PD438B 4.8mm 半透鏡矽PIN光電二極體規格書 - 4.8mm直徑 - 黑色透鏡 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD438B 是一款高效能矽PIN光電二極體，專為需要對紅外光進行快速響應和高靈敏度的應用而設計。它採用緊湊的圓柱形側視塑膠封裝，直徑為4.8mm。此元件的關鍵特點是其環氧樹脂封裝，其配方使其能作為整合式紅外線 (IR) 濾波器。此內建濾波器的光譜與常見的紅外線發射器相匹配，透過選擇性通過目標紅外線波長並衰減不需要的可見光，從而提升訊號雜訊比。

PD438B 的核心優勢包括其快速響應時間、高光敏度以及低接面電容，使其適用於高速偵測電路。該元件採用無鉛材料製造，並符合相關環保法規如RoHS和歐盟REACH，確保其適用於現代電子製造。

此光電二極體的主要目標市場和應用在於消費性電子和工業感測領域。它非常適合在相機、錄影機和攝影機等系統中作為高速光電偵測器使用。其特性也使其成為各種光電開關和感測模組中的可靠元件，在這些應用中，精確偵測紅外線訊號至關重要。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

此元件設計為在指定的環境和電氣限制內可靠運作。超過這些絕對最大額定值可能會導致永久性損壞。

• 反向電壓 (VR):32 V。這是可以施加在光電二極體端子上的最大反向偏壓電壓。
• 功率損耗 (Pd):150 mW。此額定值考量了元件可處理的總功率，主要來自偏壓下的反向漏電流。
• 工作溫度 (Topr):-40°C 至 +85°C。光電二極體在正常工作期間保證性能的溫度範圍。
• 儲存溫度 (Tstg):-40°C 至 +100°C。元件在未通電時的安全溫度範圍。
• 焊接溫度 (Tsol):最高持續時間為 5 秒，溫度為 260°C。這定義了迴流焊接的溫度曲線限制，以防止封裝損壞。

2.2 電氣與光學特性

這些參數在標準溫度 25°C 下量測，定義了 PD438B 的核心光電偵測性能。

• 光譜頻寬 (λ0.5):400 nm 至 1100 nm。這定義了光電二極體響應度至少為其峰值一半的波長範圍。它確認了從可見藍光到近紅外線的靈敏度。
• 峰值靈敏度波長 (λp):940 nm (典型值)。光電二極體對此波長的紅外光最為敏感，這是許多紅外線LED和遙控系統的標準波長。
• 開路電壓 (VOC):在 940nm 波長、輻照度 (Ee) 為 5 mW/cm² 的條件下，典型值為 0.35 V。這是在指定光照條件下，光電二極體在光伏模式（無外部偏壓）下產生的電壓。
• 短路電流 (ISC):在 940nm 波長、輻照度為 1 mW/cm² 的條件下，典型值為 18 µA。這是當二極體端子短路時產生的光電流，代表其在給定光照水平下的最大電流輸出。
• 反向光電流 (IL):在 940nm 波長、輻照度為 1 mW/cm²、反向偏壓 VR=5V 的條件下，典型值為 18 µA。這是在二極體施加反向偏壓時量測到的光電流，這是高速和線性響應的標準操作模式。
• 暗電流 (Id):在完全黑暗、反向偏壓 VR=10V 的條件下，典型值為 5 nA，最大值為 30 nA。這是即使沒有光存在時也會流動的小量漏電流。低暗電流對於偵測微弱光訊號至關重要。
• 反向崩潰電壓 (BVR):典型值為 170 V，最小值為 32 V。這是反向電流急遽增加的電壓。工作反向電壓應始終遠低於此值。
• 總電容 (Ct):在反向偏壓 VR=3V、頻率 1 MHz 的條件下，典型值為 25 pF。此接面電容直接影響元件的速度；較低的電容能實現更快的響應時間。
• 上升/下降時間 (tr/tf):在反向偏壓 VR=10V、負載電阻 (RL) 為 1 kΩ 的條件下，典型值為 50 ns / 50 ns。這些參數規定了光電二極體輸出電流響應光脈衝變化的速度，定義了其高速能力。

關鍵參數的公差已指定：發光強度 (±10%)、主波長 (±1nm) 和順向電壓 (±0.1V)，確保生產批次的一致性。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數條特性曲線，說明關鍵參數如何隨操作條件變化。這些對於電路設計師至關重要。

3.1 光譜靈敏度

光譜響應曲線顯示了光電二極體在不同波長下的相對靈敏度。由於整合的紅外線濾波環氧樹脂，其靈敏度將在 940 nm 附近達到尖峰，而在可見光譜 (400-700 nm) 中的靈敏度則顯著降低。此曲線對於確保偵測器與發射器的波長匹配至關重要。

3.2 暗電流與環境溫度關係

此曲線通常顯示暗電流 (Id) 隨著環境溫度升高呈指數增長。設計師必須在高溫應用或偵測極微弱光訊號時，考量此增加的雜訊基底。

3.3 反向光電流與輻照度 (Ee) 關係

此圖表展示了當二極體施加反向偏壓時，入射光功率（輻照度）與產生的光電流 (IL) 之間的線性關係。線性是 PIN 光電二極體的關鍵特性，使其適用於光量測應用。

3.4 端子電容與反向電壓關係

接面電容 (Ct) 隨著反向偏壓 (VR) 增加而減少。此曲線讓設計師可以選擇一個操作偏壓，以最佳化速度（較高電壓下電容較低）與功耗/熱量之間的權衡。

3.5 響應時間與負載電阻關係

上升/下降時間 (tr/tf) 受到光電二極體接面電容與外部負載電阻 (RL) 形成的 RC 時間常數影響。此曲線顯示響應時間如何隨著負載電阻增大而增加，指導在跨阻抗放大器電路中為達到所需速度而選擇 RL。

3.6 功率損耗與環境溫度關係

此降額曲線指示了最大允許功率損耗隨環境溫度變化的函數關係。隨著溫度升高，元件可安全處理的最大功率線性下降，這對於系統設計中的熱管理至關重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

PD438B 採用圓柱形側視封裝，標稱直徑為 4.8mm。規格書中的詳細機械圖提供了所有關鍵尺寸，包括本體直徑、長度、引腳間距和引腳直徑。除非另有說明，所有封裝尺寸適用 ±0.25mm 的標準公差。側視配置專為光路平行於 PCB 表面的應用而設計。

4.2 極性辨識

光電二極體是極性元件。陰極通常由較長的引腳、封裝上的平面或特定標記來識別。規格書的封裝圖清楚地標示了陽極和陰極連接，組裝時必須遵守，以確保正確的偏壓（正常工作時為反向偏壓）。

5. 焊接與組裝指南

為保持可靠性並防止組裝過程中的損壞，必須遵循特定的焊接條件。

• 迴流焊接:此元件適用於使用迴流焊接技術的表面黏著組裝。峰值焊接溫度不得超過 260°C，且高於此溫度的時間應限制在 5 秒或更短，以防止環氧樹脂封裝和半導體晶片受到熱損壞。
• 手工焊接:若需手工焊接，應使用溫控烙鐵。應盡量減少與引腳的接觸時間，並建議在焊點與封裝本體之間的引腳上進行散熱。
• 儲存條件:元件應儲存在其原始的防潮袋中，環境控制在 -40°C 至 +100°C 的儲存溫度範圍內，並保持低濕度，以防止引腳氧化。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 包裝規格

PD438B 的標準包裝流程如下：500 個元件包裝在一個防靜電袋中。六個這樣的袋子放入一個內箱。最後，十個內箱裝入一個主運輸（外）箱，每個主箱總共 30,000 個元件。

6.2 標籤規格

包裝上的標籤包含幾個關鍵識別碼：

• CPN:客戶產品編號（若已指定）。
• P/N:製造商產品編號 (PD438B)。
• QTY:包裝內元件的數量。
• CAT, HUE, REF:分別代表發光強度等級、主波長等級和順向電壓等級的代碼，適用於分級的產品。
• LOT No:可追溯的生產批號。

7. 應用說明與設計考量

7.1 典型應用電路

PD438B 最常用於以下兩種電路配置之一：

1. 光伏模式（零偏壓）:光電二極體直接連接到高阻抗負載（如運算放大器輸入）。此模式提供最小的暗電流和雜訊，但響應較慢且線性度較低。適用於低速、精密的光量測。
2. 光導模式（反向偏壓）:光電二極體的陰極連接到正電壓，陽極連接到虛擬接地（例如，跨阻抗放大器的反相輸入）。這是推薦用於 PD438B 以發揮其高速能力的模式。反向偏壓降低了接面電容（提高速度）並改善了線性度。跨阻抗放大器中回授電阻的值設定了增益 (Vout = Iphoto * Rfeedback)。

7.2 設計考量

• 偏壓選擇:選擇一個反向偏壓（例如 5V 至 10V），在速度（較低電容）和功耗之間取得良好平衡。切勿超過 32V 的最大反向電壓。
• 放大器選擇:對於高速應用，將 PD438B 與配置為跨阻抗放大器的低雜訊、高頻寬運算放大器配對使用。放大器的輸入偏置電流和電壓雜訊應較低，以免降低光電二極體的訊號。
• PCB 佈局:將光電二極體及其相關放大器靠近放置，以最小化敏感高阻抗節點上的寄生電容和雜訊拾取。在光電二極體陽極連接周圍使用連接到低阻抗點（如放大器輸出或接地層）的防護環，以減少漏電流。
• 光學對準:確保紅外線發射器和光電二極體之間有適當的機械對準。側視封裝專為此設計。考慮使用管狀物或遮光罩來阻擋環境光和串擾。

8. 技術比較與差異化

PD438B 透過以下幾個關鍵特性在市場上實現差異化：

• 整合式紅外線濾波器:環氧樹脂封裝本身即作為濾波器，無需額外的濾波元件，減少了零件數量、成本並簡化了組裝。
• 側視封裝:圓柱形側視外型非常適合光路平行於 PCB 的應用，例如槽型感測器、邊緣感測系統和某些類型的編碼器。
• 平衡的性能:它提供了速度 (50 ns)、靈敏度 (1 mW/cm² 下 18 µA) 和低暗電流之間的良好平衡組合，使其成為廣泛中高速紅外線偵測任務的多功能選擇。
• 環保合規性:其無鉛結構以及符合 RoHS 和 REACH 法規，使其適用於具有嚴格環保法規的全球市場。

9. 常見問題 (FAQ)

Q1: 黑色環氧樹脂透鏡的目的是什麼？

A1: 黑色環氧樹脂不僅僅是為了外觀；其配方使其成為有效的紅外線濾波器。它能傳輸目標紅外線波長（峰值在 940 nm），同時吸收大部分可見光，顯著降低來自室內照明等環境光源的干擾。

Q2: 我應該在有或沒有反向偏壓的情況下操作 PD438B？

A2: 對於高速操作（如其 50 ns 上升時間所示），強烈建議在光導模式下以反向偏壓操作 PD438B，通常介於 5V 至 10V 之間。這可以降低接面電容並改善線性度和速度。

Q3: 如何將光電流轉換為可用的電壓訊號？

A3: 最常見且有效的方法是使用跨阻抗放大器 (TIA) 電路。光電二極體連接在運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，由一個回授電阻決定增益 (Vout = -Iphoto * Rf)。通常會並聯一個小的回授電容以穩定電路並限制頻寬。

Q4: "暗電流" 參數的重要性是什麼？

A4: 暗電流是當光電二極體處於完全黑暗且施加反向偏壓時流過的小電流。它作為一個雜訊源。較低的暗電流（PD438B 典型值為 5 nA）意味著該元件可以偵測更微弱的光訊號，而不會被其自身的雜訊所掩蓋。

Q5: 這個光電二極體可以用於可見光偵測嗎？

A5: 雖然其光譜範圍始於 400 nm（紫色），但其在可見光譜中的靈敏度被紅外線濾波環氧樹脂透鏡大大衰減。其峰值靈敏度明確位於紅外線的 940 nm。對於主要的可見光偵測，使用沒有紅外線濾波封裝的光電二極體會更合適。

10. 工作原理

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 (I) 區域，夾在 P 型和 N 型區域之間。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。在外加反向偏壓電場的影響下，這些電荷載子被分開，產生與入射光強度成正比的光電流。寬廣的本徵區域帶來了幾個優點：它創造了更大的空乏區用於光子吸收（提高靈敏度）、降低了接面電容（提高速度），並允許在更高的反向電壓下操作。PD438B 使用矽材料，其能隙適合偵測從可見光到近紅外光譜的光。

11. 免責聲明與使用注意事項

本技術文件所含資訊如有變更，恕不另行通知。所提供的圖表和典型值僅供設計參考，不代表保證規格。在實施此元件時，設計師必須嚴格遵守絕對最大額定值，以防止元件故障。製造商對於因在指定操作條件之外使用本產品而導致的任何損壞概不負責。未經事先諮詢和特定認證，本產品不適用於安全關鍵、生命維持、軍事、汽車或航太應用。