PD438C 4.8mm 半透鏡矽質PIN光電二極體規格書 - 4.8mm直徑 - 32V逆向電壓 - 150mW功率消耗 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD438C是一款高速、高靈敏度的矽質PIN光電二極體，封裝於圓柱形側視塑膠外殼中。其主要功能是將入射光（特別是紅外光譜）轉換為電流。此元件的關鍵特色在於其環氧樹脂封裝本身即作為一個整合式紅外線濾波器，其光譜特性與常見的紅外線發射器相匹配。此設計減少了對外部濾波器的需求，從而簡化了系統整合。該元件具有快速響應時間、高光敏度以及低接面電容等特點，使其非常適合需要快速且準確光線偵測的應用。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

本元件設計為在以下絕對極限內可靠運作，超出此範圍可能導致永久性損壞。最大逆向電壓（V_R）為32V。功率消耗（P_d）不得超過150 mW。工作溫度範圍（T_opr）為-40°C至+85°C，而儲存溫度（T_stg）範圍則從-40°C延伸至+100°C。在組裝時，焊接溫度（T_sol）應保持在260°C，且持續時間不得超過5秒，以防止對封裝和半導體晶片造成熱損傷。

2.2 電氣與光學特性

在標準測試條件下（Ta=25°C），PD438C展現出以下關鍵性能參數。其光譜響應頻寬（λ_0.5）範圍為400 nm至1100 nm，峰值靈敏度波長（λ_p）通常位於940 nm，使其與常見的紅外線光源完美匹配。當在940 nm波長下以5 mW/cm²的輻照度照射時，典型的開路電壓（V_OC）為0.35V。在940 nm波長、1 mW/cm²輻照度下，典型的短路電流（I_SC）為18 µA。在5V逆向偏壓及相同輻照度下，逆向光電流（I_L）典型值為18 µA（最小值10.2 µA）。暗電流（I_d），即在無光狀態下的漏電流，在10V逆向電壓下典型值為5 nA（最大值30 nA）。總端子電容（C_t）在3V逆向偏壓及1 MHz頻率下典型值為25 pF。上升與下降時間（t_r/t_f）在10V逆向偏壓及1 kΩ負載電阻下運作時，典型值均為50 ns。

3. 性能曲線分析

本規格書提供了數條對設計工程師至關重要的特性曲線。光譜靈敏度曲線顯示了光電二極體在其工作波長範圍內的相對響應度，確認了在940 nm處的峰值。功率消耗 vs. 環境溫度圖表說明了最大允許功率隨工作溫度升高而降額的情況，這對於熱管理至關重要。暗電流 vs. 環境溫度曲線展示了漏電流如何隨溫度升高而增加，這是低光照或高溫應用中的關鍵因素。逆向光電流 vs. 輻照度 (Ee)圖表顯示了入射光功率與產生的光電流之間的線性關係，確認了元件響應的可預測性。端子電容 vs. 逆向電壓曲線顯示了接面電容如何隨逆向偏壓增加而降低，這直接影響元件的速度。最後，響應時間 vs. 負載電阻圖表展示了上升/下降時間如何受外部負載影響，為速度關鍵電路選擇合適的負載電阻提供指引。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

PD438C採用圓柱形側視封裝，標稱直徑為4.8mm。詳細的機械圖紙指定了所有關鍵尺寸，包括引腳間距、封裝高度和透鏡幾何形狀。圖紙註明，除非另有說明，尺寸公差通常為±0.25mm。側視配置特別適用於光路平行於安裝表面的應用，例如槽型感測器或邊緣偵測系統。

4.2 極性辨識

本元件為雙端子元件。陰極通常可透過較長的引腳、封裝體上的凹口或平面標記來識別。在光導模式下施加逆向偏壓以獲得最佳性能時，正確的極性連接至關重要。

5. 焊接與組裝指南

本元件的額定焊接峰值溫度為260°C。關鍵在於，高於液相線溫度（對於無鉛焊料通常約為217°C）的時間應限制在最多5秒內，以防止對環氧樹脂封裝和內部引線接合點造成過度的熱應力。適用於無鉛組裝的標準迴焊或波焊製程曲線通常適用。在處理和放置過程中應注意避免對引腳施加機械應力。

6. 包裝與訂購資訊

標準包裝規格為每袋500件。六袋組合成一個內箱，十個內箱構成一個主運送箱，因此每個主箱總共包含30,000件。產品標籤包含客戶料號（CPN）、製造商料號（P/N）、包裝數量（QTY）和批次追溯資訊（LOT No.）等欄位。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

PD438C非常適合各種光電應用。其高速特性使其成為高速光偵測（例如數據通訊鏈路或脈衝感測）的理想選擇。它常用於消費性電子產品，例如相機和攝錄影機（VCR、攝影機）中的自動對焦系統、測光或磁帶終端偵測。它可作為光電開關和遮斷器中的可靠感測器，用於位置感測、物體偵測和旋轉編碼器系統。整合的紅外線濾波器使其在與940 nm紅外線LED配對的系統中特別有效，能濾除不需要的可見光。

7.2 設計考量要點

在使用PD438C設計電路時，必須考慮幾個因素。為了速度最佳化，應以足夠的逆向偏壓（例如5V-10V）操作光電二極體，以最小化接面電容，並使用低阻值的負載電阻，如響應時間 vs. 負載電阻曲線所示，儘管這會與輸出電壓擺幅有所取捨。跨阻放大器配置通常是將微弱光電流轉換為可用電壓同時保持頻寬的首選方案。對於對雜訊敏感的應用，暗電流規格及其溫度依賴性至關重要；可能需要冷卻元件或使用同步偵測技術。光電流與輻照度的線性關係簡化了光功率測量設計。對於側視封裝方向，請確保光學孔徑和對準正確。

8. 技術比較與差異化

與沒有透鏡或濾波器的標準光電二極體相比，PD438C因其整合的半透鏡和紅外線濾波環氧樹脂而具有明顯優勢。這消除了對獨立光學濾波器的需求，減少了元件數量、組裝複雜性和成本。側視封裝是一種特定的外形規格，解決了在空間受限設計中無法使用頂視感測器的整合挑戰。其相對較高的速度（50 ns）和良好的靈敏度（1 mW/cm²下18 µA）相結合，為許多中階應用提供了平衡的性能表現，使其定位在極高速、低靈敏度元件與較慢速、高靈敏度光電二極體之間。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

問：半透鏡的目的是什麼？

答：半透鏡有助於將入射光聚焦到矽晶片的主動區域上，與平面視窗相比，增加了有效收集面積，從而提高了元件的響應度（靈敏度）。

問：為什麼峰值靈敏度在940 nm？

答：矽的固有吸收特性在近紅外區域達到峰值。940 nm是紅外線發射器（LED）非常常見的波長，因為它對人眼不可見且易於取得。環氧樹脂的調校正是為了匹配此波長。

問：我應該在光伏模式（零偏壓）還是光導模式（逆向偏壓）下使用此光電二極體？

答：為了獲得最高的速度和線性度，建議使用光導模式（施加逆向偏壓，例如5V）。它可以降低接面電容並擴大空乏區。光伏模式（零偏壓）提供較低的雜訊（無暗電流），但速度較慢。

問：溫度如何影響性能？

答：如曲線所示，暗電流隨溫度顯著增加，這可能成為雜訊來源。光電流本身也具有輕微的溫度係數。為了穩定運作，在精密應用中可能需要溫度補償或受控環境。

10. 實務設計與使用範例

範例1：紅外線接近感測器：一個紅外線LED以940 nm波長發出脈衝。反射光由PD438C偵測。側視封裝允許發射器和偵測器放置在同一塊PCB上，面向同一方向。PD438C中的整合紅外線濾波器有助於抑制環境可見光，提高反射紅外線訊號的信噪比。微控制器透過跨阻放大器測量光電二極體的電流，以判斷物體存在與否或距離。

範例2：槽型光電開關：PD438C安裝在U型支架的一側，面向安裝在另一側的紅外線LED。物體通過槽口時會遮斷光束。快速的響應時間（50 ns）使其能夠偵測極高速事件或編碼快速運動。

11. 工作原理簡介

PIN光電二極體是一種半導體元件，具有一個寬的、輕度摻雜的本徵區夾在P型區和N型區之間。當能量大於半導體能隙（對於矽，波長短於約1100 nm）的光子撞擊元件時，它們會在本徵區產生電子-電洞對。在內建電場（光伏模式）或外加逆向偏壓（光導模式）的影響下，這些電荷載子被分開，產生與入射光強度成正比的可測量光電流。寬廣的本徵區允許更大的空乏體積，這提高了量子效率（靈敏度）並降低了接面電容，與標準PN光電二極體相比，實現了更高的運作速度。

12. 產業趨勢與發展

像PD438C這類光電二極體的市場持續受到自動化、消費性電子和通訊趨勢的推動。業界不斷追求更高的速度以支援光學鏈路中更快的數據傳輸。改進的靈敏度（更低的雜訊、更高的響應度）使得能夠使用更低功率的發射器或在更長的距離上運作。微型化是另一個關鍵趨勢，導致光電二極體採用更小的表面黏著封裝。此外，整合技術正在進步，越來越多的元件將光電二極體、放大器，有時甚至是數位邏輯整合到單一封裝中（例如光電二極體陣列、整合式光學感測器）。PD438C以其整合的光學濾波器，代表了這一整合趨勢的一步，為系統設計者簡化了物料清單。