1.8mm 圓形超小型矽質 PIN 光電二極體 PD42-21C/TR8 規格書 - 尺寸 1.8mm 圓形 - 峰值靈敏度 940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD42-21C/TR8 是一款專為紅外線偵測應用設計的高速、高靈敏度矽質 PIN 光電二極體。它採用微型 1.8mm 圓形、球面頂視透鏡的黑色塑膠表面黏著元件 (SMD) 封裝。此緊湊設計使其非常適合空間受限且需要可靠紅外線感測的應用。

此元件的頻譜與常見的紅外線發光二極體相匹配，能優化其與紅外線光源配對使用時的系統效能。其主要優勢包括快速響應時間、高光敏度以及低接面電容，這些特性對於高速訊號偵測至關重要。

1.1 核心特性與符合性

• 快速響應時間：能夠偵測快速變化的光學訊號。
• 高光敏度：即使在低光照條件下也能提供強勁的電氣輸出。
• 低接面電容：藉由降低 RC 時間常數，有助於實現高速運作。
• 包裝：以 12mm 載帶包裝，並安裝於直徑 7 英吋的捲盤上，便於自動化組裝。
• 環境符合性：本產品為無鉛設計，符合 RoHS 及歐盟 REACH 法規，且不含鹵素 (Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm)。

1.2 目標應用

此光電二極體專為各種需要精確紅外線偵測的電子系統而設計。

• 高速光偵測器
• 影印機
• 遊戲機與互動裝置
• 通用紅外線應用系統 (例如：接近感測器、資料傳輸)

2. 技術規格深入解析

2.1 絕對最大額定值

超出這些限制操作可能導致元件永久損壞。

• 逆向電壓 (V_R)：32 V
• 操作溫度 (T_opr)：-25°C 至 +85°C
• 儲存溫度 (T_stg)：-40°C 至 +85°C
• 焊接溫度 (T_sol)：260°C，持續時間 ≤5 秒
• 功率消耗 (P_d)：150 mW (於 25°C 或更低之自由空氣溫度下)

2.2 電光特性 (T_a=25°C)

這些參數定義了光電二極體在典型條件下的性能。

• 頻譜頻寬 (λ_0.5)：730 nm 至 1100 nm。此元件對近紅外線頻譜具有靈敏度。
• 峰值靈敏度波長 (λ_P)：940 nm。在此紅外線波長下具有最大響應度。
• 開路電壓 (V_OC)：在 940nm 波長、5 mW/cm² 照度下，典型值為 0.42 V。
• 短路電流 (I_SC)：在 875nm 波長、1 mW/cm² 照度下，範圍為 2.0 至 12 μA (典型值 5.0 μA)。
• 逆向光電流 (I_L)：在 V_R=5V、875nm 波長、1 mW/cm² 照度下，範圍為 2.0 至 12 μA (典型值 5.0 μA)。此為光導模式下的主要操作參數。
• 暗電流 (I_D)：在 V_R=10V 時，最大值為 10 nA。此為無光照時的漏電流。
• 逆向崩潰電壓 (V_BR)：在 I_R=100μA 時，最小值為 32 V，典型值為 170 V。
• 總電容 (C_t)：在 V_R=5V、f=1MHz 時，典型值為 5 pF。低電容是實現高頻寬的關鍵。
• 上升/下降時間 (t_r, t_f)：在 V_R=10V、R_L=1kΩ 時，典型值各為 6 ns。此參數指定了對光脈衝的電氣響應速度。

3. 性能曲線分析

規格書包含對設計工程師至關重要的典型特性曲線。雖然具體的圖形數據未以文字形式提供，但這些曲線通常說明了關鍵參數之間的關係，有助於預測元件在非標準條件下的行為。

3.1 曲線圖表資訊

根據標準光電二極體特性，通常會繪製以下關係圖：

• 頻譜響應：顯示相對響應度與波長關係的曲線，於 940 nm 達到峰值，並在 730 nm 和 1100 nm 降至一半。
• 電流 vs. 照度 (I_Lvs. E_e)：預期在廣泛範圍內呈線性關係，確認此光電二極體適用於類比光量測。
• 電容 vs. 逆向電壓 (C_tvs. V_R)：電容通常隨逆向偏壓增加而降低，這會影響頻率響應。
• 暗電流 vs. 溫度 (I_Dvs. T)：暗電流大約每升高 10°C 就增加一倍，這對於高溫操作至關重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

此光電二極體採用超小型圓形封裝，本體直徑為 1.8mm。規格書中的詳細機械圖標明了所有關鍵尺寸，包括透鏡高度、引腳間距和整體佔位面積。除非另有說明，公差通常為 ±0.1mm。文件中提供了建議的焊墊佈局供 PCB 設計參考，但建議工程師根據其特定的組裝製程和熱需求進行修改。

4.2 極性辨識與安裝

此 SMD 封裝具有特定的方向性。規格書圖示標明了陰極和陽極端子。正確的極性對於電路正常運作至關重要。帶有透明球面透鏡的黑色塑膠本體有助於定向靈敏度。

5. 焊接與組裝指南

正確的處理對於維持元件可靠性和性能至關重要。

5.1 儲存與濕度敏感性

• 在準備使用前，請勿打開防潮袋。
• 未開封的包裝袋應儲存於 10°C~30°C、相對濕度 ≤90% 的環境中。
• 請於出貨後一年內使用。
• 開封後，若儲存於 10°C~30°C、相對濕度 ≤60% 的環境中，必須在 168 小時 (車間壽命) 內使用完畢。否則，必須重新烘烤並儲存於乾燥袋中。
• 烘烤程序：於 60°C ± 5°C、相對濕度 <5% 的條件下烘烤 96 小時。

5.2 焊接條件

• 迴流焊接：提供建議的溫度曲線。請勿超過兩次迴流焊接循環。
• 手工焊接：使用烙鐵頭溫度 <350°C、功率 <25W 的烙鐵。每個端子的接觸時間應 <3 秒。焊接每個端子之間應間隔 2 秒，以防止熱損傷。
• 加熱過程中避免對元件施加機械應力，焊接後避免 PCB 板彎曲。

5.3 返工與維修

不建議在焊接後進行維修。若不可避免，請使用雙頭烙鐵同時加熱兩個端子並均勻抬起元件。任何返工後，務必驗證元件功能是否正常。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 載帶與捲盤規格

此元件以載帶包裝，尺寸詳見規格書。標準數量為每 7 英吋捲盤 1000 顆。載帶尺寸確保與標準 SMD 貼片設備相容。

6.2 標籤資訊

捲盤標籤包含用於追溯和正確組裝的標準資訊：客戶料號 (CPN)、料號 (P/N)、批號、數量、峰值波長 (HUE)、等級 (CAT)、參考 (REF)、濕度敏感等級 (MSL-X) 及產地。

7. 應用設計考量

7.1 電路保護

關鍵事項：在光導模式 (逆向偏壓) 下操作時，必須使用外部限流電阻與光電二極體串聯。若無此電阻，微小的電壓變化可能導致大電流湧浪，可能燒毀元件。

7.2 偏壓與訊號調理

光電二極體主要有兩種操作模式：

• 光伏模式 (零偏壓)：產生電壓 (V_OC)。提供低雜訊但響應較慢。
• 光導模式 (逆向偏壓)：施加逆向電壓操作 (例如規格中的 5V)。這會降低接面電容 (加快響應) 並改善線性度，但會增加暗電流。通常使用跨阻放大器 (TIA) 將光電流 (I_L) 轉換為可用的電壓訊號。

7.3 光學設計

球面透鏡具有特定的視角。為達到最佳耦合效果，請將紅外線光源對準在此角度內。黑色外殼可最大限度地減少內部反射和環境光的串擾。

8. 技術比較與定位

與標準光電二極體相比，PD42-21C/TR8 在速度 (6 ns)、靈敏度 (1mW/cm² 照度下典型值 5 μA) 以及非常緊湊的 SMD 佔位面積之間取得了平衡。其 940nm 的峰值靈敏度使其能與許多低成本紅外線 LED 直接匹配。相較於具有較大感光區域的元件，其低電容特性是應用於高頻領域的關鍵差異化優勢。

9. 常見問題 (FAQ)

9.1 I_SC與 I_L?

I_SC(短路電流) 是在二極體兩端電壓為零時測量的。I_L(逆向光電流) 則是在施加逆向偏壓 (例如 5V) 下測量的。在設計良好的 PIN 光電二極體中，這兩個值非常接近，如規格書所示 (典型值均為 5.0 μA)。對於偏壓操作下的電路設計，I_L是更實用的參數。

9.2 如何選擇串聯電阻值？

此電阻用於限制最大照度下的電流。計算公式為 R ≥ (電源電壓) / (最大 I_L)。根據規格，最大 I_L為 12 μA。對於 5V 偏壓，R 應 ≥ 5V / 12μA ≈ 417 kΩ。一個常見的起始值為 100 kΩ，該值也會與接面電容共同決定頻寬。

9.3 此元件可用於可見光偵測嗎？

其頻譜範圍始於 730 nm，屬於近紅外線。它對可見光 (波長低於 700 nm) 的靈敏度非常低。對於可見光偵測，選擇峰值靈敏度在 550-650 nm 範圍內的光電二極體會更為合適。

10. 實際應用範例

情境：遊戲控制器中的紅外線接近感測器。

1. 元件配對：PD42-21C/TR8 與一個 940nm 紅外線 LED 配對使用。
2. 電路設計：光電二極體透過一個 100 kΩ 電阻施加 3.3V 逆向偏壓。其輸出連接到一個運算放大器的反相輸入端，該運算放大器配置為具有 1 MΩ 回授電阻和一個小回授電容 (例如 1 pF) 的 TIA，以穩定響應。
3. 操作：紅外線 LED 發射脈衝訊號。當物體 (例如使用者的手) 靠近時，會將紅外線反射到光電二極體上。TIA 將增加的光電流轉換為可量測的電壓脈衝。
4. 優勢：光電二極體的快速響應允許快速偵測手部動作。其小巧尺寸易於安裝在緊湊的控制器外殼內。高靈敏度確保即使在反射訊號微弱時也能可靠運作。

11. 工作原理

PIN 光電二極體由一個寬的、輕度摻雜的本徵 (I) 區域夾在 P 型和 N 型半導體區域之間構成。當施加逆向偏壓時，本徵區域完全耗盡，形成一個強大的電場。能量大於半導體能隙的入射光子被吸收，產生電子-電洞對。強大的電場迅速分離這些載子，產生與光強度成正比的光電流。與標準 PN 光電二極體相比，寬廣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 (提高了靈敏度)。

12. 產業趨勢

受消費性電子產品 (智慧型手機、穿戴式裝置)、汽車 (LiDAR、車內感測) 和工業自動化應用的推動，對微型、高速光偵測器的需求持續增長。趨勢包括進一步微型化、將光電二極體與放大和數位化電路整合在單一晶片上 (例如整合式光學感測器)，以及針對手勢辨識和 3D 感測等新興應用，在特定波長段增強性能。像 PD42-21C/TR8 這樣的元件，代表了針對需要穩健紅外線偵測、成本敏感且大量生產應用的成熟可靠解決方案。