フォトトランジスタ PD204-6B/L3 データシート - 3mmパッケージ - ピーク感度波長 940nm - 日本語技術文書

1. 製品概要

PD204-6B/L3は、標準的な3mmプラスチックパッケージに収められた高速・高感度のシリコンPINフォトダイオードです。本デバイスは可視光および赤外線発光ダイオードに分光学的に適合しており、ピーク感度は940nm波長に最適化されています。これにより、高速応答と信頼性の高い性能を必要とする様々なセンシングアプリケーションに適しています。

この部品の主な利点は、高速応答時間、高い光感度、および小さな接合容量であり、これらが効率的な信号検出に貢献します。本製品はRoHSおよびEU REACH規制に準拠しており、無鉛（Pbフリー）デバイスとして製造されています。

2. 技術パラメータ詳細解説

2.1 絶対最大定格

本デバイスは、指定された環境および電気的限界内で確実に動作するように設計されています。これらの定格を超えると、永久損傷を引き起こす可能性があります。

• 逆方向電圧 (VR):32 V - フォトダイオード端子間に逆バイアスとして印加できる最大電圧。
• 動作温度 (Topr):-25°C ～ +85°C - デバイスが正常に動作する周囲温度範囲。
• 保存温度 (Tstg):-40°C ～ +100°C - デバイスが通電されていない状態で安全に保管できる温度範囲。
• はんだ付け温度 (Tsol):標準リフローはんだ付けプロファイルに従い、最大5秒間260°C。
• 消費電力 (Pc):周囲温度25°C以下の自由空気中で150 mW。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、標準試験条件（Ta=25°C）下でのフォトトランジスタのコア性能を定義します。

• 分光帯域幅 (λ0.5):760 nm ～ 1100 nm。これは、デバイスがピーク感度の少なくとも半分を維持する波長範囲を定義します。
• ピーク感度波長 (λP):940 nm (代表値)。デバイスはこの赤外線波長の光に最も応答します。
• 開放電圧 (VOC):940nm、照度 (Ee) 1 mW/cm² の条件下で 0.42 V (代表値)。
• 短絡電流 (ISC):同じ試験条件（Ee=1mW/cm², λp=940nm）下で 4.3 μA (代表値)。
• 逆方向光電流 (IL):VR=5V, Ee=1mW/cm², λp=940nm の条件下で 3.9 μA (最小), 6 μA (代表値)。これは、ダイオードが逆バイアスされ、光が照射されたときに生成される光電流です。
• 逆方向暗電流 (ID):完全暗所（Ee=0mW/cm²）、VR=10V の条件下で 10 nA (最大)。これは、光が存在しない場合でも流れるわずかなリーク電流です。
• 逆方向降伏電圧 (VBR):暗所、逆方向電流 (IR) 100μA で測定した値で 32 V (最小)。
• 総容量 (Ct):VR=5V、周波数1MHz の条件下で 10 pF (代表値)。低容量は高速スイッチングを可能にします。
• 立上り/立下り時間 (tr/tf):VR=10V、負荷抵抗 (RL) 100Ω の条件下で 10 ns / 10 ns (代表値)。これは、パルス光検出に適した非常に高速な応答を示しています。
• 視野角 (2θ1/2):45° (代表値)。これは、デバイスが感度を維持する角度視野を定義します。

関連アプリケーションにおける公差は、光度で±10%、主波長で±1nm、順方向電圧で±0.1Vと規定されています。

3. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下でのデバイスの挙動を示すいくつかの特性曲線が記載されています。これらは、設計エンジニアが実際のシナリオでの性能を予測するために不可欠です。

3.1 消費電力 vs. 周囲温度

この曲線は、周囲温度が25°Cを超えて上昇するにつれて、許容される最大消費電力が減少することを示しています。設計者は、長期信頼性を確保するために、それに応じて電力処理能力をデレーティングする必要があります。

3.2 分光感度特性

分光応答曲線は、デバイスのピーク感度が940nmであり、約760nmから1100nmまでの有用な範囲を持つことを確認しています。これは、一般的な赤外線LEDを使用するアプリケーションへの適合性を強調しています。

3.3 逆方向暗電流 vs. 周囲温度

暗電流は温度とともに指数関数的に増加します。この曲線は、高温環境で動作するアプリケーション、または暗電流がノイズの主要な原因となり、低照度条件下での信号対雑音比に影響を与える可能性があるアプリケーションにとって重要です。

3.4 逆方向光電流 vs. 照度 (Ee)

このプロットは、生成される光電流 (IL) と入射光強度（照度）との間に、指定された範囲で線形関係があることを示しています。これは、デバイスの予測可能で線形な測光応答を確認するものです。

3.5 端子容量 vs. 逆方向電圧

接合容量 (Ct) は、逆バイアス電圧の増加とともに減少します。低容量は高速アプリケーションにとって望ましく、この曲線は最適な動作バイアスポイントを選択するのに役立ちます。

3.6 応答時間 vs. 負荷抵抗

この曲線は、立上り時間と立下り時間 (tr/tf) が外部負荷抵抗 (RL) の値によってどのように影響を受けるかを示しています。より小さな負荷抵抗で高速応答が得られますが、これは信号振幅とのトレードオフとなります。

4. 機械的仕様とパッケージ情報

4.1 パッケージ外形寸法

本デバイスは、標準的な3mmラジアルリードパッケージを使用しています。外形図には、ボディ直径、リード間隔、およびリード寸法が規定されています。規定されていない公差はすべて±0.25mmです。レンズ色は黒色です。

4.2 極性識別

カソード（負端子）は、通常、パッケージ本体のフラットスポットまたは長いリードで示されます。正しい逆バイアス動作のためには、回路実装時に正しい極性を守る必要があります。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

本コンポーネントは、標準的なPCB実装プロセスに適しています。

• リフローはんだ付け:最大はんだ付け温度は260°Cであり、この温度以上の時間は5秒を超えないようにしてください。これは、プラスチックパッケージおよび半導体チップへの熱損傷を防ぐためです。
• 手はんだ付け:手はんだ付けが必要な場合は、温度制御されたはんだごてを使用し、接触時間を最小限（通常、リードごとに3秒未満）に抑えてください。
• 洗浄:プラスチックパッケージ材料と適合性のある洗浄剤を使用してください。
• 保管:指定された保存温度範囲-40°C～+100°C内の乾燥した静電気防止環境で保管してください。

6. 梱包および発注情報

6.1 梱包数量仕様

標準梱包は以下の通りです：袋あたり200-1000個、箱あたり4袋、段ボール箱あたり10箱。これにより、試作から量産まで柔軟に対応できます。

6.2 ラベル形式仕様

製品ラベルには、トレーサビリティと識別のための主要情報が含まれています：

• CPN:顧客品番
• P/N:品番 (例: PD204-6B/L3)
• QTY:梱包数量
• CAT, HUE, REF:光度、主波長、順方向電圧のランク（ビニングされている場合）。
• LOT No:製造ロット番号（トレーサビリティ用）。
• X:製造月。

7. アプリケーション提案

7.1 代表的なアプリケーション例

PD204-6B/L3は、以下のような様々な光電センシングアプリケーションに適しています：

• 自動ドアセンサー:赤外線ビームの遮断を検出して、ドアの開閉機構をトリガーします。
• コピー機およびプリンター:用紙検出、エッジセンシング、またはトナー残量モニタリングに使用されます。
• ゲーム機/アーケードシステム:物体検出、インタラクティブコントロール、または位置センシング用。
• 汎用赤外線センシング:リモコン受信機、近接センサー、および高速で信頼性の高い940nm赤外線の検出が必要な産業オートメーション。

7.2 設計上の考慮点

• バイアス回路:最適な速度と直線性を得るために、フォトダイオードを逆バイアス（光導電モード）で動作させてください。仕様に示されているように、5Vから10Vの逆電圧が典型的です。
• 負荷抵抗 (RL):応答速度（帯域幅）と出力電圧振幅の間で必要なトレードオフに基づいてRLを選択してください。小さな光電流を高速・低ノイズを維持しながら使用可能な電圧に変換するには、トランスインピーダンスアンプ (TIA) 回路の使用が推奨されます。
• 光学的考慮点:光源（通常は940nmのIR LED）との適切な位置合わせを確保してください。視野については45°の視野角を考慮する必要があります。光学フィルターを使用することで、特に可視光などの不要な環境光を遮断するのに役立ちます。
• ノイズ低減:高感度アプリケーションでは、デバイスとその回路を電気的ノイズからシールドしてください。トレースを短くし、バイパスコンデンサを使用し、高温動作時の暗電流の影響を考慮してください。

8. 技術比較と差別化

応答時間が遅い標準的なフォトダイオードやフォトトランジスタと比較して、PD204-6B/L3には以下のような明確な利点があります：

• 高速性:10nsの立上り/立下り時間により、多くの汎用フォトトランジスタよりも大幅に高速であり、高速変調信号の検出を可能にします。
• PIN構造:PINフォトダイオード構造は、標準的なPNフォトダイオードよりも広い空乏層を提供し、その結果、より低い接合容量（10pF）と高速性を実現します。
• 最適化されたスペクトル:940nmのピーク感度は、一般的で低コストの赤外線LEDの出力に正確に適合しており、システム効率を最大化します。
• 標準パッケージ:3mmラジアルパッケージは業界で一般的なフォームファクターであり、既存の設計への統合が容易で、標準的なPCBフットプリントと互換性があります。

9. よくあるご質問 (技術パラメータに基づく)

9.1 光起電力モード（ゼロバイアス）と光導電モード（逆バイアス）での動作の違いは何ですか？

光起電力モード（V_R=0V）では、フォトダイオードは電圧（V_OC）を生成します。このモードでは暗電流はゼロですが、応答は遅く、直線性も低くなります。PD204-6B/L3の仕様ではVOC=0.42Vと記載されています。光導電モード（逆バイアス、例：V_R=5V）では、外部電圧が印加されます。これにより接合容量が減少し（10nsのtr/tfに見られるように高速応答が可能になります）、直線性が向上し、より大きな活性領域が可能になりますが、暗電流（I_D）が発生します。本デバイスが対象とするような高速アプリケーションでは、光導電モードが推奨されます。

9.2 光電流 (I_L) を測定可能な電圧に変換するにはどうすればよいですか？

最も簡単な方法は、直列に負荷抵抗（R_L）を使用することです。出力電圧は V_out = I_L * R_L となります。ただし、R_Lが増加すると、（ダイオード容量との）RC時定数が増加し、応答が遅くなります（応答時間 vs. 負荷抵抗曲線に示されています）。特に小さな電流と速度が必要な場合に最適な性能を得るには、トランスインピーダンスアンプ (TIA) が推奨される回路です。これは、フォトダイオードを仮想接地に保ちながら、安定した低インピーダンスの出力電圧（V_out = -I_L * R_f）を提供し、容量の影響を最小限に抑えます。

9.3 暗電流はなぜ重要で、温度はそれにどのように影響しますか？

暗電流 (I_D) は、光が存在しないときに流れるノイズ電流です。これは検出可能な光の下限を設定します。データシートでは、25°Cで最大10nAと規定されています。この電流は、温度が約10°C上昇するごとにほぼ倍増します。したがって、高温環境または極めて低照度の検出では、暗電流が重要なノイズ源となり、回路設計で考慮する必要があります（例えば、温度補償または同期検出技術による）。

9.4 このセンサーは940nm以外の光源でも使用できますか？

はい、ただし感度は低下します。分光応答曲線は、760nmから1100nmにかけて有意な感度を示しています。例えば、850nmのLEDにも応答しますが、同じ光強度に対して生成される光電流は940nm光源の場合よりも低くなります。正確な設計のためには、常に相対分光感度曲線（完全版が提供されている場合）を参照するか、目的の波長での応答度を計算してください。

10. 実践的設計ケーススタディ

設計ケース：セキュリティゲート用赤外線ビーム遮断センサー

目的:物体が不可視の赤外線ビームを遮断したことを検出し、セキュリティアラームをトリガーする、信頼性が高く高速なセンサーを作成する。

実装:

1. 送信機:940nm赤外線LEDをパルス電流（例：38kHz、20mAパルス）で駆動し、環境光に対する耐性を提供し、平均消費電力を低減します。
2. 受信機:PD204-6B/L3を送信機の反対側に配置し、その45°の視野角内で位置合わせします。負荷抵抗を介して5Vで逆バイアスされます。
3. 信号調整:フォトダイオードからの小さなAC光電流信号（DC暗電流に重畳）を、38kHzに同調した高利得のバンドパスアンプに入力します。これにより、DC環境光と低周波ノイズが除去されます。
4. 検出:増幅された信号は整流され、しきい値と比較されます。ビームが遮断されていないときは、強い38kHz信号が存在し、コンパレータ出力はハイになります。物体がビームを遮断すると、信号が消失し、コンパレータがローに切り替わってアラームを作動させます。

PD204-6B/L3が適している理由:高速な10nsの応答時間により、38kHzの変調信号を容易に処理できます。940nmでの高感度により、対応するIR LEDからの良好な信号対雑音比が確保されます。低容量により、必要なフィルタリング部品があっても応答性の高い回路が可能です。

11. 動作原理

PD204-6B/L3のようなPINフォトダイオードは、内部光電効果の原理に基づいて動作します。デバイス構造は、P型領域とN型領域の間に挟まれた、広く軽くドープされた真性（I）半導体領域で構成されています。半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光子（例えば、シリコンに対する940nmの赤外線）が真性領域に衝突すると、電子-正孔対が生成されます。ダイオードが逆バイアスされているとき、空乏層（真性層全体に広がる）にかかる内蔵電界がこれらの電荷キャリアをそれぞれの端子に向かって掃き出し、入射光強度に比例する光電流（I_L）を生成します。広い真性領域は容量を低減し、より大きな体積で生成されたキャリアの効率的な収集を可能にし、速度と感度の両方に貢献します。

12. 業界動向と背景

PD204-6B/L3のような光検出器は、成長する光エレクトロニクスおよびセンシング分野における基本的な構成要素です。このようなデバイスの需要を牽引する現在のトレンドには以下が含まれます：

• 自動化とインダストリー4.0:製造業における位置、存在、品質管理のための非接触センサーの使用増加。
• 民生電子機器:近接センシング（例：通話中のスマートフォン画面の消灯）、ディスプレイ輝度制御のための環境光センシング、ジェスチャー認識などのデバイスへの統合。
• モノのインターネット (IoT):スマートホームデバイス、セキュリティシステム、環境モニタリングのための低電力で信頼性の高いセンサー。
• 進歩:一般的なトレンドは、より高い集積度（例：オンチップアンプを備えたフォトダイオード）、より小さなパッケージ（表面実装デバイス）、低消費電力、およびLiDAR、生体医療センシング、光通信などのアプリケーション向けの特定波長での性能向上に向かっています。PD204-6B/L3のようなデバイスは、主流の赤外線センシングニーズに対する成熟した、信頼性が高く、費用対効果の高いソリューションを表しています。

13. 免責事項および使用上の注意

データシートの免責事項から導き出される重要な使用ガイドラインは以下の通りです：

1. 仕様は予告なく変更される場合があります。設計には常に最新の公式データシートを参照してください。
2. 本製品は、通常の保管条件下で出荷日から12ヶ月間、公表された仕様を満たします。
3. 特性曲線は代表的な性能を示しており、保証された最小値または最大値ではありません。適切なマージンを持って設計してください。
4. 絶対最大定格を厳守してください。これらの限界を超えた動作は、即時または潜在的な故障を引き起こす可能性があります。メーカーは、誤用による損害について一切の責任を負いません。
5. 本情報は所有権のあるものです。許可なく複製することは禁止されています。
6. 本コンポーネントは、医療用生命維持装置、自動車制御、航空、軍事システムなどの安全クリティカルなアプリケーション向けに設計または認定されていません。そのようなアプリケーションでは、特別に認定された製品についてメーカーにお問い合わせください。