍更寬，為 -40°C 至 +100°C。焊接溫度 (Tsol) 指定為 260°C，這是無鉛迴焊製程的標準峰值溫度。在環境溫度 25°C 或以下時，功耗 (Pc) 為 150 mW，此參數對於應用電路中的熱管理至關重要。

2.2 電氣與光學特性

其光譜響應範圍寬廣，涵蓋從 400 nm 到 1100 nm 的頻寬 (λ0.5)，典型峰值靈敏度波長 (λP) 為 940 nm。這使其非常適合紅外線感測應用，例如使用 850nm 或 940nm 紅外線 LED 的應用。關鍵靈敏度參數包括：在 940nm、1 mW/cm² 輻照度 (Ee) 下測得的典型開路電壓 (VOC) 為 0.39V，短路電流 (ISC) 為 40 μA。在 5V 逆向偏壓下，相同輻照度條件下的典型逆向光電流 (IL) 為 40 μA。逆向暗電流 (ID) 是低光性能的關鍵參數，在 VR=10V 時典型值為 5 nA，最大值為 30 nA。總接面電容 (Ct) 在 VR=5V 和 1 MHz 下典型值為 18 pF，這直接影響元件的速度。當使用 VR=10V 和 100Ω 負載電阻 (RL) 測量時，上升與下降時間 (tr/tf) 典型值各為 45 ns，證實了其高速能力。視角 (2θ1/2) 為 80 度。

3. 性能曲線分析

規格書包含數條典型性能曲線，用以說明關鍵參數如何隨操作條件變化。這些曲線對於設計工程師預測實際性能至關重要。

3.1 光譜靈敏度

光譜靈敏度曲線顯示了光電二極體在大約 400 nm 到 1100 nm 波長範圍內的相對響應度。曲線在 940 nm 附近急遽達到峰值，證實了其對近紅外線光的優化。在深可見光區域及超過 1100 nm 後，靈敏度會顯著下降。

3.2 溫度依存性

兩條曲線突顯了溫度效應：功耗 vs. 環境溫度，以及逆向暗電流 vs. 環境溫度。功耗降額曲線顯示了當環境溫度超過 25°C 時，最大允許功耗如何降低。暗電流曲線顯示 ID 隨溫度呈指數增長，這是半導體接面的常見特性。對於在高溫下運作的應用，這點至關重要，因為增加的暗電流會提高雜訊基底。

3.3 線性度與動態響應

逆向光電流 vs. 輻照度 (Ee) 曲線說明了光電二極體的線性度。在指定的輻照度範圍內，光電流 (IL) 應與入射光功率呈線性增長。響應時間 vs. 負載電阻曲線顯示了上升/下降時間 (tr/tf) 如何隨著負載電阻 (RL) 增加而增加。對於高速應用，需要使用低阻值的負載電阻（如規格中使用的 100Ω），儘管它會產生較小的輸出電壓擺幅。

3.4 電容 vs. 電壓

端點電容 vs. 逆向電壓曲線顯示，接面電容 (Ct) 會隨著逆向偏壓增加而減少。這是由於空乏區變寬所致。因此，施加較高的逆向偏壓（在限制內）可以透過降低電容來提高速度，但代價是可能產生較高的暗電流。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

此元件採用標準的徑向引線 5mm (T-1 3/4) 封裝。詳細的尺寸圖指定了直徑、引腳間距、引腳長度和透鏡形狀。一個關鍵註記說明，除非另有說明，尺寸公差為 ±0.25mm。陽極與陰極已標識，較長的引腳通常為陽極（在光伏模式下的正極側）。

4.2 極性辨識

極性由引腳長度指示。較長的引腳是陽極（P 側），較短的引腳是陰極（N 側）。當在光導模式（逆向偏壓）下操作時，陰極應連接到正電源電壓。

5. 焊接與組裝指南

焊接溫度的絕對最大額定值為 260°C。這符合常見的無鉛迴焊溫度曲線。在手動焊接期間，應注意盡量減少熱暴露時間，以防止損壞塑膠封裝和環氧樹脂透鏡。元件應儲存在指定的儲存溫度範圍（-40°C 至 +100°C）內，並處於乾燥環境中，以防止吸濕，這可能會影響迴焊過程中的可靠性。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 包裝規格

標準包裝方式為：每袋 200-500 件，每內箱 5 袋，每主（外）箱 10 個內箱。

6.2 標籤規格

包裝上的標籤包含以下欄位：CPN（客戶產品編號）、P/N（產品編號）、QTY（包裝數量）、LOT No.（批次號碼，用於追溯性）以及日期代碼。這便於庫存管理和追溯性。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

規格書列出：高速光學偵測、安防系統和相機。具體而言，此光電二極體非常適合：

• 紅外線遙控接收器：搭配 940nm 紅外線 LED 和解調 IC 使用。
• 光學編碼器：用於印表機、馬達或工業設備中的速度與位置感測。
• 環境光感測 (ALS)：用於裝置中的顯示器背光控制，但其紅外線靈敏度可能需要濾光片才能準確測量可見光。
• 簡單物體偵測：與紅外線光源結合，用於接近感測或遮斷式感測器。
• 脈搏血氧儀（在醫療設備中，需具備適當資格）：感測紅光和紅外線光，但需要醫療認證。

7.2 設計考量

偏壓配置：對於高速或線性響應，請在光導模式（逆向偏壓）下使用光電二極體。通常使用跨阻放大器 (TIA) 電路將光電流轉換為電壓。TIA 中的回授電阻和電容必須根據所需的頻寬和光電二極體的電容（典型值 18 pF）來選擇。

雜訊最小化：保持光電二極體引腳短小，並使用防護佈局，以最小化寄生電容和電磁干擾的拾取。對於低光應用，可考慮冷卻元件以降低暗電流雜訊。

光學考量：水清透鏡允許可見光和紅外線通過。如果僅需要紅外線偵測，可以添加紅外線通過濾光片來阻擋可見光，並減少來自環境可見光源的雜訊。80 度的視角提供了寬廣的視野；如果需要，可以使用光學孔徑或透鏡來縮小視角。

8. 技術比較與差異化

與標準 PN 光電二極體相比，像 PD333-3C/H0/L2 這樣的 PIN 光電二極體在 P 層和 N 層之間有一個本徵 (I) 區域。這個本徵區域創造了更大的空乏區，從而帶來兩個關鍵優勢：1) 較低的接面電容：對於 5mm 元件而言，18 pF 的電容相對較低，從而實現更快的響應時間。2) 改善的線性度：更寬的空乏區允許在更寬的偏壓電壓和光強度範圍內更有效地收集電荷載子。與光電晶體管相比，光電二極體通常速度更快，輸出更線性，但產生的電流訊號小得多，需要更複雜的放大電路。

9. 常見問題（基於技術參數）

9.1 短路電流 (ISC) 與逆向光電流 (IL) 有何不同？

ISC 是在二極體兩端零偏壓（光伏模式）下測量的，而 IL 是在指定的逆向偏壓（光導模式）下測量的。IL 通常非常接近 ISC，但不完全相同。規格書顯示在相同的測試條件下，兩者的典型值均為 40 μA。

9.2 為何暗電流很重要？

暗電流是即使沒有光存在時也會流動的微小電流。它設定了感測器的雜訊基底。在低光應用中，低暗電流（此處典型值為 5 nA）對於實現良好的訊噪比至關重要。

9.3 如何為我的應用選擇負載電阻 (RL)？

選擇涉及速度與輸出振幅之間的權衡。小的 RL（例如 50Ω）提供快速響應（參見 tr/tf vs. RL 曲線），但輸出電壓較小（Vout = IL * RL）。大的 RL 提供較大的電壓，但由於光電二極體電容和 RL 形成的 RC 時間常數，響應速度較慢。對於數位脈衝偵測，通常優先考慮速度。

9.4 我可以將其與可見光源（如紅色 LED）一起使用嗎？

可以，光譜響應曲線顯示其對低至 400 nm 的光仍有顯著靈敏度。然而，其在 650 nm（紅色）的響應度將低於其 940 nm 峰值。與使用相同光功率的紅外線光源相比，您將獲得較小的訊號。

10. 設計與使用案例研究

案例：設計紅外線數據鏈路接收器。一位設計師需要接收來自 940nm 紅外線 LED、調變頻率為 38 kHz（常見遙控頻率）的調變數據。他們選擇 PD333-3C/H0/L2，因為其在 940nm 的高靈敏度和快速響應（45 ns 上升時間對於 38 kHz 綽綽有餘）。光電二極體以 5V 逆向偏壓。輸出連接到專用的紅外線接收 IC（包含 TIA、調諧至 38 kHz 的帶通濾波器和解調器）。設計師將光電二極體放置在靠近 IC 輸入引腳的位置，使用短走線，並在偏壓電源附近添加一個小的去耦電容，以最小化雜訊。在光電二極體前方放置一個紅外線透明視窗，以阻擋可見光並減少來自螢光燈的干擾（螢光燈可能以 100/120 Hz 閃爍）。

11. 工作原理

PIN 光電二極體是一種將光轉換為電流的半導體元件。當能量大於半導體能隙的光子撞擊元件時，它們會在本徵區域產生電子-電洞對。在內建電場（光伏模式）或施加的逆向偏壓（光導模式）的影響下，這些電荷載子被分開，產生與入射光功率成正比的可測量光電流。"I"（本徵）層是關鍵：它輕度摻雜，創造了一個寬廣的空乏區，降低了電容以提高速度，並通過提供更大的體積供光子吸收來改善量子效率。

12. 技術趨勢

光電二極體技術的總體趨勢是朝向更高整合度、更低雜訊和更強的應用特定性發展。這包括開發具有晶片上放大功能的光電二極體（整合光電二極體-放大器組合）、用於成像或多通道感測的陣列，以及具有定制光譜響應或內建光學濾光片的元件。同時，也有持續研究超越矽的材料（如 InGaAs）以用於擴展紅外線範圍的偵測。對於像 5mm PIN 光電二極體這樣的標準商業元件，重點仍然是降低成本、提高可靠性，並在保持速度和靈敏度等關鍵性能指標的同時，實現更緊密的參數分佈。