PD333-3B/L4 光電二極體規格書 - 5mm 半透鏡 - 矽PIN - 黑色封裝 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD333-3B/L4 是一款高速、高靈敏度的矽 PIN 光電二極體，封裝於圓柱形側視塑膠外殼中。其顯著特點在於整合了環氧樹脂封裝，該封裝同時具備紅外線（IR）濾波功能，使其光譜特性與常見的紅外線發射器相匹配。此整合設計簡化了光學設計，減少了對外部濾波元件的需求。本元件專為需要快速響應時間及可靠紅外光偵測的應用而設計，特別適用於 940nm 波長範圍。

其主要優勢包括快速的響應時間、高光敏度以及低接面電容，這些特性對於高速應用中的訊號完整性至關重要。本元件符合 RoHS 及歐盟 REACH 法規，並採用無鉛製程生產，符合現代電子元件的環保與安全標準。

2. 技術參數深入解析

2.1 絕對最大額定值

為確保可靠性並防止損壞，本元件規定在特定的環境與電氣極限內操作。最大反向電壓（VR）為 32V。功率消耗（Pd）額定值為 150mW。元件可承受最高 260°C 的引腳焊接溫度（Tsol），持續時間不超過 5 秒，此規格與標準迴焊製程相容。操作溫度範圍（Topr）為 -40°C 至 +85°C，儲存溫度範圍（Tstg）為 -40°C 至 +100°C，顯示其在廣泛條件下均具備穩健的性能。

2.2 電氣與光學特性

光電二極體的性能是在標準條件下（Ta=25°C）進行表徵。其光譜頻寬（λ0.5）範圍為 840nm 至 1100nm，峰值靈敏度（λp）位於 940nm。這使其非常適合與 940nm 紅外線 LED 搭配使用。關鍵電氣參數包括：在 940nm、5mW/cm² 照度下的典型開路電壓（VOC）為 0.42V，以及在 940nm、1mW/cm² 照度下的典型短路電流（ISC）為 10µA。

反向光電流（IL），即在反向偏壓下產生的光電流，典型值為 12µA（VR=5V，Ee=1mW/cm²，λp=940nm）。暗電流（Id）是低照度靈敏度的關鍵參數，其最大值規格為 10nA（VR=10V）。反向崩潰電壓（BVR）最小值為 32V，典型值為 170V。在 VR=5V 及 1MHz 條件下，總端子電容（Ct）典型值為 5pF，此低電容值有助於元件的高速性能。

3. 性能曲線分析

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。這些圖表對於設計工程師預測元件在實際應用中（超出標準測試條件）的性能至關重要。

3.1 熱特性與光學特性

圖 1 顯示了允許功率消耗與環境溫度之間的關係。隨著溫度升高，最大允許功率消耗呈線性下降，這是半導體元件的標準降額特性。圖 2 描繪了光譜靈敏度曲線，確認了在 940nm 處的峰值響應，以及在 840nm 和 1100nm 處定義的截止點（靈敏度降至峰值的一半）。

3.2 電流對照度與溫度關係

圖 3 說明了暗電流（Id）如何隨著環境溫度升高而呈指數增長。這是半導體接面的基本特性，對於在高溫下運作的應用至關重要，因為增加的暗電流會提高雜訊基底。圖 4 顯示了反向光電流（IL）與輻照度（Ee）之間的線性關係，展示了光電二極體可預測且線性的光電流產生特性。

3.3 電容與響應時間

圖 5 繪製了端子電容與反向電壓的關係。電容隨著反向偏壓增加而降低，這是 PIN 光電二極體的典型行為。較低的電容能實現更快的響應時間。圖 6 顯示了響應時間與負載電阻的關係。響應時間隨著負載電阻增加而增加，這是由接面電容與外部負載形成的 RC 時間常數所致。對於高速應用，通常會使用低阻值的負載電阻（例如 50Ω），儘管這是以犧牲訊號幅度來換取速度。

4. 機械結構與封裝資訊

PD333-3B/L4 採用圓柱形側視封裝。封裝本體為黑色，有助於減少內部反射和雜散光干擾。半透鏡設計有助於將入射光聚焦到有效矽區域，從而提高有效靈敏度。規格書中提供了詳細的封裝尺寸，所有尺寸單位均為毫米。機械放置的關鍵公差通常為 ±0.25mm。側視方向特別適用於光路平行於 PCB 表面的應用，例如槽型感測器或邊緣檢測系統。

5. 焊接與組裝指南

本元件適用於標準 PCB 組裝製程。引腳焊接溫度的絕對最大額定值為 260°C。關鍵在於在此溫度下的焊接時間不得超過 5 秒，以防止塑膠封裝或內部半導體晶片受損。適用於無鉛組裝的標準紅外線迴焊或波焊製程曲線通常皆可適用。為保持光學性能，必須妥善處理以避免透鏡表面受到污染。儲存應在規定的溫度範圍（-40°C 至 +100°C）內，並置於乾燥環境中。

6. 包裝與訂購資訊

標準包裝規格為每袋 500 件，每箱 5 袋，每箱 10 盒。此種批量包裝適用於自動化組裝線。包裝上的標籤包含用於追溯和驗證的關鍵資訊：客戶生產編號（CPN）、產品編號（P/N）、包裝數量（QTY）、品質等級（CAT）、峰值波長（HUE）、參考代碼（REF）以及生產批號。同時標示生產月份。使用者應將標籤資訊與其內部記錄及規格書規格進行交叉比對。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

PD333-3B/L4 非常適合多種關鍵應用。作為高速光偵測器，它可用於使用紅外光的資料通訊鏈路、條碼掃描器或脈衝檢測系統。將其整合到相機中，可用於自動對焦輔助系統或測光。在光電開關中，它構成光學遮斷器或反射式感測器的接收端，常見於印表機、編碼器及安全光幕中。其在錄影機與攝影機中的應用，過去主要涉及磁帶終端感測器或遙控接收器，儘管類似原理也適用於現代消費性電子產品。

7.2 設計考量要點

使用此光電二極體進行設計時，必須考慮幾個因素。關於偏壓，通常以反向偏壓（光導模式）操作以提高速度和線性度，儘管光電壓模式（零偏壓）可用於低雜訊應用。在跨阻放大器（TIA）電路中，運算放大器的選擇至關重要；它必須具有低輸入偏置電流和低雜訊，以避免劣化來自低暗電流光電二極體的訊號。封裝的紅外線濾波特性是有益的，但設計者必須確保光源波長（例如 940nm）與峰值靈敏度對齊。對於高速操作，仔細的 PCB 佈局以最小化光電二極體節點的寄生電容和電感是必不可少的。

8. 技術比較與差異化

與未整合透鏡或濾波器的標準光電二極體相比，PD333-3B/L4 提供了更緊湊且簡化的光學解決方案。內建的紅外線濾波器消除了對獨立濾波器元件的需求，節省了空間、成本並降低了組裝複雜性。對於特定的光路幾何結構，其側視封裝相較於頂視封裝提供了明顯的機械優勢。相對較高的崩潰電壓（最小 32V，典型 170V）與低暗電流的結合，為許多需要良好訊噪比和穩健操作的工業感測應用提供了有利的平衡。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

問：峰值靈敏度在 940nm 有何意義？

答：940nm 是紅外線 LED 非常常見的波長，因為它對人眼不可見且具有良好的大氣穿透性。將光電二極體的峰值響應與發射器的波長相匹配，可以最大化訊號強度和系統效率。

問：暗電流規格如何影響我的設計？

答：暗電流是光電二極體在無光時的主要雜訊來源。低暗電流（此元件最大為 10nA）意味著感測器能夠偵測非常微弱的光訊號，而不會被其自身的內部雜訊所淹沒，從而提高了靈敏度和動態範圍。

問：我可以將其用於可見光偵測嗎？

答：整合的環氧樹脂封裝充當紅外線濾波器，會顯著衰減可見光。因此，此特定型號不適用於需要在可見光譜範圍內具有靈敏度的應用。對於可見光偵測，需要透明或具有不同濾波特性的封裝。

問：為了達到最佳速度，我應該使用多大的負載電阻？

答：參考圖 6，為了獲得最快的響應時間（在奈秒範圍內），需要使用低負載電阻（例如 50Ω 至 100Ω）。然而，這會產生較小的電壓訊號。跨阻放大器電路通常是最佳解決方案，它能同時提供高速和良好的訊號增益。

10. 實務設計案例

案例：設計紅外線接近感測器

在典型的接近感測器中，紅外線 LED 發出脈衝光，而 PD333-3B/L4 偵測來自物體的反射光。內建的紅外線濾波器在此至關重要，因為它能阻擋環境可見光（例如來自室內照明），這些光可能使感測器飽和或產生誤觸發。快速的響應時間允許 LED 快速脈衝，實現快速偵測，並有可能在先進系統中透過飛行時間或相位偏移方法進行距離量測。側視封裝允許 LED 和光電二極體安裝在同一 PCB 平面上，面向同一方向，這對於反射式感測非常理想。一個簡單的電路將涉及透過一個大電阻以 5V 反向偏壓為光電二極體提供偏壓，並使用高速比較器或放大器來偵測存在反射光時產生的電流脈衝。

11. 工作原理簡介

PIN 光電二極體是一種半導體元件，其具有一個寬的、輕度摻雜的本徵（I）區域，夾在 p 型（P）和 n 型（N）區域之間。當施加反向偏壓時，此結構會形成一個大的空乏區。能量大於半導體能隙的光子入射到元件上，會在此空乏區內產生電子-電洞對。由於反向偏壓而存在的強電場迅速分離這些載子，使其漂移到各自的電極，產生與入射光強度成正比的光電流。寬的本徵區域降低了接面電容（實現高速），並增加了光子吸收的體積（提高靈敏度），特別是對於像紅外線這樣穿透深度較長的波長。

12. 技術趨勢

光電二極體技術的趨勢持續朝向更高整合度、更低雜訊和更多功能發展。這包括將放大和訊號調理電路整合在同一晶片或同一封裝中（例如光電二極體-放大器組合）。同時，針對科學儀器、醫學影像和光達的應用，也推動著開發具有更低暗電流和電容的元件。使用矽以外的材料，如銦鎵砷，可將靈敏度進一步擴展到紅外線範圍，用於通訊和氣體感測。此外，封裝創新旨在提供更精確的光學特性，例如定義視場角的透鏡，以及如 PD333-3B/L4 所見，在封裝內實現更有效的直接濾波。