4.8mm 半透鏡矽質 PIN 光電二極體 PD438C/S46 規格書 - 直徑 4.8mm - 反向電壓 32V - 峰值靈敏度 940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD438C/S46 是一款高效能矽質 PIN 光電二極體，專為需要對紅外光快速響應與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。此元件的一個關鍵特點是其環氧樹脂封裝本身即作為一個整合的紅外線濾光片，其光譜特性與常見的紅外線發射器相匹配，透過濾除不需要的可見光，提升了其在紅外線偵測系統中的性能。

此光電二極體的特點在於其快速的響應時間、高光敏度以及小的接面電容，使其適用於高速光學偵測。它採用無鉛材料製造，並符合相關的環保法規。

2. 技術參數詳解

2.1 絕對最大額定值

此元件設計為在指定限制內可靠運作。超過這些額定值可能會導致永久性損壞。

• 反向電壓 (V_R):32 V - 可施加於光電二極體端子間的最大反向偏壓。
• 功率損耗 (P_d):150 mW - 在指定條件下，元件可耗散的最大功率（主要為熱能）。
• 工作溫度 (T_opr):-40°C 至 +85°C - 保證元件符合其公佈規格的環境溫度範圍。
• 儲存溫度 (T_stg):-40°C 至 +100°C - 元件未通電時的安全儲存溫度範圍。
• 焊接溫度 (T_sol):最高 260°C，持續時間不超過 5 秒，這符合典型的無鉛迴焊製程要求。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在環境溫度 (T_a) 為 25°C 時量測，定義了光電二極體的核心性能。

• 光譜頻寬 (λ_0.5):840 nm 至 1100 nm。此定義了光電二極體響應度至少為其峰值一半的波長範圍。它主要對近紅外光區域敏感。
• 峰值靈敏度波長 (λ_p):940 nm (典型值)。光電二極體最敏感的波長。這與許多紅外線 LED 的常見發射波長相匹配。
• 開路電壓 (V_OC):0.35 V (典型值)，當以 940nm 波長、輻照度 (E_e) 為 5 mW/cm² 的光照射時。這是光電二極體在無外部負載時產生的電壓。
• 短路電流 (I_SC):18 µA (典型值)，在 E_e= 1 mW/cm²，λ_p=940nm 條件下。這是輸出短路時的光電流。
• 反向光電流 (I_L):18 µA (典型值，最小值 10.2 µA)，在 E_e= 1 mW/cm²，λ_p=940nm，且反向偏壓 (V_R) 為 5V 的條件下。這是光導模式下的主要工作參數。
• 暗電流 (I_d):5 nA (典型值，最大值 30 nA)，在 V_R= 10V 且完全黑暗的條件下。這是即使沒有光存在時也會流動的微小漏電流，是訊噪比的關鍵參數。
• 反向崩潰電壓 (BV_R):最小值 32V，典型值 170V，在反向電流為 100 µA 時量測。這表示接面發生崩潰時的電壓。
• 總電容 (C_t):18 pF (典型值)，在 V_R= 3V 且測試頻率為 1 MHz 的條件下。較低的電容可實現更快的響應時間。
• 上升/下降時間 (t_r/t_f):50 ns / 50 ns (典型值)，在 V_R= 10V 且負載電阻 (R_L) 為 1 kΩ 的條件下。這指定了光電二極體對光脈衝的響應速度。

關鍵參數的公差指定為：發光強度 ±10%，主波長 ±1nm，順向電壓 ±0.1V。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數條特性曲線，說明在不同條件下的性能。這些對設計工程師至關重要。

3.1 光譜靈敏度

一條繪製相對靈敏度與波長關係的曲線。它確認了大約在 940nm 處的峰值靈敏度，並顯示光譜響應在 840-1100nm 範圍的邊界處逐漸下降。整合的環氧樹脂透鏡充當濾光片，衰減目標紅外線波段以外的響應。

3.2 暗電流 vs. 環境溫度

此曲線通常顯示暗電流 (I_d) 隨著溫度升高呈指數增長。理解這種關係對於在寬溫度範圍內運作的應用至關重要，因為它定義了可偵測光的下限（雜訊基底）。

3.3 反向光電流 vs. 輻照度 (E_e)

此圖表展示了產生的光電流 (I_L) 與入射光功率密度之間的線性關係。在指定條件下，光電二極體在高度線性的區域運作，這對於類比光量測應用至關重要。

3.4 端子電容 vs. 反向電壓

接面電容 (C_t) 隨著反向偏壓的增加而減少。這是 PN 接面的基本特性。設計者可以使用較高的偏壓來降低電容，從而提高頻寬和響應速度，但代價是暗電流會略微增加。

3.5 響應時間 vs. 負載電阻

此曲線顯示上升/下降時間如何受到外部負載電阻 (R_L) 值的影響。較小的 R_L通常會導致更快的響應，但會產生較小的輸出電壓擺幅。此圖有助於在電路設計中最佳化速度與振幅之間的權衡。

3.6 功率損耗 vs. 環境溫度

說明了最大允許功率損耗隨著環境溫度升高而降額的情況。在溫度高於 25°C 時，元件無法耗散全部的 150mW，最大功率必須線性降低，在最高接面溫度時降至零。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

PD438C/S46 封裝在一個圓柱形側視塑膠封裝中，標稱直徑為 4.8mm。尺寸圖指定了本體直徑、長度、引腳間距和引腳直徑。一個重要註明指出，除非圖紙上另有說明，否則所有尺寸公差均為 ±0.25mm。側視配置非常適合光路平行於 PCB 表面的應用。

4.2 極性辨識

極性通常標示在封裝上或圖紙中。對於光電二極體，當在反向偏壓（光導模式）下運作時，陰極通常連接到正電源電壓，而陽極則連接到電路接地或跨阻放大器的輸入端。正確的極性對於正常運作至關重要。

5. 焊接與組裝指南

此元件適用於標準的表面黏著組裝製程。

• 迴焊:建議的最高焊接溫度為 260°C。元件引腳暴露在此峰值溫度或更高溫度的時間不應超過 5 秒。這與典型的無鉛迴焊曲線（例如 IPC/JEDEC J-STD-020）一致。
• 手工焊接:如果需要手工焊接，應使用溫控烙鐵。每個引腳的接觸時間應最小化，以防止過多的熱量傳遞到敏感的半導體晶粒。
• 清潔:可以使用標準的 PCB 清潔製程，但應確認清潔劑與塑膠封裝材料的相容性。
• 儲存條件:元件應儲存在其原始的防潮袋中，溫度在 -40°C 至 +100°C 之間，並保持低濕度，以防止引腳氧化和封裝吸濕。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 包裝規格

標準包裝流程如下：500 個元件裝入一個袋子。然後將五個袋子放入一個內箱。最後，十個內箱裝入一個主（外）箱。這樣每個主箱總共裝有 25,000 個元件。

6.2 標籤規格

包裝上的標籤包含用於追溯和識別的關鍵資訊：

• CPN:客戶產品編號（如有指定）。
• P/N:製造商產品編號（例如，PD438C/S46）。
• 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，表示性能分級。
• LOT No:製造批號，用於追溯。
• REF:用於識別標籤的參考編號。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 高速光偵測器:適用於光學數據鏈路、編碼器和脈衝偵測，其 50ns 的響應時間是一大優勢。
• 相機應用:可用於自動對焦系統、測光或作為紅外線存在偵測器。
• 光電開關:用於物體偵測、槽型感測器和極限開關。整合的紅外線濾光片有助於抑制環境光干擾。
• 錄影機與攝影機:歷史上用於磁帶計數器感測器、遙控接收器或其他內部光學感測功能。

7.2 設計考量

• 偏壓:建議在光導模式（施加反向偏壓）下運作以實現高速和線性操作。典型的偏壓為 5V 至 10V，以平衡速度（較低電容）和雜訊（較低暗電流）。
• 電路拓撲:為了獲得最佳速度和線性度，請使用跨阻放大器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來選擇。
• 光學對準:側視封裝需要仔細的機械設計，以確保與光源的正確對準，光源通常也是側視紅外線 LED。
• 環境光抑制:雖然環氧樹脂充當紅外線濾光片，但在具有強紅外線源（例如陽光）的環境中，可能需要額外的光學濾波或調變/解調變技術。

8. 技術比較與差異化

PD438C/S46 在其同類產品中提供了幾個明顯的優勢：

• 整合紅外線濾光片:與許多需要獨立濾光片的基礎光電二極體不同，此封裝的環氧樹脂配方具有濾光功能，簡化了組裝並減少了元件數量。
• 側視封裝:4.8mm 圓柱形側視封裝是一種特定的外形規格，針對光路平行於 PCB 的應用進行了優化，提供了緊湊且定向的視野。
• 平衡的性能:它在速度（50ns）、靈敏度（1 mW/cm² 下 18 µA）和暗電流（5 nA）之間提供了良好的平衡，使其成為通用紅外線偵測的多功能選擇。
• 穩健的額定值:具有 32V 的反向電壓額定值和寬廣的工作溫度範圍（-40°C 至 +85°C），適用於工業和汽車環境（根據免責聲明，不適用於安全關鍵應用）。

9. 常見問題解答 (基於技術參數)

問：在光伏模式（零偏壓）和光導模式（反向偏壓）下運作有何不同？

答：在光伏模式下 (V_R=0V)，光電二極體自行產生電壓（參見 V_OC）。它具有非常低的暗電流，但電容較高，響應較慢。光導模式（施加 V_R）擴展了空乏區，降低了電容並加快了響應速度（參見 t_r/t_f），代價是存在一個小而恆定的暗電流 (I_d)。對於高速偵測，首選光導模式。

問：如何解讀反向光電流 (I_L)參數？

答：這是電路設計中最有用的參數。它告訴您，在特定的光照條件下（940nm 波長，1 mW/cm²）並施加 5V 反向偏壓時，您通常可以預期獲得 18 µA 的光電流。您的放大器電路必須設計為能夠處理此電流範圍。最小值 10.2 µA 對於最壞情況設計非常重要。

問：為什麼暗電流很重要？

答：暗電流是光電二極體在沒有光存在時的主要雜訊來源。它設定了可偵測光的下限。較低的暗電流（此元件典型值為 5 nA）意味著感測器可以偵測到更微弱的光訊號。請注意，暗電流大約每升高 10°C 就會翻倍。

問：我可以將此元件用於 940nm 以外的光源嗎？

答：可以，但靈敏度會降低。請參考光譜靈敏度曲線。光電二極體會對大約 840nm 至 1100nm 的光產生響應，但如果波長不在 940nm 峰值附近，相同光功率下的輸出電流將會較低。

10. 實務設計與使用案例

案例：設計用於自動水龍頭的紅外線接近感測器。

1. 系統方塊圖:一個紅外線 LED（發射波長 940nm）和 PD438C/S46 光電二極體並排放置在一個半透明視窗後面。LED 被脈衝驅動。當沒有物體存在時，大部分紅外光會散射。當手靠近水龍頭時，反射的紅外光進入光電二極體。
2. 元件選擇理由:選擇 PD438C/S46 是因為其 940nm 的峰值靈敏度與 LED 相匹配。其封裝中的整合紅外線濾光片有助於抑制來自頂燈的環境可見光，減少誤觸發。側視封裝允許發射器和偵測器都平貼安裝在 PCB 上，朝外指向。
3. 電路設計:光電二極體以 5V 反向偏壓。其輸出連接到一個跨阻放大器。放大器的增益（回授電阻）設定為使預期的反射訊號（18 µA/mW/cm² 的一部分）產生可用的電壓。放大器後面的比較器偵測此電壓何時超過設定的閾值。
4. 優化:選擇 LED 的脈衝頻率和持續時間，使其避開環境光閃爍的頻率（例如，來自市電照明的 100Hz）。系統僅尋找與 LED 脈衝同步的訊號，從而提供出色的抗雜訊能力。

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、輕度摻雜的本質（I）區域，夾在 P 型區域和 N 型區域之間。當能量大於半導體能隙（對於矽，波長短於約 1100nm）的光子撞擊元件時，它們可以在本質區域產生電子-電洞對。在內建電場（光伏模式）或施加的反向偏壓電場（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光電流。與標準的 PN 光電二極體相比，PIN 結構中的寬本質區域減少了接面電容（實現更快的響應），並增加了光子吸收的體積（提高了靈敏度）。

12. 技術趨勢與背景

像 PD438C/S46 這樣的矽質 PIN 光電二極體是成熟、可靠且具成本效益的近紅外線偵測解決方案。該領域當前的趨勢包括：

• 整合化:朝著整合解決方案發展，將光電二極體、放大器，有時甚至 LED 驅動器和數位邏輯整合到單一封裝或晶片中（例如，光電專用積體電路）。
• 微型化:開發更小的表面黏著封裝（例如，晶片級封裝）的光電二極體，適用於行動裝置等空間受限的應用。
• 特殊材料:對於超出矽截止波長（約 1100nm）的波長，會使用如 InGaAs 等材料。然而，由於其低成本和優異的可製造性，矽在可見光和近紅外光譜中仍占主導地位。
• 性能提升:持續的研究重點在於透過先進的摻雜分佈和元件結構，進一步降低電容和暗電流，以提高速度和靈敏度。

PD438C/S46 代表了在這個更廣泛的技術背景下，一個經過良好優化、針對特定應用的元件，為廣泛的工業和消費類紅外線感測任務提供了性能、尺寸和成本的實用平衡。