PD95-21B/TR10 フォトダイオード データシート - 1.9mm 丸型SMDパッケージ - ブラックレンズ - ピーク感度波長 940nm - 技術文書

1. 製品概要

PD95-21B/TR10は、高性能な光検出アプリケーション向けに設計された超小型表面実装デバイス（SMD）です。これは、光エネルギーを電流に変換する基本的な半導体部品であるシリコン製PINフォトダイオードです。デバイスは、自動組立プロセスに適した特徴的なZベンドリード構造を持つ、コンパクトな直径1.9mmの丸型パッケージに収められています。パッケージ上部には視野角を定義し、ある程度の環境保護を提供するブラックプラスチックレンズが備わっています。その主な機能は赤外線放射の検出であり、その分光特性は一般的な赤外線発光ダイオード（IRED）に一致するように特別に調整されており、光電子システムにおける理想的な受光部品となっています。

2. 主な特長と用途

2.1 コアとなる利点

このフォトダイオードは、現代の電子設計にとって重要ないくつかの性能上の利点を提供します：

• 高速応答時間：真性（I）領域を持つPIN構造により、キャリアの高速収集が可能となり、光強度の変化に素早く応答できます。これはデータ通信、パルス検出、高速センシングに不可欠です。
• 高感度：低レベルの入射光（照度）から測定可能な電流を効率的に生成し、検出回路の信号対雑音比を向上させます。
• 小容量接合容量：低容量は、検出回路のRC時定数を最小限に抑えるため、高帯域幅と高速応答を維持するために重要です。
• 堅牢な製造互換性：このデバイスは、標準的な赤外線および気相リフローはんだ付けプロセスに耐えるように設計されており、信頼性の高いPCB実装を容易にします。
• 環境適合性：この部品は鉛フリー（Pbフリー）であり、EUのREACH規制に準拠し、ハロゲンフリー要件（Br <900 ppm、Cl <900 ppm、Br+Cl <1500 ppm）を満たしており、世界的な環境および安全基準に沿っています。

2.2 対象用途

このフォトダイオードは、信頼性の高い赤外線検出を必要とするシステム向けに設計されています。典型的な用途分野は以下の通りです：

• 赤外線応用システム：リモコン、近接センサー、物体検出、遮光式光学スイッチなど、幅広い用途が含まれます。
• コピー機およびプリンター：紙検出、トナー量検出、反射光または透過光の精密検出が必要な走査機構などに使用されます。
• 車載センサー：車両内の非安全性クリティカルなセンシングプロジェクト、例えば雨量センサー、薄暮センサー、車内乗員検出など、温度範囲にわたる信頼性が重要な用途に適しています。

3. 技術パラメータ分析

3.1 絶対最大定格

これらの限界は、永久的な損傷が発生する可能性のあるストレス条件を定義します。動作は常にこの範囲内で行う必要があります。

• 逆電圧（V_R）：32 V。降伏を引き起こさずにダイオードに逆バイアスで印加できる最大電圧です。
• 動作温度（T_opr）：-25°C ～ +85°C。デバイスが正しく機能することが規定されている周囲温度範囲です。
• 保存温度（T_stg）：-40°C ～ +85°C。非動作時の保存温度範囲です。
• はんだ付け温度（T_sol）：最大5秒間で260°C。これはリフローはんだ付け中のピーク温度耐性を定義します。
• 電力損失（P_d）：25°C時で150 mW。デバイスが熱として安全に放散できる最大電力です。

3.2 電気光学特性（Ta=25°C）

これらのパラメータは、典型的な動作条件下でのデバイスの性能を定義します。

• 分光帯域幅（λ_0.5）：730 nm ～ 1100 nm。これは、フォトダイオードの感度がピーク値の少なくとも半分である波長範囲です。デバイスが近赤外スペクトル全体に感度を持つことを確認します。
• ピーク感度波長（λ_P）：940 nm（代表値）。フォトダイオードが最も感度を持つ光の波長です。これは多くの標準的なGaAlAs赤外線LEDの発光ピークと完全に一致します。
• 短絡電流（I_SC）：E_e=1 mW/cm²、λ=875 nm時で4 µA（代表値）。フォトダイオード端子が短絡されている（バイアス電圧ゼロ）ときに生成される電流です。光電流生成効率の直接的な尺度です。
• 逆光電流（I_L）：E_e=1 mW/cm²、λ=875 nm、V_R=5V時で4 µA（代表値）。照明時に逆バイアス下で流れる電流です。逆バイアス（光導電モード）で動作させることは、ゼロバイアス（光起電力モード）よりも一般的に高速応答とより線形な出力を提供します。
• 逆暗電流（I_D）：V_R=10V時で10 nA（最大値）。完全な暗闇で逆バイアス条件下で流れるわずかなリーク電流です。低い暗電流は、弱い光信号を検出するために重要であり、デバイスのノイズフロアを表します。
• 逆降伏電圧（V_BR）：32 V（最小値）、170 V（代表値）。逆電流が急激に増加する電圧です。デバイスはこの点付近で動作させてはなりません。

4. 性能曲線分析

データシートには、単一点の仕様よりも深い洞察を提供する代表的な性能曲線が参照されています。

4.1 分光感度（図1）

この曲線は、入射光の波長の関数としてのフォトダイオードの感度をグラフで表しています。約940 nmでピークを持ち、ピーク感度の半分の指定された730 nmおよび1100 nmの点に向かって減少するベル型の曲線を示します。この曲線は、特定の光源にフォトダイオードを適合させ、最大信号強度を確保するために不可欠です。

4.2 逆光電流対照度（図2）

このプロットは、生成された光電流（I_L）と入射光パワー密度（E_e）の関係を示しています。線形領域で動作する設計の良いPINフォトダイオードの場合、この関係は高度に線形であるはずです。この線の傾きは、フォトダイオードの感度（通常はA/W）を表します。この直線性は、アナログ光測定アプリケーションにとって重要です。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

デバイスは直径1.9mmの丸型パッケージです。詳細な機械図面がデータシートに提供されており、本体直径、高さ、リード間隔、リード寸法を含むすべての重要な寸法が規定されています。特に断りのない限り、すべての寸法はミリメートル単位で、標準公差は±0.1mmです。Zベンドリードスタイルは、表面実装のための安定したフットプリントを提供し、機械的ストレスを緩和するように設計されています。

5.2 極性識別

フォトダイオードは極性を持つ部品です。データシートの図面には、カソード端子とアノード端子が明確に示されています。逆バイアス構成で正しく動作させるためには、回路基板の組立時に正しい極性を守る必要があります。

5.3 キャリアテープおよびリール仕様

自動組立のために、部品はキャリアテープおよびリールで供給されます。データシートには、キャリアテープポケットの寸法、リール直径、および向きが含まれています。標準梱包数量はリールあたり1000個です。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

6.1 保管および湿気感受性

このフォトダイオードは湿気に敏感です。リフローはんだ付け中のポップコーン現象や層間剥離を防ぐために、以下の注意が必要です：

• 未開封の袋は、温度≤30°C、湿度≤90%RHで保管してください。
• 部品は1年以内に使用してください。
• 開封後は、温度≤30°C、湿度≤70%RHで保管してください。
• 防湿バリア袋を開封後、168時間（7日）以内に使用してください。
• 保管時間を超過した場合、または乾燥剤が湿気の侵入を示している場合は、使用前に60±5°Cで24時間ベーキングしてください。

6.2 リフローはんだ付けプロファイル

鉛フリーリフローはんだ付け温度プロファイルが推奨されます。プロファイルは、ピークボディ温度が260°Cを5秒以上超えないように制御する必要があります。プラスチックパッケージおよび半導体ダイへの熱ダメージを避けるため、リフローはんだ付けは2回以上行わないでください。

6.3 手はんだ付けおよびリワーク

手はんだ付けが必要な場合は、細心の注意が必要です：

• 温度350°C以下、定格電力25W以下のはんだごてを使用してください。
• リードごとの接触時間を3秒以内に制限してください。
• 各リードをはんだ付けする間には、少なくとも2秒の冷却間隔を設けてください。
• 加熱中の部品への機械的ストレスを避けてください。
• リワークは強く推奨されません。やむを得ない場合は、専用のデュアルヘッドはんだごてを使用して両方のリードを同時に加熱し、熱ストレスを防ぐ必要があります。リワーク試行後は、デバイスの機能を必ず確認してください。

6.4 回路基板設計上の考慮事項

はんだ付け後、回路基板は反ったり曲がったりしないようにしてください。これは、脆い半導体ダイやはんだ接合部にストレスを伝達し、故障を引き起こす可能性があります。

7. アプリケーション設計上の考慮事項

7.1 過電流保護

重要な設計上の注意点：フォトダイオード自体には内部の電流制限機能がありません。逆バイアスで動作させている場合、デバイスが光にさらされると、電圧がわずかに上昇するだけで電流が大きく、破壊的なレベルまで増加する可能性があります。したがって、バイアス回路には外部直列抵抗を必ず使用して、明るい照明条件下での最大電流を制限し、焼損を防止する必要があります。

7.2 バイアスおよびインターフェース回路

フォトダイオードは、主に2つのモードで使用できます：

1. 光導電モード（逆バイアス）：逆バイアス電圧（例：試験条件の5V）を印加すると、空乏層が広がり、接合容量が減少して応答時間が速くなります。これは高速および線形アプリケーションに好ましいモードです。出力は電流源であり、通常はトランスインピーダンスアンプ（TIA）を使用して電圧に変換されます。
2. 光起電力モード（ゼロバイアス）：フォトダイオードは、照明されると太陽電池のように動作して自身の電圧を生成します。このモードは非常に低い暗電流を提供しますが、応答が遅く、直線性も低くなります。シンプルさが鍵となる低周波光測定に適しています。

7.3 光学設計

ブラックレンズは、定義された視野角を提供します。最適な性能を得るためには、システム設計において、赤外線光源（例：LED）とフォトダイオードとの位置合わせ、およびその分光範囲内に入る環境光干渉（例：太陽光、白熱電球）の潜在的な発生源を考慮する必要があります。高環境光環境では、光学フィルターが必要になる場合があります。

8. 技術比較および選定

PD95-21B/TR10は、ブラックレンズを備えたシリコンフォトダイオードのカテゴリーに属します。フォトダイオードを選定する際、エンジニアはアプリケーション要件に対して主要なパラメータを比較する必要があります：応答速度（容量およびバイアスに関連）、感度（I_L）、光源との分光マッチング、パッケージサイズ、および環境耐性。このデバイスは、小型サイズ、良好な感度、高速応答、SMD互換性を組み合わせており、信頼性とコストがバランスされた、スペースに制約のある大量消費財および産業用赤外線センシングアプリケーションの有力な候補となります。

9. 動作原理

PINフォトダイオードは、P型、真性（不純物ドープなし）、N型シリコンの3層構造を持つ半導体デバイスです。シリコン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真性領域に衝突すると、電子-正孔対を生成します。逆バイアスされたPINダイオードでは、広い真性領域内の電界がこれらのキャリアをそれぞれの端子に掃き寄せ、入射光強度に比例する光電流を生成します。広い真性領域はその性能の鍵であり、光子吸収のための大きな空乏領域を作り出し（感度向上）、接合容量を減少させます（速度向上）。

10. 免責事項および使用上の注意

データシートに記載されている情報は、発行時点でのメーカーの仕様を表しています。代表的な性能曲線は参考用であり、保証された最小値または最大値を表すものではありません。デバイスを絶対最大定格内で動作させ、特定の最終アプリケーションで性能を検証する責任は設計者にあります。この製品は、部品メーカーからの明示的な認定および承認なしでは、安全性がクリティカルな用途、生命維持装置、軍事、または自動車のプライマリシステムへの使用を一般的に意図していません。