PD15-21B/TR8 矽質PIN光電二極體規格書 - 1206封裝 (1.6x0.8x0.55mm) - 光譜範圍730-1100nm - 峰值940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD15-21B/TR8是一款高性能矽質PIN光電二極體，封裝於微型表面黏著元件（SMD）中。此元件專為紅外線光譜內的感測應用而設計，為需要光學偵測的現代電子設計提供緊湊且可靠的解決方案。

1.1 核心優勢與產品定位

此元件旨在提供精準感測所需的數項關鍵優勢。其具備快速響應時間，使其能夠偵測光強度的快速變化，這對於計數、分揀及位置感測等應用至關重要。其高光敏度確保即使在低照度條件下也能可靠地偵測訊號。此外，低接面電容有助於其高速性能。產品以業界標準的8mm載帶包裝於7英吋直徑捲盤上，便於自動化組裝流程。它完全符合環保法規，為無鉛、符合RoHS、符合歐盟REACH規範且無鹵素（溴<900 ppm、氯<900 ppm，總和<1500 ppm）。

1.2 目標市場與應用

主要目標市場包括工業自動化、消費性電子產品及安全系統。其微型尺寸與SMD格式使其非常適合空間受限的應用。典型使用案例包括：

• 微型光學開關：用於物體偵測、印表機中的紙張偵測及槽型感測器。
• 計數器與分揀機：用於組裝線上的零件計數及基於有無偵測的分揀。
• 位置感測器：用於邊緣偵測、極限開關及旋轉編碼器系統。
• 紅外線應用系統：使用紅外線發射器進行資料傳輸、接近感測及環境光感測的系統之關鍵元件。

2. 深入技術參數分析

透徹理解元件的規格對於正確的電路設計與系統整合至關重要。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致元件永久損壞的極限。不建議在這些極限或接近極限的條件下持續操作元件。

• 逆向電壓（V_R）：32 V。這是可施加於光電二極體兩端的最大逆向偏壓。
• 操作溫度（T_opr）：-25°C 至 +85°C。可靠操作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度（T_stg）：-40°C 至 +85°C。非操作狀態下的儲存溫度範圍。
• 焊接溫度（T_sol）：最高260°C，持續時間最長5秒。此定義了迴焊曲線的峰值溫度。
• 功率消耗（P_d）：在25°C或以下自由空氣溫度時為150 mW。此限制了元件可安全處理的總電功率。

2.2 電氣-光學特性

這些參數在標準溫度25°C下量測，定義了光電二極體的核心感測性能。

• 光譜頻寬（λ_0.5）：730 nm 至 1100 nm。這是光電二極體響應度至少為其峰值一半的波長範圍。表示其對近紅外光的靈敏度。
• 峰值靈敏度波長（λ_P）：940 nm（典型值）。此元件在光譜上與工作於此波長的常見紅外線發光二極體（IRED）相匹配，最大化系統效率。
• 短路電流（I_SC）：在940 nm、輻照度（E_e）為1 mW/cm²的條件下為0.8 μA（典型值）。這是光電二極體在光伏模式（零偏壓）下操作時產生的光電流。
• 逆向光電流（I_L）：在940 nm、輻照度1 mW/cm²、逆向偏壓（V_R）為5V的條件下為0.2 μA（最小值）至0.8 μA（典型值）。此參數與光導模式操作相關，該模式下施加外部逆向偏壓以提高速度與線性度。
• 暗電流（I_D）：在完全黑暗（E_R=0）、V_e=10V的條件下為10 nA（最大值）。這是即使沒有光存在時也會流動的微小漏電流。低暗電流對於良好的訊噪比至關重要，特別是在低光應用中。
• 逆向崩潰電壓（BV_R）：在逆向電流100 μA下量測為32 V（最小值）、170 V（典型值）。這表示其具有非常高的崩潰電壓，提供了低於32V絕對最大額定值的寬廣操作餘裕。

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。

3.1 功率降額

圖1：功率消耗 vs. 環境溫度顯示最大允許功率消耗如何隨著環境溫度升高超過25°C而降低。設計人員必須據此進行功率降額，以防止熱過應力。

3.2 光譜響應

圖2：光譜靈敏度以圖形方式描繪了光電二極體在整個光譜範圍內的相對響應度，確認其在940 nm處的峰值以及定義的730-1100 nm頻寬。

3.3 溫度相依性

圖3：暗電流 vs. 環境溫度說明暗電流大約每升高10°C就增加一倍。這是半導體的基本特性，必須在高溫或精密應用中考慮。圖4：逆向光電流 vs. 輻照度（E_e)展示了入射光功率與產生的光電流之間的線性關係，這是PIN光電二極體的關鍵特性。

3.4 角度響應

圖5：相對輻射強度 vs. 角度位移顯示了元件的方向靈敏度。帶有球形透鏡的黑色環氧樹脂封裝提供了特定的視角，這會影響在系統設計中光電二極體應如何與光源對準。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

此元件符合標準1206（3216公制）SMD佔位面積：長度約1.6mm，寬度約0.8mm，高度約0.55mm（不包含透鏡圓頂）。提供了帶有±0.1mm公差的詳細尺寸圖，供PCB焊墊圖案設計使用。提供了建議的焊墊佈局作為參考，但建議設計人員根據其特定的PCB製造工藝與熱要求進行修改。

4.2 極性識別

光電二極體以黑色環氧樹脂模塑封裝。陰極端子通常在封裝外觀圖中標記或識別。正確的極性連接對於在逆向偏壓（光導）模式下正常操作至關重要。

5. 焊接與組裝指南

正確的處理對於維持元件可靠性與性能至關重要。

5.1 儲存與濕度敏感性

此元件對濕度敏感。防潮袋應在準備使用前才開啟。開啟後，若儲存在10-30°C且相對濕度≤60%的環境下，其"車間壽命"為168小時（7天）。未使用的元件必須重新裝入放有乾燥劑的袋子中。若超過車間壽命或乾燥劑顯示已吸濕，則在使用前需在60°C ±5°C且相對濕度<5%的條件下烘烤96小時。

5.2 迴焊焊接

建議採用無鉛焊接溫度曲線，峰值溫度為260°C，持續時間最長5秒。迴焊次數不應超過兩次。必須避免加熱期間對元件本體施加應力以及焊接後PCB板彎曲。

5.3 手工焊接與返修

若必須進行手工焊接，請使用烙鐵頭溫度低於350°C、功率25W或更低的烙鐵。每個端子的接觸時間應少於3秒，且焊接每個端子之間需間隔2秒以上。強烈不建議進行返修。若不可避免，必須使用專用的雙頭烙鐵同時加熱兩個端子，且必須事先驗證對元件特性的影響。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 載帶與捲盤規格

產品以8mm寬的凸版載帶包裝於7英吋（178mm）直徑的捲盤上供應。每捲包含2000個元件。提供了詳細的載帶與捲盤尺寸，以確保與自動化取放設備的相容性。

6.2 標籤規格

捲盤標籤包含標準資訊，如客戶料號（CPN）、製造商料號（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）及製造國家。

7. 應用設計考量

7.1 電路保護

重要注意事項：規格書明確警告，必須使用一個外部限流電阻必須與光電二極體串聯。若無此電阻，微小的電壓偏移可能導致電流大幅變化，可能導致元件立即燒毀。電阻值必須根據供電電壓與預期最大光電流計算。

7.2 偏壓模式

光電二極體可在兩種主要模式下使用：

1. 光伏（零偏壓）模式：光電二極體在受光照時產生電壓/電流，無需施加外部偏壓。此模式提供極低的暗電流與雜訊，但響應時間較慢。
2. 光導（逆向偏壓）模式：施加外部逆向電壓（例如測試條件中的5V）。這擴大了空乏區，降低了接面電容，從而提高了速度與頻寬。同時也改善了線性度，但會增加暗電流。

選擇取決於應用對速度與雜訊性能的要求。

7.3 與放大器的介接

為了放大微小的光電流（μA級），通常使用跨阻抗放大器（TIA）電路。此電路將光電二極體電流轉換為成比例的輸出電壓。TIA的關鍵設計考量包括選擇具有低輸入偏置電流與低雜訊的運算放大器，以及計算反饋電阻與電容以獲得所需的增益與頻寬，同時保持穩定性。

8. 技術比較與差異化

與光電晶體相比，此矽質PIN光電二極體因其本質區域降低了電容，提供了更優異的速度與線性度。其響應純粹依賴入射光，不像光電晶體具有電流增益，可能速度較慢且線性度較差。與其他光電二極體相比，其1206封裝在微型化與易於處理/組裝之間取得了良好平衡，而其高崩潰電壓及與940nm IRED的特定光譜匹配，對於目標紅外線感測應用是顯著優勢。

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（光伏模式）下量測的。I_L（逆向光電流）是在施加逆向偏壓（光導模式）下量測的。對於PIN光電二極體，I_L通常非常接近I_SC。

9.2 為何必須使用串聯電阻？

光電二極體在受光照時，基本上如同一個電流源。若直接連接到電壓源而無串聯電阻，則沒有機制限制電流，將導致過度功率消耗與立即失效。

9.3 如何選擇操作逆向電壓？

對於光導模式，可使用介於5V至安全低於32V最大額定值之間的逆向電壓。較高的逆向偏壓會進一步降低電容（提高速度），但也會略微增加暗電流。常見的操作點是5V或12V。

10. 設計與使用案例研究

案例：輸送帶上的物體計數

一個紅外線LED（940nm）置於輸送帶一側，PD15-21B/TR8光電二極體則直接置於對面。物體通過其間會阻斷紅外線光束。光電二極體在光導模式下操作，透過一個10kΩ串聯電阻提供5V逆向偏壓以進行保護。微控制器監測負載電阻兩端的電壓降（或連接到光電二極體的跨阻抗放大器輸出）。此電壓的突然下降表示物體存在，觸發計數。光電二極體的快速響應時間允許準確計數高速移動的物體。小巧的1206封裝便於整合到緊湊的感測頭中。

11. 工作原理

PIN光電二極體是一種半導體元件，具有一個寬廣、輕度摻雜的本質（I）區域，夾在P型與N型區域之間。當能量大於半導體能隙的光子撞擊元件時，它們會在本質區域產生電子-電洞對。在內建電場（或外部施加的逆向偏壓）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。本質區域降低了接面電容，使其與標準PN光電二極體相比，能實現更快的響應時間。

12. 產業趨勢

光電產業的趨勢持續朝向進一步微型化、更高整合度及改善性能發展。消費性電子（智慧型手機、穿戴裝置）、汽車（LiDAR、駕駛監控）及工業物聯網對感測器的需求日益增長。像PD15-21B/TR8這樣在性能、尺寸與成本之間取得平衡的光電二極體，在這些市場中具有良好的定位。未來的發展可能包括整合了晶片上放大與數位介面的光電二極體，以及針對光譜分析應用對特定波長敏感的元件。

免責聲明：本文件提供的資訊僅供技術參考。設計人員應驗證所有參數，並確保其應用在指定的絕對最大額定值內操作。性能可能隨操作條件而變化。