5mmフォトダイオード PD333-3C/H0/L2 データシート - 直径5mm - 逆耐圧32V - ピーク感度波長940nm - 日本語技術文書

1. 製品概要

PD333-3C/H0/L2は、標準的な直径5mmプラスチックパッケージに収められた高速・高感度シリコンPINフォトダイオードです。本デバイスは、小さな接合容量と高速応答時間を活かし、高速光検出を必要とするアプリケーション向けに設計されています。レンズ材にウォータークリアエポキシ樹脂を使用しているため、可視光から赤外線まで広いスペクトルに感度を持ち、特に近赤外領域でピーク感度を示します。その主な設計目標は、コンパクトでコスト効率の高いセンシングソリューションにおいて、信頼性の高い性能を提供することです。

2. 技術パラメータ詳細解説

本セクションでは、データシートに規定されている主要な電気的・光学的パラメータについて客観的な分析を提供します。

2.1 絶対最大定格

本デバイスの最大逆電圧（VR）定格は32Vであり、永久損傷のリスクなく印加できるバイアス電圧の上限を定義します。動作温度範囲（Topr）は-25°Cから+85°Cで、ほとんどの民生用および産業用環境に適しています。保管はより広い範囲である-40°Cから+100°Cで可能です。はんだ付け温度（Tsol）は260°Cに規定されており、これは鉛フリーリフロー工程における標準的なピーク温度です。消費電力（Pc）は周囲温度25°C以下で150 mWであり、アプリケーション回路における熱設計にとって重要なパラメータです。

2.2 電気・光学特性

分光応答は広く、400 nmから1100 nmの帯域幅（λ0.5）をカバーし、典型的なピーク感度波長（λP）は940 nmです。これは、850nmや940nmのIR LEDを使用する赤外線センシングアプリケーションに理想的です。主要な感度パラメータには、典型的な開放電圧（VOC）0.39Vおよび短絡電流（ISC）40 μAが含まれ、これらは940nm、放射照度（Ee）1 mW/cm²の条件下で測定されます。5Vの逆バイアス下では、同じ放射照度条件下で典型的な逆光電流（IL）は40 μAです。低照度性能にとって重要なパラメータである逆暗電流（ID）は、VR=10Vで典型的に5 nA、最大30 nAです。総接合容量（Ct）は、VR=5V、1 MHzで典型的に18 pFであり、これはデバイスの速度に直接影響します。立上り・立下り時間（tr/tf）は、VR=10V、負荷抵抗（RL）100Ωで測定した場合、それぞれ典型的に45 nsであり、その高速性能を確認できます。指向角（2θ1/2）は80度です。

3. 性能曲線分析

データシートには、主要パラメータが動作条件によってどのように変化するかを示すいくつかの代表的な性能曲線が含まれています。これらの曲線は、設計エンジニアが実使用時の性能を予測するために不可欠です。

3.1 分光感度特性

分光感度曲線は、約400 nmから1100 nmまでの波長にわたるフォトダイオードの相対感度を示しています。曲線は940 nm付近で鋭くピークを示し、近赤外光への最適化を確認できます。深い可視光域および1100 nmを超える領域では感度が著しく低下します。

3.2 温度依存性

2つの曲線が温度の影響を強調しています：消費電力対周囲温度、および逆暗電流対周囲温度です。消費電力のディレーティング曲線は、周囲温度が25°Cを超えて上昇するにつれて、許容最大電力がどのように減少するかを示します。暗電流曲線は、IDが温度とともに指数関数的に増加することを示しており、これは半導体接合の一般的な特性です。これは高温で動作するアプリケーションにとって重要であり、暗電流の増加はノイズフロアを上昇させます。

3.3 直線性と動的応答

逆光電流対Ee曲線は、フォトダイオードの直線性を示しています。規定された放射照度の範囲内では、光電流（IL）は入射光パワーに比例して直線的に増加するはずです。応答時間対負荷抵抗曲線は、立上り/立下り時間（tr/tf）がより高い負荷抵抗（RL）とともにどのように増加するかを示しています。高速アプリケーションでは、低値の負荷抵抗（仕様で使用されている100Ωなど）が必要ですが、これは出力電圧振幅を小さくします。

3.4 静電容量対電圧特性

端子容量対逆電圧曲線は、接合容量（Ct）が逆バイアス電圧の増加とともに減少することを示しています。これは空乏層の拡大によるものです。したがって、（規定内で）より高い逆バイアスを印加することで、容量を減らして速度を向上させることができますが、その代償として暗電流が高くなる可能性があります。

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、標準的なラジアルリード型5mm（T-1 3/4）パッケージを使用しています。詳細な寸法図には、直径、リード間隔、リード長、およびレンズ形状が規定されています。重要な注意点として、特に記載がない限り寸法公差は±0.25mmです。アノードとカソードは識別されており、通常、長いリードがアノード（光起電力モードでの正側）です。

4.2 極性識別

極性はリードの長さで示されます。長いリードがアノード（P側）、短いリードがカソード（N側）です。光導電モード（逆バイアス）で動作させる場合、カソードを正の電源電圧に接続する必要があります。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

はんだ付け温度の絶対最大定格は260°Cです。これは一般的な鉛フリーリフロープロファイルに適合します。手はんだ付けの際には、プラスチックパッケージやエポキシレンズへの損傷を防ぐため、熱暴露時間を最小限に抑える注意が必要です。デバイスは、規定の保管温度範囲（-40°Cから+100°C）内の条件で、湿気吸収（リフロー時の信頼性に影響する可能性あり）を防ぐために乾燥した環境で保管する必要があります。

6. 梱包および発注情報

6.1 梱包仕様

標準的な梱包方法は以下の通りです：袋あたり200-500個、内箱あたり5袋、外箱あたり10内箱。

6.2 ラベル仕様

梱包上のラベルには、CPN（顧客部品番号）、P/N（製品番号）、QTY（梱包数量）、LOT No.（トレーサビリティのためのロット番号）、および日付コードの複数のフィールドが含まれています。これは在庫管理とトレーサビリティを容易にします。

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

データシートには以下の用途が記載されています：高速光検出、セキュリティシステム、カメラ。具体的には、このフォトダイオードは以下の用途に適しています：

• 赤外線リモコン受信機：940nm IR LEDと復調ICと組み合わせて使用。
• 光学式エンコーダ：プリンター、モーター、または産業機器における速度・位置検出用。
• 環境光センシング（ALS）：デバイスにおけるディスプレイバックライト制御用。ただし、正確な可視光測定のためには、そのIR感度のためにフィルタリングが必要な場合があります。
• 簡易物体検出：近接センシングまたは遮光型センサーのためにIR光源と組み合わせて使用。
• パルスオキシメトリー（医療機器において、適切な認証を取得した場合）：赤色光および赤外光の検出用。ただし、医療機器認証が必要です。

7.2 設計上の考慮点

バイアス構成：高速または線形応答を得るためには、フォトダイオードを光導電モード（逆バイアス）で使用します。トランスインピーダンスアンプ（TIA）回路が、光電流を電圧に変換するために一般的に使用されます。TIAの帰還抵抗とコンデンサは、所望の帯域幅とフォトダイオードの容量（典型的に18 pF）に基づいて選択する必要があります。

ノイズ低減：フォトダイオードのリードを短くし、ガード付きレイアウトを使用して、寄生容量と電磁干渉のピックアップを最小限に抑えます。低照度アプリケーションでは、暗電流ノイズを低減するためにデバイスの冷却を検討してください。

光学的考慮点：ウォータークリアレンズは可視光とIR光を通します。IR検出のみが必要な場合は、IR透過フィルターを追加して可視光を遮断し、周囲の可視光源からのノイズを低減できます。80度の指向角は広い視野を提供します。必要に応じて、光学絞りやレンズを使用して狭めることができます。

8. 技術比較と差別化

標準的なPNフォトダイオードと比較して、PD333-3C/H0/L2のようなPINフォトダイオードは、P層とN層の間に真性（I）領域を持ちます。この真性領域はより大きな空乏領域を作り出し、2つの主要な利点をもたらします：1) 低い接合容量：18 pFの容量は5mmデバイスとしては比較的低く、より高速な応答時間を可能にします。2) 改善された直線性：より広い空乏領域により、より広い範囲のバイアス電圧と光強度にわたって、より効率的な電荷キャリアの収集が可能になります。フォトトランジスタと比較して、フォトダイオードは一般的により高速で、より線形な出力を持ちますが、はるかに小さな電流信号を生成するため、より高度な増幅回路が必要です。

9. よくあるご質問（技術パラメータに基づく）

9.1 短絡電流（ISC）と逆光電流（IL）の違いは何ですか？

ISCはダイオード両端のバイアスがゼロ（光起電力モード）の状態で測定され、ILは規定の逆バイアス（光導電モード）下で測定されます。ILは通常ISCに非常に近い値ですが、完全に同じではありません。データシートでは、同じ試験条件下で両方とも典型的に40 μAと示されています。

9.2 暗電流はなぜ重要ですか？

暗電流は、光が全く存在しない場合でも流れる微小な電流です。これはセンサーのノイズフロアを決定します。低照度アプリケーションでは、良好な信号対雑音比を達成するために、低い暗電流（ここでは典型的に5 nA）が不可欠です。

9.3 アプリケーションに適した負荷抵抗（RL）はどのように選定しますか？

選択は、速度と出力振幅のトレードオフを伴います。小さなRL（例：50Ω）は高速応答（tr/tf対RL曲線参照）をもたらしますが、出力電圧（Vout = IL * RL）は小さくなります。大きなRLはより大きな電圧をもたらしますが、フォトダイオード容量とRLによって形成されるRC時定数のため、応答は遅くなります。デジタルパルス検出では、速度が優先されることが多いです。

9.4 赤色LEDのような可視光源と併用できますか？

はい、分光応答曲線は400 nmまで有意な感度を示しています。ただし、650 nm（赤色）での感度は940 nmのピーク時よりも低くなります。同じ光パワーのIR光源を使用した場合と比較して、より小さな信号が得られます。

10. 設計・使用事例

事例：赤外線データリンク受信機の設計設計者は、38 kHz（一般的なリモコン周波数）の940nm IR LEDから変調データを受信する必要があります。彼らは、940nmでの高感度と高速応答（45 nsの立上り時間は38 kHzには十分以上）のためにPD333-3C/H0/L2を選択します。フォトダイオードは5Vで逆バイアスされます。出力は専用のIR受信IC（TIA、38 kHzに同調したバンドパスフィルター、復調器を含む）に接続されます。設計者は、フォトダイオードをICの入力ピンに近づけて配置し、短いトレースを使用し、バイアス電源近くに小さなデカップリングコンデンサを追加してノイズを最小限に抑えます。フォトダイオードの前面には、可視光を遮断し、100/120 Hzで点滅する可能性のある蛍光灯からの干渉を低減するために、IR透過窓が配置されます。

11. 動作原理

PINフォトダイオードは、光を電流に変換する半導体デバイスです。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がデバイスに衝突すると、真性領域で電子-正孔対を生成します。内蔵電界（光起電力モード）または印加された逆バイアス（光導電モード）の影響下で、これらの電荷キャリアは引き離され、入射光パワーに比例する測定可能な光電流が生成されます。I（真性）層が鍵です：これは軽くドープされており、広い空乏領域を作り出し、高速化のために容量を低減し、光子吸収のためのより大きな体積を提供することで量子効率を向上させます。

12. 技術トレンド

フォトダイオード技術の一般的なトレンドは、より高い集積度、より低いノイズ、およびより高いアプリケーション特化性に向かっています。これには、オンチップ増幅を備えたフォトダイオード（集積フォトダイオード-アンプコンビネーション）、イメージングまたはマルチチャネルセンシングのためのアレイ、調整された分光応答または内蔵光学フィルターを備えたデバイスの開発が含まれます。また、拡張赤外線範囲検出のためのシリコンを超える材料（InGaAsなど）への継続的な研究もあります。5mm PINフォトダイオードのような標準的な民生部品については、速度や感度などの主要な性能指標を維持しながら、コスト削減、信頼性向上、およびより厳密なパラメータ分布の達成に焦点が当てられています。