PD15-22B/TR8 矽質PIN光電二極體規格書 - 封裝尺寸3.5x4.0x1.65mm - 逆向電壓32V - 黑色透鏡 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

PD15-22B/TR8是一款高速、高靈敏度的矽質PIN光電二極體，專為需要快速光學偵測的應用而設計。它採用微型、平頂表面黏著元件(SMD)封裝，具有黑色塑膠成型外殼與黑色透鏡。此元件的光譜特性與可見光及近紅外線光源相匹配，適用於多種感測應用。

此元件的關鍵優勢包括其快速響應時間，使其能夠偵測光強度的快速變化，以及其高光敏度，即使在低光條件下也能可靠運作。其微小的接面電容有助於實現高速性能。本產品符合環保標準，為無鉛(Pb-free)、符合RoHS規範、符合歐盟REACH規範，且為無鹵素（溴含量<900 ppm、氯含量<900 ppm、溴+氯<1500 ppm）。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

本元件設計為在指定範圍內可靠運作。超過這些絕對最大額定值可能會導致永久性損壞。

• 逆向電壓 (VR):32 V。這是在逆向偏壓條件下可施加而不會導致崩潰的最大電壓。
• 工作溫度 (Topr):-40°C 至 +85°C。此為元件正常運作時的環境溫度範圍。
• 儲存溫度 (Tstg):-40°C 至 +100°C。元件在不運作時可在此範圍內儲存。
• 焊接溫度 (Tsol):260°C，最長5秒。這對於迴焊製程至關重要。
• 功率消耗 (Pc):150 mW。元件可安全消耗的最大功率。
• ESD HMB等級:最小2000V。表示元件使用人體放電模型對抗靜電放電的穩健性。

2.2 電氣-光學特性

這些參數在Ta=25°C下量測，定義了光電二極體的核心性能。

• 光譜頻寬 (λ):730 nm 至 1100 nm（在峰值靈敏度的10%處）。元件對此波長範圍內的光有響應，其峰值靈敏度位於近紅外線區域。
• 峰值靈敏度波長 (λP):典型值為940 nm。這是光電二極體最敏感的波長。
• 開路電壓 (VOC):在λP=940nm、輻照度(Ee)為5 mW/cm²的條件下，典型值為0.41 V。這是端子開路時產生的電壓。
• 短路電流 (ISC):在λP=875nm、Ee=1 mW/cm²的條件下，最小值為4.0 μA，典型值為6.5 μA。這是端子短路時產生的電流。
• 逆向光電流 (IL):在λP=875nm、Ee=1 mW/cm²、VR=5V的條件下，最小值為4.2 μA，典型值為6.5 μA。這是二極體在逆向偏壓下產生的光電流，為高速應用的典型工作模式。
• 暗逆向電流 (ID):在VR=10V、完全黑暗的條件下，最大值為10 nA。這是即使沒有光存在時也會流動的微小漏電流。
• 逆向崩潰電壓 (BVR):在黑暗中以逆向電流(IR)為100 μA量測時，最小值為32 V，典型值為170 V。
• 上升/下降時間 (tr, tf):在VR=5V、RL=1000 Ω的條件下，典型值各為10 ns。這定義了光電二極體的切換速度。
• 視角 (2θ1/2):在VR=5V時，典型值為130度。這表示其具有寬廣的光偵測視野。

3. 性能曲線分析

本規格書提供了數條對設計工程師至關重要的特性曲線。

3.1 光譜靈敏度

光譜響應曲線顯示了光電二極體在不同波長下的相對靈敏度。它確認了峰值靈敏度約在940 nm附近，且在730 nm至1100 nm範圍內具有有效的響應。這使其成為紅外線發射器（如遙控器、接近感測器和數據通訊鏈路中常用的850nm或940nm波長）的理想匹配元件。

3.2 暗電流與環境溫度關係

此曲線說明了暗電流(ID)如何隨著環境溫度升高而呈指數增長。在25°C時，它低於10 nA，但在較高溫度下（例如85°C）可能會顯著上升。設計師必須在高溫應用或需要偵測極低光強度的情況下，考慮此增加的雜訊基底。

3.3 逆向光電流與輻照度關係

此圖表顯示了逆向光電流(IL)與入射光輻照度(Ee)之間的線性關係。該光電二極體展現出良好的線性度，意味著在其工作範圍內，輸出電流與光強度成正比。這對於需要精確強度測量的類比光感測應用至關重要。

3.4 端子電容與逆向電壓關係

接面電容隨著逆向偏壓(VR)增加而降低。較低的電容對於高速運作是可取的，因為它能降低電路的RC時間常數。曲線顯示，施加較高的逆向偏壓（例如10V而非5V）可以顯著降低電容，從而提高頻寬和響應時間。

3.5 響應時間與負載電阻關係

此曲線展示了響應速度與訊號振幅之間的權衡。上升/下降時間隨著負載電阻(RL)增加而增加。為了獲得最快的響應，應使用低阻值的負載電阻（例如50 Ω），但這將產生較小的電壓訊號。通常會使用跨阻放大器來克服此限制，同時提供高速和良好的訊號增益。

3.6 相對光電流與角度偏移關係

此圖表描述了光電二極體的角度靈敏度特性。它確認了寬廣的130度視角，顯示即使光線以顯著偏離中心軸的角度入射，偵測到的訊號仍保持相對較高。這對於對準不完美或需要寬廣偵測範圍的應用非常有益。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

PD15-22B/TR8採用緊湊的SMD封裝。關鍵尺寸如下（單位均為mm，公差為±0.1mm，除非另有說明）：

• 總長度：4.0 mm
• 總寬度：3.5 mm
• 總高度：1.65 mm（典型值，從安裝平面到透鏡頂部）
• 引腳寬度：1.55 mm ±0.05 mm
• 引腳間距：2.95 mm
• 提供了PCB佈局的端子焊墊圖案建議。

陽極和陰極在封裝圖上標示清晰。引腳1為陰極。

4.2 載帶與捲盤尺寸

本元件以載帶和捲盤形式供應，用於自動化組裝。每捲包含2000個元件。提供了載帶凹槽和捲盤的詳細尺寸，以確保與標準取放設備的相容性。

5. 焊接與組裝指南

5.1 儲存與濕度敏感性

此光電二極體對濕度敏感。必須採取預防措施，以防止在儲存和處理過程中損壞。

• 在準備使用前，請勿打開防潮袋。
• 打開前，請儲存在≤30°C、≤90% RH的環境中。
• 請在出貨後一年內使用。
• 打開後，請儲存在≤30°C、≤60% RH的環境中。
• 請在打開袋子後168小時（7天）內使用。
• 若超過儲存時間或乾燥劑顯示受潮，請在使用前以60 ±5°C烘烤至少24小時。

5.2 迴焊溫度曲線

提供了建議的無鉛迴焊溫度曲線。關鍵參數包括：

• 預熱與均溫區。
• 峰值溫度不得超過260°C。
• 溫度高於240°C的時間應加以控制。
• 迴焊次數不應超過兩次。
• 加熱過程中避免對元件施加機械應力。
• 焊接後請勿彎曲PCB。

5.3 手工焊接與返修

若必須進行手工焊接：

• 使用烙鐵頭溫度<350°C的烙鐵。
• 每個端子的接觸時間限制在≤3秒。
• 使用額定功率<25W的烙鐵。
• 焊接每個端子之間，需有>2秒的冷卻間隔。
• 不建議在焊接後進行修復。若不可避免，請使用雙頭烙鐵同時加熱兩個端子，以最小化熱應力。任何返修後，請驗證元件功能。

6. 應用說明與設計考量

6.1 典型應用

• 高速光偵測器：憑藉其10 ns的響應時間，適用於光學數據鏈路、編碼器和雷射偵測。
• 影印機與掃描器：用於偵測文件存在、邊緣偵測和碳粉密度感測。
• 遊戲機與消費性電子產品：應用於接近感測、手勢辨識和紅外線遙控接收器。

6.2 關鍵設計考量

• 限流/保護：規格書明確警告，必須使用外部串聯電阻進行保護。輕微的電壓偏移可能導致巨大的電流變化，進而可能導致燒毀。此電阻用於限制流經二極體的電流。
• 偏壓設定以提升速度：為了獲得最佳的高速性能，應在逆向偏壓模式（光導模式）下操作光電二極體。如特性曲線所示，較高的逆向電壓（最高至最大額定值）將降低接面電容並改善響應時間。
• 電路拓撲：為了將光電流轉換為電壓，可考慮使用跨阻放大器(TIA)。此配置提供低輸入阻抗（保持光電二極體電壓恆定，從而最小化電容調變）、高頻寬和可控增益。回授電阻和放大器頻寬的選擇將決定整體系統性能。
• 光學設計：黑色透鏡有助於降低雜散光靈敏度。確保光路清潔且無障礙物。寬廣的130度視角為機械對準提供了靈活性。
• 熱管理：需考慮暗電流隨溫度增加的情況，特別是在高精度或高溫應用中。可能需要溫度補償電路。

7. 包裝與訂購資訊

標準包裝程序是將捲盤放入鋁製防潮袋中，並附上乾燥劑和適當的標籤。標籤包含客戶料號(CPN)、生產料號(P/N)、數量(QTY)、等級(CAT)、峰值波長(HUE)、參考(REF)、批號(LOT No.)和生產地等欄位。

元件選擇指南確認型號PD15-22B/TR8使用矽晶片並具有黑色透鏡。

8. 技術比較與市場定位

PD15-22B/TR8定位為一款通用型、高速的矽質PIN光電二極體，採用標準SMD封裝。其關鍵差異化特點在於其速度（10 ns）、靈敏度、寬視角以及穩健的環保合規性（RoHS、無鹵素）之間的平衡組合。與較慢的光電二極體或光電晶體相比，它在脈衝光偵測方面提供更優異的性能。與更專業的超高速光電二極體相比，它為需要奈秒級響應時間的主流應用提供了具成本效益的解決方案。在有環境光的環境中，黑色透鏡相較於透明透鏡版本是一項優勢，因為它有助於抑制不必要的訊號。

9. 常見問題 (FAQ)

問：短路電流(ISC)和逆向光電流(IL)有何不同？

答：ISC是在二極體兩端電壓為零（短路條件）下量測的。IL是在施加逆向偏壓（例如5V）下量測的。IL通常是電路設計中使用的參數，因為光電二極體通常在逆向偏壓下運作以獲得線性度和速度。

問：為什麼必須使用串聯電阻？

答：光電二極體的I-V特性在順向時非常陡峭。順向電壓的微小增加可能導致非常大、可能具有破壞性的電流流動。串聯電阻將此電流限制在安全值。

問：如何選擇工作逆向電壓？

答：這涉及權衡。較高的逆向電壓（例如10-20V）可降低電容以獲得更快響應，但會略微增加暗電流並消耗更多功率。較低的電壓（例如5V）對許多應用來說已足夠，並能保持暗電流最小。請參考電容與電壓關係曲線。

問：此光電二極體能偵測可見光嗎？

答：可以，其光譜範圍始於730 nm，位於可見光譜的深紅色部分。然而，其峰值靈敏度在近紅外線（940 nm），因此其對可見光（尤其是藍光和綠光）的響應度將低於對紅外線光的響應度。

10. 工作原理

PIN光電二極體是一種將光轉換為電流的半導體元件。它由一個寬廣、輕度摻雜的本徵(I)區域組成，夾在P型和N型半導體區域之間（形成P-I-N結構）。當具有足夠能量的光子撞擊本徵區域時，會產生電子-電洞對。在內部電場（通常由外部逆向偏壓增強）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PN光電二極體相比，寬廣的本徵區域允許更高的量子效率（更多的光吸收）和更低的接面電容，這直接轉化為更高的靈敏度和更快的響應時間。

11. 產業趨勢

對PD15-22B/TR8這類光電二極體的需求受到幾個持續趨勢的推動。物聯網(IoT)和智慧裝置的普及增加了對環境光感測器、接近感測器和簡單光學通訊鏈路的需求。工業和消費領域的自動化依賴於光學編碼器和物體偵測感測器。持續推動小型化，導致更小的SMD封裝，以及更高的整合度，將光電二極體與放大和訊號調理電路結合在單一模組中。此外，對能源效率和環境責任的重視，使得符合RoHS和無鹵素製造等標準成為全球市場所用元件的基本要求。