LTR-S320-DB-L フォトトランジスタ データシート - EIAパッケージ - 940nmピーク感度 - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTR-S320-DB-Lは、赤外線センシングアプリケーション向けに設計された高性能シリコンNPNフォトトランジスタです。この部品は近赤外スペクトルの光を検出するために最適化されており、特に940nmでピーク感度を持つため、リモコンシステム、物体検出、産業オートメーションなど幅広い用途に適しています。その主な機能は、入射する赤外線を対応する電気電流に変換することです。

本デバイスは、黒色の可視光カット樹脂レンズを備えた標準EIA準拠パッケージに収められています。このレンズは可視環境光を効果的に遮断し、ノイズや誤動作を大幅に低減することで、背景光がある環境での信号対雑音比を向上させます。パッケージは、テープ＆リール供給や赤外線リフローはんだ付けを含む大量生産・自動実装プロセスとの互換性を考慮して設計されており、現代の製造要件に適合しています。

RoHS準拠かつ鉛フリー（Pbフリー）の"グリーン製品"として、現代の環境基準を満たしています。その分光応答、パッケージ設計、製造互換性の組み合わせにより、コスト重視かつ高性能が求められる赤外線検出回路における信頼性の高い汎用ソリューションとして位置付けられています。

2. 技術パラメータ：詳細かつ客観的な解釈

全ての電気的・光学的特性は、周囲温度（T_A）25°Cを基準として規定されており、性能評価の標準化された基準を提供します。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のあるストレスの限界を定義します。これらの限界値以下または限界値での動作は保証されておらず、回路設計では避けるべきです。

• 消費電力（P_D）：150 mW。これはデバイスが熱として放散できる最大許容電力です。この限界を超えると、熱暴走や故障のリスクがあります。
• コレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO）：30 V。ベースが開放状態（フォトトランジスタが暗状態）の時にコレクタとエミッタ端子間に印加できる最大電圧です。
• 動作温度範囲：-40°C ～ +85°C。デバイスが正常に機能するように設計された周囲温度の範囲です。
• 保管温度範囲：-55°C ～ +100°C。性能劣化なく非動作状態で保管できる温度範囲です。
• 赤外線はんだ付け条件：ピーク温度260°C、最大10秒間。これは鉛フリーリフローはんだ付けプロセスの熱プロファイル限界を定義します。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータは、特定の試験条件下でのデバイスの性能を定義します。

• 逆方向降伏電圧（V_(BR)R）：最小33V、I_R=100µA時、代表値170V。この高い値は、大きな逆バイアスに耐えられる堅牢な接合部を示しており、誘導性負荷や電圧スパイクがある回路で有益です。
• 逆方向暗電流（I_D）：V_R=10V時、最大10 nA。これは光が入射していない時のリーク電流です。低暗電流は、特に低照度検出シナリオにおいて、高感度かつ低ノイズ動作を実現するために重要です。
• 開放電圧（V_OC）：940nm光、照度（E_e）0.5 mW/cm²照射時、代表値390 mV。このパラメータは、デバイスが光起電力モード（外部バイアスなし）で使用される場合に関連します。
• 短絡電流（I_SC）：V_OC（V_R=5V, λ=940nm, E_e=0.5 mW/cm²）と同じ試験条件下で、代表値1.8 µA。これは出力が短絡された時に生成される光電流を表します。
• 立ち上がり時間（T_r）および立ち下がり時間（T_f）：各々最大30 ns（V_R=10V, R_L=1kΩ）。これらのスイッチング速度仕様は、データ通信リンクなど、高速パルス検出や高周波変調を必要とするアプリケーションで重要です。
• 総容量（C_T）：V_R=5V, f=1MHz時、最大1 pF。低い接合容量は、回路のRC時定数を制限するため、高速応答時間を維持するために不可欠です。
• 分光帯域幅（λ_0.5）：750 nm ～ 1100 nm。これは、デバイスの応答度がピーク値の少なくとも半分である波長範囲を定義します。多くのIRエミッタ（850nmや940nm LEDなど）が使用する一般的な赤外線領域をカバーしています。
• ピーク感度波長（λ_P）：940 nm。本デバイスは、940nmで発光する赤外線LEDと分光的に整合しており、そのような組み合わせにおいて最大効率と信号強度を確保します。

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視覚的に理解するための代表的な特性曲線が参照されています。具体的なグラフは本文には再現されていませんが、その典型的な意味合いを以下に分析します。

3.1 IV（電流-電圧）特性

異なる入射照度（E_C）レベルに対して、コレクタ電流（I_CE）をコレクタ-エミッタ間電圧（V_e）に対してプロットした一連の曲線です。これらの曲線は通常、一定の照度では、I_CがV_CEとともに増加し、飽和領域に達することを示します。より高い照度レベルは曲線を上方にシフトさせ、より大きな光電流を示します。活性領域の傾きは、デバイスの出力コンダクタンスに関連します。

3.2 相対感度 vs. 波長

この曲線は分光応答をグラフで表しており、940nmでピークを持ち、750nmおよび1100nm（λ_0.5ポイント）に向かって減少します。検出器と組み合わせる適切なIRエミッタを選択し、異なるスペクトルを持つ環境光源の影響を評価するために不可欠です。

3.3 温度依存性

曲線は、暗電流（I_D）や光電流などの主要パラメータが周囲温度とともにどのように変化するかを示す可能性が高いです。暗電流は通常、温度とともに指数関数的に増加し（約10°Cごとに倍増）、高温アプリケーションではノイズの重要な原因となります。光電流もわずかな負の温度係数を持つ場合があります。

4. 機械的・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EIAパッケージ外形に準拠しています。特に断りのない限り、全ての寸法はミリメートル単位で、標準公差は±0.10 mmです。パッケージは、シリコンチップの上に成形された黒色の可視光カット樹脂レンズを特徴とします。

4.2 極性識別とピン配置

フォトトランジスタは2ピンのデバイスです。ピン配置はこのようなパッケージでは標準的です：コレクタは通常、ケースまたは長いリード（該当する場合）に接続され、エミッタがもう一方のピンです。データシートの図が明確な識別を提供します。正しい極性は回路の正常動作に不可欠です。

4.3 推奨はんだパッドレイアウト

リフロー時に信頼性の高いはんだ接合を形成するために、PCB設計用の推奨ランドパターン（フットプリント）が提供されています。これらの寸法に従うことで、トゥームストーニング、位置ずれ、はんだフィレット不足を防ぐのに役立ちます。

5. はんだ付け・実装ガイドライン

5.1 リフローはんだ付けプロファイル

鉛フリー（Pbフリー）はんだプロセスに適した赤外線リフロープロファイルの詳細な提案が提供されています。主要パラメータは以下の通りです：

• プリヒート：150°C ～ 200°C。
• プリヒート時間：最大120秒。
• ピーク温度：最大260°C。
• 液相線以上時間（ピーク時）：最大10秒。
• 最大リフローサイクル数： Two.

このプロファイルは、パッケージの完全性を確保するためにJEDEC標準に基づいています。エンジニアは、特定のPCB設計、部品、はんだペーストに合わせてプロファイルを特性評価する必要があります。

5.2 手はんだ付け

手はんだ付けが必要な場合、はんだごて先端温度は300°Cを超えてはならず、リードごとはんだ付け時間は最大3秒に制限する必要があります。熱ストレスを避けるため、手はんだサイクルは1回のみ推奨されます。

5.3 洗浄

指定された洗浄剤のみを使用してください。イソプロピルアルコール（IPA）またはエチルアルコールが推奨されます。デバイスは常温で1分未満浸漬してください。指定外の化学液体はパッケージ樹脂を損傷する可能性があります。

5.4 保管条件

密封パッケージ（防湿バッグ）：温度≤30°C、相対湿度≤90%で保管。部品はバッグ封入日から1年以内の使用が規定されています。

開封済みパッケージ：温度≤30°C、相対湿度≤60%で保管。部品は1週間（168時間）以内にリフローする必要があります。元のバッグ外で長期間保管する場合は、乾燥剤を入れた密閉容器または窒素デシケーターで保管する必要があります。1週間以上保管された部品は、吸収した湿気を除去し、リフロー中の"ポップコーン現象"を防ぐために、はんだ付け前に約60°Cで少なくとも20時間ベーキングする必要があります。

6. 梱包・発注情報

6.1 テープ＆リール仕様

本デバイスは、直径7インチ（178mm）のリールに巻かれた8mmキャリアテープで供給され、標準的な自動実装装置と互換性があります。

• リールあたりの個数： 3000.
• カバーテープ：空の部品ポケットはトップカバーテープで密封されています。
• 欠品：リール仕様上、連続する最大2個の欠品（"欠灯"）が許容されます。
• 標準：梱包はANSI/EIA 481-1-A-1994仕様に従います。

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

• 赤外線リモコン受信機：テレビ、オーディオシステム、セットトップボックス用（940nm IR LEDと組み合わせて）。
• 物体・近接検出：プリンター、コピー機、自動販売機、産業オートメーションにおける用紙、物体、位置のセンシング。
• 煙感知器：光学チャンバー方式の設計において。
• エンコーダ：モーター制御における速度または位置センシング。
• 基本的光絶縁：低速、コスト重視の絶縁回路において。

7.2 回路設計上の考慮点

駆動方法：フォトトランジスタは電流出力デバイスです。特に複数のデバイスを並列に使用する場合の一貫した性能のために、各フォトトランジスタに直列に電流制限抵抗を使用することを強く推奨します（データシートの回路モデルA）。

回路モデルA（推奨）：各フォトトランジスタが電源電圧に接続された独自の直列抵抗を持ちます。これにより、各デバイスが定義された電流点で動作し、それらの電流-電圧（I-V）特性のわずかなばらつきを補償し、1つのデバイスによる電流の独占を防ぎます。

回路モデルB（並列使用非推奨）：複数のフォトトランジスタが単一の共有抵抗に直接並列接続されています。個々の部品のI-V曲線の自然なばらつきにより、1つのデバイスが他のデバイスよりも多くの電流を引き込む可能性があり、検出アプリケーションで不均一な明るさや感度につながります。

バイアス：本デバイスは通常、コレクタにプルアップ抵抗を持つエミッタ接地構成で使用されます。この負荷抵抗（R_L）の値は、出力電圧スイングと応答速度（デバイス容量と形成されるRC時定数経由）の両方に影響します。R_Lを小さくすると応答は速くなりますが、出力電圧変化は小さくなります。

ノイズ耐性：黒色の可視光カットレンズは、可視光の優れた除去を提供します。ただし、高ノイズ環境（例：蛍光灯や太陽光下）では、変調干渉を除去するために、追加の電気的フィルタリング（例：負荷抵抗と並列のコンデンサ、またはハードウェア/ソフトウェアのデバウンスアルゴリズム）が必要になる場合があります。

8. 技術比較と差別化

単純なフォトダイオードと比較して、フォトトランジスタは内部電流増幅（トランジスタのベータ、β）を提供し、同じ入射光レベルでより高い出力電流が得られます。これにより、後段の増幅段を必要とせずに、ロジック回路やマイクロコントローラに直接インターフェースすることが容易になり、設計が簡素化され部品点数が削減されます。

ただし、この利得は、より遅い応答時間（フォトトランジスタでは通常数十～数百ナノ秒、フォトダイオードではナノ秒）および潜在的に高い容量という代償を伴います。非常に高速なアプリケーション（例：>1 MHz変調）では、外部トランスインピーダンスアンプを備えたフォトダイオードの方が適している場合があります。

LTR-S320-DB-Lのフォトトランジスタカテゴリ内での主な差別化要因は、製造容易性のための標準化されたEIAパッケージ、特定の940nm分光整合、統合された可視光フィルタレンズ、および鉛フリーリフロープロセスへの適合性です。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

9.1 "可視光カット"レンズの目的は何ですか？

黒色樹脂レンズは、可視光に対しては不透明ですが、940nm付近の赤外線波長に対しては透明になるようにドープされています。これにより、室内光、太陽光、その他の可視光源によって生成される光電流が劇的に減少し、誤動作を最小限に抑え、IR信号検出の信頼性を向上させます。

9.2 850nmの赤外線LEDと併用できますか？

はい、ただし効率は低下します。デバイスの分光応答曲線は850nm（750-1100nm帯域幅内）でも有意な感度を示しますが、ピーク（940nm）ではありません。出力信号は、整合した940nmエミッタを使用した場合と比較して弱くなります。最適な性能と最大距離を得るためには、940nm光源との組み合わせを推奨します。

9.3 適切な直列抵抗値はどのように計算しますか？

抵抗値は、希望する動作電流と電源電圧（V_CC）に依存します。特定の照度下では、フォトトランジスタは電流源のように動作します。オームの法則を使用します：R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C。V_CE(sat)は飽和電圧（中程度の電流では通常数百mV）です。I_Cは希望するコレクタ電流で、I_SCパラメータと予想される光レベルから推定できます。代表的なI_SC（0.5 mW/cm²で1.8 µA）から始め、アプリケーションの照度に基づいてスケーリングします。IV曲線の希望する領域に動作点を設定するようにRを選択します。

9.4 バッグ外で保管した部品にベーキングが必要なのはなぜですか？

プラスチックパッケージは大気中の湿気を吸収する可能性があります。高温のリフローはんだ付けプロセス中に、この閉じ込められた湿気が急速に気化し、高い内部圧力を発生させます。これにより、パッケージとダイの間の剥離（"ポップコーン現象"）や内部クラックが発生し、即時または潜在的な故障につながる可能性があります。ベーキングはこの吸収された湿気を除去し、部品をリフローに安全な状態にします。

10. 動作原理

フォトトランジスタは基本的に、ベース電流が電気的接続ではなく光によって生成されるバイポーラ接合トランジスタ（BJT）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入射光子は、ベース-コレクタ接合領域で電子-正孔対を生成します。これらのキャリアは内部電界によって掃き出され、ベース電流（I_B）として作用する光電流を生成します。この光生成ベース電流は、トランジスタの電流増幅率（h_FEまたはβ）によって増幅され、はるかに大きなコレクタ電流（I_C= β * I_B）が得られます。出力はコレクタ端子から取り出され、エミッタは接地されます。物理的なベースリードがないのが一般的な特徴ですが、バイアス制御や速度最適化のためにベース接続を含むフォトトランジスタもあります。

11. 開発動向

光検出の分野は進化を続けています。LTR-S320-DB-Lのようなデバイスに関連する動向には以下が含まれます：

• 小型化：より小型のパッケージフットプリント（例：チップスケールパッケージ）でのフォトトランジスタの開発により、高密度電子機器を実現。
• 高度な集積化：光検出器と増幅、フィルタリング、デジタルロジックを単一チップ上に組み合わせ、デジタル出力（I2C, SPI）を持つ"スマートセンサー"を創出し、外部部品点数を削減しシステム設計を簡素化。
• 速度の向上：キャリアの移動時間と容量を低減する構造と材料の研究により、データ通信アプリケーション向けにフォトトランジスタの帯域幅を高める。
• 波長特異性：より狭く、より精密に調整された分光応答を持つ検出器の開発により、複数のIR源がある環境での選択性を向上させ、新しいセンシングモダリティを可能にする。
• 信頼性と試験への注力：光エレクトロニクスが自動車、医療、産業安全アプリケーションに浸透するにつれ、厳格な認定基準、拡張温度範囲動作、故障モード分析への重点が高まっています。

ディスクリートフォトトランジスタは、そのシンプルさとコスト効率の良さから多くのアプリケーションで不可欠であり続けていますが、これらの動向は、将来に向けてより洗練されたアプリケーション特化型ソリューションを指し示しています。