PD95-21B/TR10 光電二極體規格書 - 1.9mm 圓形SMD封裝 - 黑色透鏡 - 峰值靈敏度 940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD95-21B/TR10 是一款專為高效能光感測應用設計的超小型表面黏著元件。它是一款矽基PIN光電二極體，這是一種將光能轉換為電流的基本半導體元件。該元件封裝於緊湊的1.9mm直徑圓形封裝內，具有獨特的Z型彎折引腳配置，適合自動化組裝製程。封裝頂部配備黑色塑膠透鏡，有助於定義視場角並提供一定的環境防護。其主要功能是偵測紅外線輻射，其光譜特性經過特別調校，以匹配常見的紅外線發射二極體，使其成為光電系統中理想的接收元件。

2. 主要特性與應用

2.1 核心優勢

此光電二極體提供多項對現代電子設計至關重要的效能優勢：

• 快速響應時間：PIN結構及其本徵區，允許快速的載子收集，使元件能夠快速響應光強度的變化。這對於數據通訊、脈衝偵測和高速感測至關重要。
• 高光靈敏度：它能從低入射光強度中有效地產生可量測的電流，從而改善偵測電路中的訊噪比。
• 低接面電容：低電容對於維持高頻寬和快速響應至關重要，因為它能最小化偵測電路的RC時間常數。
• 穩固的製造相容性：此元件設計可承受標準的紅外線迴焊和氣相迴焊製程，有助於實現可靠的PCB組裝。
• 環保合規性：此元件為無鉛設計，符合歐盟REACH法規，並滿足無鹵素要求，符合全球環保與安全標準。

2.2 目標應用

此光電二極體專為需要可靠紅外線偵測的系統而設計。典型的應用領域包括：

• 紅外線應用系統：涵蓋廣泛範圍，包括遙控器、接近感測器、物體偵測以及遮斷式光學開關。
• 影印機與印表機：用於紙張偵測、碳粉量感測以及需要精確偵測反射光或透射光的掃描機構。
• 汽車感測器：適用於車輛內的非關鍵性感測專案，例如雨滴感測器、微光感測器或車內佔用偵測，其可靠性在整個溫度範圍內都很重要。

3. 技術參數分析

3.1 絕對最大額定值

這些極限定義了可能導致永久損壞的應力條件。操作應始終在此範圍內進行。

• 反向電壓 (V_R)：32 V。可施加於二極體兩端的最大反向偏壓，而不會導致崩潰。
• 操作溫度 (T_opr)：-25°C 至 +85°C。元件被指定能正常運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度 (T_stg)：-40°C 至 +85°C。非操作狀態下的儲存溫度範圍。
• 焊接溫度 (T_sol)：最高260°C，持續時間不超過5秒。這定義了迴焊焊接期間的峰值溫度耐受度。
• 功率消耗 (P_d)：在25°C時為150 mW。元件可安全以熱能形式消散的最大功率。

3.2 電光特性 (Ta=25°C)

這些參數定義了元件在典型操作條件下的效能。

• 光譜頻寬 (λ_0.5)：730 nm 至 1100 nm。這是光電二極體響應度至少為其峰值一半的波長範圍。它確認了元件在近紅外光譜範圍內具有靈敏度。
• 峰值靈敏度波長 (λ_P)：940 nm (典型值)。光電二極體最敏感的入射光波長。這與許多標準GaAlAs紅外線LED的發射峰值完美匹配。
• 短路電流 (I_SC)：在 E_e=1 mW/cm², λ=875 nm 條件下為 4 µA (典型值)。當光電二極體端子短路時產生的電流。這是光電流產生效率的直接量度。
• 反向光電流 (I_L)：在 E_e=1 mW/cm², λ=875 nm, V_R=5V 條件下為 4 µA (典型值)。在光照下反向偏壓時流動的電流。與零偏壓相比，在反向偏壓下操作通常能提供更快的響應和更線性的輸出。
• 反向暗電流 (I_D)：在 V_R=10V 條件下為 10 nA (最大值)。在完全黑暗的反向偏壓條件下流動的小量漏電流。低暗電流對於偵測微弱光訊號至關重要，因為它代表了元件的雜訊基底。
• 反向崩潰電壓 (V_BR)：32 V (最小值), 170 V (典型值)。反向電流急遽增加的電壓。元件絕不應在此點附近操作。

4. 效能曲線分析

規格書中引用了典型的效能曲線，這些曲線提供了比單點規格更深入的見解。

4.1 光譜靈敏度 (圖 1)

此曲線以圖形方式表示光電二極體的響應度與入射光波長的函數關係。它將顯示一個鐘形曲線，峰值約在940 nm，並在峰值靈敏度一半處向指定的730 nm和1100 nm點逐漸下降。此曲線對於將光電二極體匹配到特定光源至關重要，以確保最大的訊號強度。

4.2 反向光電流 vs. 輻照度 (圖 2)

此圖說明了產生的光電流 (I_L) 與入射光功率密度 (E_e) 之間的關係。對於在其線性區域內運作良好的PIN光電二極體，此關係應具有高度線性。此線的斜率代表光電二極體的響應度。這種線性對於類比光測量應用至關重要。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

此元件為直徑1.9mm的圓形封裝。規格書中提供了詳細的機械圖紙，指定了所有關鍵尺寸，包括本體直徑、高度、引腳間距和引腳尺寸。除非另有說明，所有尺寸均以毫米為單位，標準公差為±0.1mm。"Z型彎折"引腳樣式旨在為表面黏著提供穩定的佔位面積並緩解機械應力。

5.2 極性識別

光電二極體是一個有極性的元件。規格書圖紙明確標示了陰極和陽極端子。在電路板組裝過程中必須注意正確的極性，以確保在反向偏壓配置下正常運作。

5.3 載帶與捲盤規格

為了自動化組裝，元件以載帶和捲盤形式供應。規格書包含載帶凹槽尺寸、捲盤直徑和方向的尺寸。標準包裝數量為每捲1000個。

6. 焊接與組裝指南

6.1 儲存與濕度敏感性

此光電二極體對濕度敏感。必須採取預防措施，以防止在迴焊焊接過程中發生爆米花效應或分層：

• 將未開封的包裝袋儲存在 ≤30°C 和 ≤90% RH 的環境中。
• 在一年內使用元件。
• 開封後，儲存在 ≤30°C 和 ≤70% RH 的環境中。
• 在打開防潮袋後的168小時內使用。
• 如果超過儲存時間或乾燥劑顯示濕氣侵入，請在使用前以60±5°C烘烤24小時。

6.2 迴焊焊接溫度曲線

建議採用無鉛迴焊焊接溫度曲線。應控制曲線以確保本體峰值溫度不超過260°C超過5秒。迴焊焊接不應執行超過兩次，以避免對塑膠封裝和半導體晶片造成熱損傷。

6.3 手工焊接與返修

如果需要手工焊接，需要極度小心：

• 使用溫度低於350°C、功率低於25W的烙鐵。
• 每個引腳的接觸時間限制在3秒內。
• 在焊接每個引腳之間，至少冷卻2秒。
• 加熱過程中避免對元件施加機械應力。
• 強烈不建議進行返修。如果不可避免，應使用專用的雙頭烙鐵同時加熱兩個引腳，以防止熱應力。在任何返修嘗試後，必須驗證元件的功能。

6.4 電路板設計考量

焊接後，電路板不應翹曲或彎曲，因為這會將應力傳遞到脆弱的半導體晶片或焊點，可能導致故障。

7. 應用設計考量

7.1 過電流保護

一個關鍵的設計注意事項：光電二極體本身沒有內部限流功能。當在反向偏壓下操作時，如果元件暴露在光線下，即使電壓小幅增加也可能導致電流大幅且可能具破壞性的增加。因此，在偏壓電路中必須使用外部串聯電阻，以在明亮光照條件下限制最大電流並防止燒毀。

7.2 偏壓與介面電路

光電二極體可在兩種主要模式下使用：

1. 光導模式：施加反向偏壓電壓會加寬耗盡區，降低接面電容並加快響應時間。這是高速和線性應用的首選模式。輸出是一個電流源，通常使用跨阻放大器轉換為電壓。
2. 光伏模式：光電二極體在光照下產生自身的電壓，運作類似太陽能電池。此模式提供非常低的暗電流，但響應較慢且線性度較差。它適用於以簡單性為關鍵的低頻光測量。

7.3 光學設計

黑色透鏡提供了定義的視角。為了獲得最佳效能，系統設計應考慮紅外線光源與光電二極體之間的對準，以及可能在其光譜範圍內的環境光干擾源。在高環境光環境中可能需要使用光學濾波器。

8. 技術比較與選型

PD95-21B/TR10 屬於帶有黑色透鏡的矽光電二極體類別。在選擇光電二極體時，工程師應根據應用需求比較關鍵參數：響應速度、靈敏度、與光源的光譜匹配度、封裝尺寸以及環境穩健性。此元件結合了小尺寸、良好靈敏度、快速響應和SMD相容性，使其成為空間受限、大量生產的消費性和工業紅外線感測應用的有力候選者，在可靠性和成本之間取得平衡。_L9. 運作原理

PIN光電二極體是一種具有三層結構的半導體元件：P型、本徵型和N型矽。當能量大於矽能隙的光子撞擊本徵區時，會產生電子-電洞對。在反向偏壓的PIN二極體中，寬廣本徵區內的電場將這些載子掃向各自的端子，產生與入射光強度成正比的光電流。寬廣的本徵區是其效能的關鍵：它為光子吸收創造了大的耗盡區，並降低了接面電容。

10. 免責聲明與使用注意事項

規格書中提供的資訊代表製造商在發布時的規格。典型的效能曲線僅供參考，不代表保證的最小值或最大值。設計者有責任在元件的絕對最大額定值內操作，並在特定的最終應用中驗證其效能。除非獲得元件製造商的明確認證和批准，否則本產品通常不適用於安全關鍵、生命維持、軍事或汽車主要系統。

The information provided in a datasheet represents the manufacturer's specifications at the time of publication. Typical performance curves are for reference and do not represent guaranteed minimum or maximum values. It is the responsibility of the designer to operate the device within its Absolute Maximum Ratings and to validate performance in the specific end application. This product is generally not intended for use in safety-critical, life-support, military, or automotive primary systems without explicit qualification and approval from the component manufacturer.