目錄
1. 產品概述
PD438B/S46是一款高效能矽質PIN光電二極體，專為需要快速響應與高靈敏度的應用而設計。其採用緊湊的圓柱形側視塑膠封裝，並配備4.8mm半透鏡。此元件的一個關鍵特點是其環氧樹脂封裝材料，其配方使其能作為整合式紅外線濾波器。此濾波器在光譜上與常見的紅外線發射器匹配，藉由降低對不需要的可見光之靈敏度，從而提升其在紅外線感測應用中的性能。
此光電二極體的核心優勢包括其快速響應時間（對於高速資料傳輸與開關應用至關重要）以及高光敏度（使其能有效偵測低光強度）。其低接面電容有助於實現快速響應，並使其適用於高頻電路。此元件採用無鉛材料製造，並符合RoHS與歐盟REACH等相關環保法規，適合用於有嚴格環保合規要求的產品。
PD438B/S46的主要目標市場與應用領域為消費性電子產品、工業自動化與通訊系統。其規格使其成為設計高速光學資料鏈路、存在偵測系統與精密光量測設備的工程師之理想元件。
2. 深入技術參數分析
2.1 絕對最大額定值
此元件可承受的最大逆向電壓為32V。最大功耗為150 mW，此定義了其操作的熱限制。引腳可在最高260°C的溫度下進行焊接，持續時間不超過5秒，這與標準迴焊製程相容。操作溫度範圍為-40°C至+85°C，並可在-40°C至+100°C的環境中儲存。這些額定值確保了其在各種環境條件下的可靠性能。
2.2 電氣與光學特性
此光電二極體的光譜響應由其光譜頻寬範圍所定義，範圍從840 nm至1100 nm。峰值靈敏度波長為940 nm，使其正好位於近紅外線區域，此區域常用於遙控器、光學感測器與自由空間通訊。
在940 nm波長、5 mW/cm²的輻照度下，典型的開路電壓為0.35V。在1 mW/cm²、940 nm條件下量測的短路電流，典型值為18 µA。此參數直接衡量了元件在光照下的電流產生能力。
逆向光電流是二極體在逆向偏壓時產生的光電流。在VR=5V、Ee=1 mW/cm²的條件下，典型值為18 µA，最小保證值為10.2 µA。暗電流是在無光照、VR=10V條件下的漏電流，典型值為5 nA，最大值為30 nA。低暗電流對於實現良好的訊噪比至關重要，特別是在低光偵測情境中。
當流過100 µA電流時，逆向崩潰電壓的最小值為32V，典型值可高達170V。在VR=5V、1 MHz條件下的總端子電容典型值為18 pF。此低電容是實現快速上升與下降時間的關鍵因素。當元件在VR=10V、負載電阻為1 kΩ的條件下操作時，上升與下降時間的典型值均為50奈秒。
3. 性能曲線分析
規格書提供了數條特性曲線，能更深入地了解元件在不同條件下的行為。
圖1：功耗 vs. 環境溫度此圖說明了最大允許功耗隨著環境溫度升高而遞減的關係。此圖對於熱管理設計至關重要，可防止過熱並確保長期可靠性。
圖2：光譜靈敏度此圖顯示了光電二極體在大約600 nm至1200 nm波長範圍內的相對響應度。曲線在940 nm處達到峰值，並顯示了環氧樹脂封裝的有效濾波作用，其衰減了目標紅外線波段以外的響應。
圖3：暗電流 vs. 環境溫度此圖展示了漏電流如何隨著溫度呈指數增長。此關係對於在高溫下操作的應用至關重要，因為它定義了感測器的雜訊基底。
圖4：逆向光電流 vs. 輻照度此圖描繪了產生的光電流與入射光功率密度之間的線性關係。此線性是PIN光電二極體的基本特性，對於類比光量測應用至關重要。
圖5：端子電容 vs. 逆向電壓此圖顯示接面電容隨著逆向偏壓增加而減少。設計者可利用此關係，透過選擇適當的偏壓點來優化電路速度。
圖6：響應時間 vs. 負載電阻此圖顯示光電二極體輸出訊號的上升/下降時間如何受到所連接的負載電阻影響。較低的負載電阻可實現更快的響應，但這可能會犧牲輸出電壓擺幅。
4. 機械與封裝資訊
4.1 封裝尺寸
PD438B/S46採用圓柱形側視封裝。關鍵尺寸包括封裝圖中定義的本體直徑與半透鏡高度。所有未註明公差之線性尺寸的公差均為±0.25mm。封裝為黑色，有助於減少雜散光干擾。側視配置允許感測來自平行於PCB平面的方向之光線，這在印表機的紙張偵測或邊緣感測等應用中非常有用。
4.2 極性辨識
陰極通常可透過較長的引腳、封裝體上的凹口或平面來識別。組裝時必須注意正確的極性，因為逆向偏壓是光電二極體用於光導模式時的標準操作條件。
5. 焊接與組裝指南
此元件適用於波峰焊與迴焊製程。引腳焊接溫度的絕對最大額定值為260°C，並註明焊接時間不應超過5秒。建議遵循IPC標準指南進行電子元件的焊接。元件應儲存在乾燥、防靜電的環境中，並在其規定的儲存溫度範圍內，以防止吸濕與靜電損壞。
6. 包裝與訂購資訊
標準包裝規格如下：200至500件裝於一個防潮袋中。六個此類防潮袋放入一個內箱。十個內箱再裝入一個主運輸箱。包裝標籤包含客戶料號、製造商料號、包裝數量與批號等欄位。其他如CAT、HUE、REF等常見於LED（用於標示強度、波長、電壓分級）的欄位，對此光電二極體並不適用，因為其分級方式不同；這些欄位可留空或用於其他追溯資訊。
7. 應用建議
7.1 典型應用情境
- 高速光偵測：適用於光學編碼器、塑膠光纖資料通訊以及需要奈秒級響應的雷射光束偵測。
- 相機應用：可用於智慧型手機、平板電腦與數位相機中的環境光感測或紅外線接近偵測。內建的紅外線濾波器有助於準確量測紅外線強度。
- 光電開關：適用於自動販賣機、工業自動化與安全系統中的物體偵測、計數與位置感測。
- 消費性電子產品：用於錄影機與攝影機中的磁帶終端偵測或控制訊號接收。
7.2 設計考量要點
使用PD438B/S46設計電路時，請考慮以下要點：
- 偏壓電壓：施加逆向偏壓以擴大空乏區，降低電容並提升速度。確保電壓不超過32V的最大額定值。
- 負載電阻：跨阻抗配置中的負載電阻值直接影響頻寬與輸出電壓。較小的負載電阻可提供更快的響應，但輸出訊號較低。規格書中的圖6是關鍵參考。
- 放大電路：光電流很小。通常使用跨阻抗放大器將此電流轉換為可用的電壓訊號。選擇具有低輸入偏置電流與足夠頻寬的運算放大器。
- 雜訊抑制：屏蔽光電二極體及其連接走線，避免電氣雜訊干擾。若使用主動偏壓電路，請在元件電源引腳附近使用旁路電容。低暗電流有助於維持良好的訊噪比。
- 光學考量：確保透鏡清潔且無遮擋。側視封裝可能需要精心的機構設計以正確對準光路。
8. 技術比較與差異化
與標準PN光電二極體相比，PD438B/S46的PIN結構具有明顯優勢。P型與N型層之間的本質區創造了更大的空乏區，帶來兩大主要好處：1) 較低的接面電容：更大的空乏區如同更寬的介電層，顯著降低了電容，這是實現高速操作的主要因素。2) 改善的線性度與靈敏度：寬廣的本質區允許在更大體積內更有效地收集光生載子，從而帶來光電流與輻照度之間更好的線性關係，並可能在其峰值波長處具有更高的量子效率。
此外，將紅外線濾波環氧樹脂直接整合到封裝中是一個差異化特點。它消除了對外部獨立紅外線濾波器的需求，節省空間、降低成本並簡化組裝。這使其在緊湊的消費性電子產品設計中特別具有優勢。
9. 常見問題（基於技術參數）
問：短路電流與逆向光電流有何不同？
答：短路電流是在二極體兩端電壓為零的條件下量測的。逆向光電流則是在二極體處於逆向偏壓時量測的。實際上，對於PIN光電二極體，這些值非常接近，因為在正常工作範圍內，光電流在很大程度上與逆向偏壓電壓無關。
問：為何上升/下降時間是以1 kΩ負載來指定？
答：1 kΩ負載代表了測試與簡單電路中常見的負載條件。實際應用中的響應時間將取決於您特定電路的負載電阻與寄生電容，如圖6所示。
問：此光電二極體可用於可見光偵測嗎？
答：雖然矽材料本身對可見光敏感，但黑色環氧樹脂封裝起到了強效濾波器的作用。與其在940 nm的峰值相比，其在可見光譜中的靈敏度將大幅衰減。它主要設計用於近紅外線應用。
問：如何解讀特性表中的典型值？
答：典型值代表在指定條件下的預期平均值，並非保證值。為了設計目的，特別是對於關鍵參數，您應使用最小或最大值，以確保您的電路在所有生產變異與條件下都能正常運作。
10. 實務設計與使用範例
範例1：簡易物體偵測開關
可將PD438B/S46與一個紅外線LED配對，構建基本的光電開關。光電二極體以逆向偏壓連接，並透過一個上拉電阻連接至Vcc。電阻與光電二極體陰極之間的輸出節點連接至比較器或微控制器的數位輸入引腳。當物體阻斷LED與光電二極體之間的紅外線光束時，光電流下降，導致輸出節點的電壓上升，從而觸發偵測訊號。快速響應時間允許偵測快速移動的物體。
範例2：搭配微控制器的環境光感測器
對於類比光強度量測，可將光電二極體連接至跨阻抗放大器。TIA的輸出電壓與入射紅外線光強度成正比，然後饋入微控制器的類比數位轉換器輸入端。微控制器可利用此讀數自動調整顯示器亮度，或判斷是否存在紅外線遙控訊號。整合的紅外線濾波器有助於確保讀數專注於環境光的紅外線成分。
11. 工作原理簡介
PIN光電二極體是一種將光轉換為電流的半導體元件。它由一層夾在P型層與N型層之間的本質半導體材料組成。當能量大於半導體能隙的光子撞擊元件時，會在本質區產生電子-電洞對。施加逆向偏壓電壓會在本質區產生強電場，此電場迅速將光生載子掃向各自的電極，從而在外電路中產生可量測的光電流。本質區的寬度是關鍵：它允許有效的載子產生與收集，同時保持元件低電容。
12. 技術趨勢與背景
像PD438B/S46這樣的矽質PIN光電二極體代表了一項成熟且高度可靠的技術。此領域的當前趨勢聚焦於以下幾個方面：微型化：為可穿戴裝置與手機等空間受限的應用開發更小的封裝尺寸。整合化：將光電二極體與放大、數位化及訊號處理電路整合在單一晶片上，以創建智慧光學感測器。性能提升：研究如雪崩光電二極體等結構，用於需要極高靈敏度的應用，儘管這些結構更複雜且昂貴。新材料：探索如鍺或三五族化合物等材料，用於更長紅外線波長的偵測，這是標準矽材料無法達到的。對於主流的近紅外線應用，矽憑藉其優異的可製造性與性能，仍然是主導且具成本效益的選擇。
LED規格術語詳解
LED技術術語完整解釋
一、光電性能核心指標
| 術語 | 單位/表示 | 通俗解釋 | 為什麼重要 |
|---|---|---|---|
| 光效（Luminous Efficacy） | lm/W（流明/瓦） | 每瓦電能發出的光通量，越高越節能。 | 直接決定燈具的能效等級與電費成本。 |
| 光通量（Luminous Flux） | lm（流明） | 光源發出的總光量，俗稱"亮度"。 | 決定燈具夠不夠亮。 |
| 發光角度（Viewing Angle） | °（度），如120° | 光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。 | 影響光照範圍與均勻度。 |
| 色溫（CCT） | K（開爾文），如2700K/6500K | 光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。 | 決定照明氛圍與適用場景。 |
| 顯色指數（CRI / Ra） | 無單位，0–100 | 光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。 | 影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。 |
| 色容差（SDCM） | 麥克亞當橢圓步數，如"5-step" | 顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。 | 保證同一批燈具顏色無差異。 |
| 主波長（Dominant Wavelength） | nm（奈米），如620nm（紅） | 彩色LED顏色對應的波長值。 | 決定紅、黃、綠等單色LED的色相。 |
| 光譜分佈（Spectral Distribution） | 波長 vs. 強度曲線 | 顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。 | 影響顯色性與顏色品質。 |
二、電氣參數
| 術語 | 符號 | 通俗解釋 | 設計注意事項 |
|---|---|---|---|
| 順向電壓（Forward Voltage） | Vf | LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。 | 驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。 |
| 順向電流（Forward Current） | If | 使LED正常發光的電流值。 | 常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。 |
| 最大脈衝電流（Pulse Current） | Ifp | 短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。 | 脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。 |
| 反向電壓（Reverse Voltage） | Vr | LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。 | 電路中需防止反接或電壓衝擊。 |
| 熱阻（Thermal Resistance） | Rth（°C/W） | 熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。 | 高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。 |
| 靜電放電耐受（ESD Immunity） | V（HBM），如1000V | 抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。 | 生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。 |
三、熱管理與可靠性
| 術語 | 關鍵指標 | 通俗解釋 | 影響 |
|---|---|---|---|
| 結溫（Junction Temperature） | Tj（°C） | LED晶片內部的實際工作溫度。 | 每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。 |
| 光衰（Lumen Depreciation） | L70 / L80（小時） | 亮度降至初始值70%或80%所需時間。 | 直接定義LED的"使用壽命"。 |
| 流明維持率（Lumen Maintenance） | %（如70%） | 使用一段時間後剩餘亮度的百分比。 | 表徵長期使用後的亮度保持能力。 |
| 色漂移（Color Shift） | Δu′v′ 或 麥克亞當橢圓 | 使用過程中顏色的變化程度。 | 影響照明場景的顏色一致性。 |
| 熱老化（Thermal Aging） | 材料性能下降 | 因長期高溫導致的封裝材料劣化。 | 可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。 |
四、封裝與材料
| 術語 | 常見類型 | 通俗解釋 | 特點與應用 |
|---|---|---|---|
| 封裝類型 | EMC、PPA、陶瓷 | 保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。 | EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。 |
| 晶片結構 | 正裝、倒裝（Flip Chip） | 晶片電極佈置方式。 | 倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。 |
| 螢光粉塗層 | YAG、矽酸鹽、氮化物 | 覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。 | 不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。 |
| 透鏡/光學設計 | 平面、微透鏡、全反射 | 封裝表面的光學結構，控制光線分佈。 | 決定發光角度與配光曲線。 |
五、質量控制與分檔
| 術語 | 分檔內容 | 通俗解釋 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 光通量分檔 | 代碼如 2G、2H | 按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。 | 確保同一批產品亮度一致。 |
| 電壓分檔 | 代碼如 6W、6X | 按順向電壓範圍分組。 | 便於驅動電源匹配，提高系統效率。 |
| 色區分檔 | 5-step MacAdam橢圓 | 按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。 | 保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。 |
| 色溫分檔 | 2700K、3000K等 | 按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。 | 滿足不同場景的色溫需求。 |
六、測試與認證
| 術語 | 標準/測試 | 通俗解釋 | 意義 |
|---|---|---|---|
| LM-80 | 流明維持測試 | 在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。 | 用於推算LED壽命（結合TM-21）。 |
| TM-21 | 壽命推演標準 | 基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。 | 提供科學的壽命預測。 |
| IESNA標準 | 照明工程學會標準 | 涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。 | 行業公認的測試依據。 |
| RoHS / REACH | 環保認證 | 確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。 | 進入國際市場的准入條件。 |
| ENERGY STAR / DLC | 能效認證 | 針對照明產品的能效與性能認證。 | 常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。 |