LTR-209 フォトトランジスタ データシート - クリアパッケージ - Vce 30V - 電力 100mW - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTR-209は、赤外線検出アプリケーション向けに設計されたシリコンNPNフォトトランジスタです。高感度を実現する透明なプラスチックパッケージに収められており、特に赤外線スペクトルにおける入射光に対して高い感度を発揮します。広い動作範囲、信頼性、コスト効率に優れ、様々なセンシングおよび検出システムに適しています。

1.1 中核的利点

• 広範囲のコレクタ電流：本デバイスは幅広いコレクタ電流レベルをサポートし、回路設計と感度調整の柔軟性を提供します。
• 高感度レンズ：集積されたレンズにより、入射する赤外線放射に対するデバイスの感度が向上し、信号対雑音比が改善されます。
• 低コストプラスチックパッケージ：経済的なプラスチック封止を採用し、システム全体のコストを削減します。
• 透明クリアパッケージ：透明なハウジングにより、活性半導体領域に到達する光量を最大化し、性能を最適化します。

2. 詳細技術パラメータ分析

以下のセクションでは、LTR-209フォトトランジスタに規定された主要な電気的および光学的パラメータについて、詳細かつ客観的な解釈を提供します。

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限界を定義します。これらの条件下またはそれ以上の条件下での動作は保証されません。

• 電力損失 (P_D)：100 mW。これは周囲温度 (T_A) 25°Cにおいて、デバイスが熱として放散できる最大電力です。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-エミッタ電圧 (V_CEO)：30 V。ベースを開放状態（光電流のみ）でコレクタ端子とエミッタ端子間に印加できる最大電圧です。
• エミッタ-コレクタ電圧 (V_ECO)：5 V。エミッタとコレクタ間に印加可能な最大逆電圧です。
• 動作温度範囲：-40°C から +85°C。デバイスが正しく機能するように設計された周囲温度範囲です。
• 保存温度範囲：-55°C から +100°C。性能劣化なしに非動作状態で保存できる温度範囲です。
• リードはんだ付け温度：パッケージ本体から1.6mmの位置で、5秒間260°C。これは手はんだまたはフローはんだプロセスにおける許容可能な熱プロファイルを定義します。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータは、T_A=25°Cの特定の試験条件下で測定され、デバイスの典型的な性能を定義します。

• コレクタ-エミッタ降伏電圧 (V_(BR)CEO)：30 V (最小)。放射照度ゼロ (E_C= 0 mW/cm²)、I_e= 1mAで測定。これは絶対最大定格を確認します。
• エミッタ-コレクタ降伏電圧 (V_(BR)ECO)：5 V (最小)。放射照度ゼロ、I_E= 100µAで測定。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧 (V_CE(SAT))：0.4 V (最大)。デバイスが完全に"オン"（導通）状態にあるときの両端電圧降下で、I_C= 100µA、E_e= 1 mW/cm²で測定。低いV_CE(SAT)は、電力損失を低減するために望ましい特性です。
• 立上り時間 (T_r) & 立下り時間 (T_f)：それぞれ10 µs (標準)、15 µs (標準)。これらのパラメータはフォトトランジスタのスイッチング速度を定義します。V_CC=5V、I_C=1mA、R_L=1kΩの条件下で測定。この非対称性はフォトトランジスタでは一般的です。
• コレクタ暗電流 (I_CEO)：100 nA (最大)。これはデバイスが完全な暗闇 (E_e= 0 mW/cm²) にあり、V_CE= 10Vのときにコレクタからエミッタに流れるリーク電流です。高感度アプリケーションでは、ノイズを最小限に抑えるために低い暗電流が重要です。

3. ビニングシステムの説明

LTR-209は、主要パラメータであるオン状態コレクタ電流 (I_C(ON))に対してビニングシステムを採用しています。ビニングは、測定された性能に基づいて部品を特定のグループまたは"ビン"に分類する品質管理プロセスです。これにより、設計者はアプリケーションに適した保証された性能範囲を持つデバイスを選択できます。

3.1 オン状態コレクタ電流ビニング

I_C(ON)は、標準化された条件：V_CE= 5V、E_e= 1 mW/cm²、赤外線光源波長 (λ) 940nmで測定されます。デバイスは測定された電流に基づいて以下のビンに分類されます：

• BIN C：0.8 mA (最小) から 2.4 mA (最大)
• BIN D：1.6 mA (最小) から 4.8 mA (最大)
• BIN E：3.2 mA (最小) から 9.6 mA (最大)
• BIN F：6.4 mA (最小) - このデータシート抜粋では上限は指定されていません。

設計への影響：BIN Cデバイス（低電流）向けに設計された回路は、再調整なしにBIN Fデバイス（高電流）を使用すると正しく機能しない可能性があり、その逆も同様です。一貫したシステム性能のためには、ビンコードを指定することが極めて重要です。

4. 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特性曲線が提供されています。これらは、単一点の仕様を超えた実世界での動作を理解するために不可欠です。

4.1 コレクタ暗電流 vs. 周囲温度 (図 1)

このグラフは、I_CEO（暗電流）が周囲温度 (T_A) の上昇とともに指数関数的に増加することを示しています。例えば、100°Cでは、暗電流は25°Cのときよりも数桁高くなる可能性があります。これは、電荷キャリアの熱生成が増加するという半導体の基本的な振る舞いによるものです。設計上の考慮点：高温アプリケーションでは、増加した暗電流が重要なノイズ源となり、微弱な光信号をマスクする可能性があります。熱管理や信号調整が必要になる場合があります。

4.2 コレクタ電力損失 vs. 周囲温度 (図 2)

このデレーティング曲線は、最大許容電力損失 (P_C) がT_Aの関数としてどのように変化するかを示しています。100 mWという絶対最大定格は、25°C以下でのみ有効です。T_Aが上昇すると、デバイスの放熱能力は低下するため、最大許容電力は直線的に低減しなければなりません。85°C（最大動作温度）では、許容電力損失は大幅に低くなります。設計上の考慮点：回路は、実際に消費される電力 (V_CE* I_C) が、予想される最高動作温度におけるデレーティング後の値を超えないように設計する必要があります。

4.3 立上り/立下り時間 vs. 負荷抵抗 (図 3)

この曲線は、スイッチング速度と信号振幅のトレードオフを示しています。立上り時間 (T_r) と立下り時間 (T_f) はともに、負荷抵抗 (R_L) が大きくなるにつれて増加します。大きなR_Lは大きな出力電圧振幅 (ΔV = I_C* R_L) を提供しますが、トランジスタの接合容量が大きな抵抗器を通して充放電するのに時間がかかるため、回路の応答時間を遅くします。設計上の考慮点：R_Lの値は、アプリケーションが高速応答 (低いR_L) と高い出力電圧ゲイン (高いR_L) のどちらを優先するかに基づいて選択する必要があります。

4.4 相対コレクタ電流 vs. 放射照度 (図 4)

このグラフは、正規化されたコレクタ電流と入射光パワー密度（放射照度、E_e）の関係をプロットしています。プロットされた範囲（0 ～ 約5 mW/cm²）では線形関係を示しています。この直線性は、アナログセンシングアプリケーションで使用されるフォトトランジスタの重要な特徴であり、出力電流が入力光強度に直接比例します。この曲線はV_CE= 5Vの場合を示しています。

4.5 感度特性図 (図 5)

正確な軸は省略されていますが、"感度特性図"は通常、検出器の分光応答を示します。LTR-209のようなシリコンフォトトランジスタは、近赤外領域（ピークは約800-950 nm付近）の光に対して最も感度が高くなっています。これにより、一般的な赤外線エミッタ（ビニング試験条件で参照されているλ=940nmのLEDなど）との組み合わせや、可視光干渉の除去に理想的です。

5. 機械的・パッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

本デバイスは標準的なスルーホールプラスチックパッケージを使用しています。データシートからの主要な寸法に関する注記は以下の通りです：

• すべての寸法はミリメートル単位です（括弧内はインチ）。
• 特に指定がない限り、標準公差は±0.25mm (±.010") が適用されます。
• フランジ下の樹脂の最大突出量は1.5mm (.059") です。
• リード間隔は、リードがパッケージ本体から出る点で測定され、これはPCBフットプリント設計において重要です。

極性識別：通常、長いリードがコレクタ、短いリードがエミッタです。パッケージリムの平らな面がエミッタ側を示す場合もあります。常にパッケージ図で確認してください。

6. はんだ付け・組立ガイドライン

提供される主なガイダンスは、手はんだまたはフローはんだ用です：リードは、パッケージ本体から1.6mm (.063") の距離で測定して、最大5秒間260°Cの温度にさらすことができます。これにより、内部半導体ダイおよびプラスチックパッケージへの熱損傷を防ぎます。

リフローはんだ付けの場合：このデータシートでは明示されていませんが、同様のプラスチックパッケージでは通常、JEDEC規格（例：J-STD-020）に準拠したプロファイルが必要で、ピーク温度は通常260°Cを超えないことが一般的です。具体的な湿気感受性レベル（MSL）およびベーキング要件はここでは提供されておらず、メーカーに確認する必要があります。

保存条件：デバイスは、乾燥した非腐食性の環境で、指定された温度範囲-55°Cから+100°C以内で保存する必要があります。長期保存の場合は、静電気防止対策を推奨します。

7. アプリケーション提案

7.1 典型的なアプリケーションシナリオ

• 物体検出・近接センシング：IR LEDと組み合わせて、物体の存在、不在、または近接を検出します（例：自動販売機、プリンター、産業オートメーション）。
• スロットセンサー・エンコーダ：IRビームの遮断を検出して物体をカウントしたり、回転速度を測定したりします。
• リモコン受信機：専用のフォトダイオードよりも低速ですが、シンプルで低コストのIR受信回路に使用できます。
• 光電管・セキュリティシステム：侵入検出のための不可視ビームを作成します。

7.2 設計上の考慮点と回路構成

最も一般的な回路構成は、エミッタ接地モードです。フォトトランジスタは、コレクタを負荷抵抗 (R_CC) を介して正電源 (V_L) に接続し、エミッタをグランドに接続します。入射光は光電流 (I_C) を流し、コレクタノードに出力電圧 (V_OUT) を生成します：V_OUT= V_CC- (I_C* R_L)。暗いときは、V_OUTは高レベル (~V_CC) です。光が当たると、V_OUT drops.

主要な設計ステップ：

1. 必要な出力振幅 (V_L:/I_CCC(ON)_{) と希望する速度（図3参照）に基づいてR}を選択します。1kΩから10kΩの間の値が一般的です。
2. 帯域幅の考慮：R_Lの値は、デバイスの接合容量と組み合わさってローパスフィルタを形成します。パルス動作の場合、回路のRC時定数がパルス幅よりも十分に短いことを確認してください。
3. 環境光の管理：光学フィルタ（センサー上の暗色またはIR透過フィルタ）を使用して、不要な可視光を遮断し、ノイズを低減します。
4. 温度補償：高精度のアナログセンシングでは、暗電流の温度依存性（図1）を考慮します。差動構成で整合した暗参照センサーを使用する、またはソフトウェア補償を実装するなどの技術があります。

8. 技術比較と差別化

他の光検出器との比較：

• フォトダイオードとの比較：フォトトランジスタは固有の電流利得 (β または h_FE) を提供し、同じ光量に対してはるかに高い出力電流が得られます。これにより、後段の増幅が少なくて済むため、回路設計が簡素化されます。ただし、フォトトランジスタは一般にフォトダイオードよりも低速（立上り/立下り時間が長い）で、直線範囲がより限定されています。
• フォトダーリントンとの比較：フォトダーリントンは標準的なフォトトランジスタよりもさらに高い利得を提供しますが、応答時間が大幅に遅く、飽和電圧 (V_CE(SAT)) が高くなります。LTR-209は、利得、速度、電圧降下の良いバランスを提供します。
• LTR-209の差別化特徴：そのクリアパッケージと集積レンズが主要な差別化要因です。多くの競合するフォトトランジスタは光を減衰させる黒色エポキシパッケージを使用しています。LTR-209のクリアパッケージは感度を最大化し、レンズは入射光を活性領域に集光するのを助け、指向性と信号強度を向上させます。

9. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

9.1 "BIN"コードの意味とその重要性は？

BINコード (C, D, E, F) は、測定されたオン状態コレクタ電流 (I_C(ON)) に基づいてデバイスを分類します。特定の性能範囲を保証するため、これは極めて重要です。誤ったビンのデバイスを使用すると、回路が感度不足または過敏になり、誤動作を引き起こす可能性があります。発注時には常に必要なビンを指定してください。

9.2 このセンサーを可視光源と一緒に使用できますか？

シリコン材料は可視光にも応答しますが、そのピーク感度は近赤外にあります（図5を想定）。最適な性能と周囲の可視光からの干渉を避けるためには、赤外線エミッタ（通常850nm、880nm、または940nm）と組み合わせ、検出器にIR透過フィルタを使用することを強く推奨します。

9.3 出力をデジタル信号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、出力（コレクタノード）をシュミットトリガインバータまたはヒステリシス付きコンパレータの入力に接続することです。これにより、アナログ電圧振幅がクリーンなデジタル信号に変換され、ノイズの影響を受けにくくなります。コンパレータの閾値は、"明"と"暗"の出力電圧レベルの間に設定する必要があります。

9.4 明るく高温の環境で出力が不安定になるのはなぜですか？

これは、高い暗電流（図1に従って温度とともに増加）と環境光への応答の複合効果による可能性が高いです。解決策には以下が含まれます：1) 視野角を制限する物理的なシールドまたはチューブを追加する、2) 変調されたIR光源と同期検出を使用する、3) 温度安定性のあるバイアスまたは補償回路を実装する。

10. 実践的設計ケーススタディ

シナリオ：プリンター用紙検出センサーの設計。

実装：IR LEDとLTR-209を用紙経路の反対側に配置し、ビームが形成されるように調整します。紙があると、ビームを遮断します。フォトトランジスタは、R_L= 4.7kΩ、V_CC= 5Vでエミッタ接地モードで構成されます。

部品選択と計算：BIN D (I_C(ON)= 1.6-4.8mA) のデバイスを選択します。紙がない（ビームが遮断されていない）状態では、I_C= 3mA（標準）と仮定します。V_OUT= 5V - (3mA * 4.7kΩ) = 5V - 14.1V = -9.1V。これは不可能であり、トランジスタが飽和していることを意味します。飽和状態では、V_OUT≈ V_CE(SAT)≈ 0.4V（LOW信号）です。紙がビームを遮断すると、I_C≈ I_CEO（非常に小さい、～nA）となるため、V_OUT≈ 5V（HIGH信号）です。マイクロコントローラのGPIOピンは、このHIGH/LOW信号を直接読み取って紙の有無を検出できます。ノイズを除去するために、センサーの電源ピン間にデカップリングコンデンサ（例：100nF）を配置することを推奨します。

11. 動作原理

フォトトランジスタは、ベース領域が光にさらされているバイポーラ接合トランジスタ（BJT）です。十分なエネルギーの入射光子は、ベース-コレクタ接合部で電子-正孔対を生成します。これらの光生成キャリアは内部電界によって掃き出され、実質的にベース電流として作用します。この"光学的ベース電流"は、トランジスタの電流利得 (h_FE) によって増幅され、はるかに大きなコレクタ電流となります。このコレクタ電流の大きさは入射光の強度に比例し、センシング機能を提供します。LTR-209のクリアパッケージとレンズは、敏感な半導体接合部に到達する光子の数を最大化します。

12. 技術トレンド

LTR-209のようなフォトトランジスタは、成熟したコスト効率の高い技術を代表しています。光エレクトロニクスの現在のトレンドには以下が含まれます：

• 集積化：光検出器、増幅器、デジタルロジック（例：内蔵ロジック出力付きフォトインタラプタ）を単一チップ上に組み合わせた集積ソリューションへの移行が進んでおり、外部部品点数を削減し、ノイズ耐性を向上させています。
• 表面実装デバイス (SMD)：スルーホールパッケージはプロトタイピングや特定のアプリケーションで依然として人気がありますが、自動組立やスペース制約のある設計に向けて、より小型のSMDパッケージ（例：SMT-3）への業界の強いシフトがあります。
• 性能向上：自動車、産業、民生電子機器におけるより要求の厳しいアプリケーション向けに、より高速な応答時間、より低い暗電流、改善された温度安定性を備えたデバイスの開発が進んでいます。
• アプリケーション特化型最適化：センサーは、特定の波長（例：特定のIR波長での心拍数モニタリング）向けに調整されたり、内蔵の日光フィルタを備えたりするようになっています。

フォトトランジスタの基本的な動作原理は有効であり、LTR-209のようなデバイスは、そのシンプルさ、堅牢性、低コストにより、基本的なものから中程度までの幅広いセンシングニーズに対して、引き続き信頼性の高い選択肢であり続けています。