PD438C 4.8mm セミレンズ シリコンPINフォトダイオード データシート - 直径4.8mm - 逆電圧32V - 消費電力150mW - 技術文書

1. 製品概要

PD438Cは、円筒形サイドビュー樹脂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。主な機能は、特に赤外線スペクトルを含む入射光を電流に変換することです。この部品の主な特徴は、エポキシパッケージ自体が統合された赤外線（IR）フィルターとして機能し、一般的なIRエミッターにスペクトル整合している点です。この設計により、外部フィルターの必要性が減り、システム統合が簡素化されます。本デバイスは、高速応答時間、高い光感度、小さな接合容量を特徴とし、迅速かつ正確な光検出を必要とするアプリケーションに適しています。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

本デバイスは、以下の絶対限界内で確実に動作するように設計されており、これを超えると永久破損が発生する可能性があります。最大逆電圧（V_R）は32Vです。消費電力（P_d）は150 mWを超えてはなりません。動作温度範囲（T_opr）は-40°Cから+85°C、保管温度（T_stg）は-40°Cから+100°Cです。実装時には、はんだ付け温度（T_sol）は260°Cを5秒以内に保ち、パッケージおよび半導体ダイへの熱ダメージを防止してください。

2.2 電気光学特性

標準試験条件（Ta=25°C）下で、PD438Cは以下の主要性能パラメータを示します。そのスペクトル応答帯域幅（λ_0.5）は400 nmから1100 nmの範囲にあり、ピーク感度波長（λ_p）は典型的に940 nmで、一般的な赤外線光源と完全に一致します。940 nm、5 mW/cm²の照度で照射した場合、典型的な開放電圧（V_OC）は0.35Vです。短絡電流（I_SC）は、940 nm、1 mW/cm²の条件下で典型的に18 µAです。5Vの逆バイアスおよび同じ照度条件下では、逆光電流（I_L）は典型的に18 µA（最小10.2 µA）です。暗電流（I_d）（光がない状態でのリーク電流）は、逆電圧10Vで典型的に5 nA（最大30 nA）です。端子間総容量（C_t）は、逆バイアス3V、1 MHzで典型的に25 pFです。立上り・立下り時間（t_r/t_f）は、10V逆バイアス、1 kΩ負荷抵抗で動作時に、いずれも典型的に50 nsです。

3. 性能曲線分析

データシートには、設計エンジニアにとって重要ないくつかの特性曲線が提供されています。スペクトル感度曲線は、動作波長範囲全体におけるフォトダイオードの相対応答度を示し、940 nmでのピークを確認できます。消費電力 vs. 周囲温度グラフは、動作温度の上昇に伴う最大許容電力のデレーティングを示し、熱管理に不可欠です。暗電流 vs. 周囲温度曲線は、リーク電流が温度とともにどのように増加するかを示し、低照度または高温アプリケーションにおける重要な要素です。逆光電流 vs. 照度（Ee）プロットは、入射光パワーと生成される光電流との線形関係を示し、デバイスの予測可能な応答を確認できます。端子容量 vs. 逆電圧曲線は、接合容量が逆バイアスの増加とともにどのように減少するかを示し、デバイスの速度に直接影響します。最後に、応答時間 vs. 負荷抵抗グラフは、立上り/立下り時間が外部負荷によってどのように影響を受けるかを示し、速度が重要な回路における適切な負荷抵抗の選択を導きます。

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

PD438Cは、公称直径4.8mmの円筒形サイドビューパッケージに収められています。詳細な機械図面には、リード間隔、パッケージ高さ、レンズ形状を含むすべての重要な寸法が規定されています。図面には、特に指定がない限り寸法公差は通常±0.25mmであると注記されています。サイドビュー構成は、光路が実装面と平行になるスロットセンサーやエッジ検出システムなどのアプリケーションに特に有用です。

4.2 極性識別

本デバイスは2端子部品です。カソードは通常、より長いリード、ノッチ、またはパッケージ本体のフラットスポットによって識別されます。光導電モードで最適な性能を得るために逆バイアスを印加する際は、正しい極性接続が不可欠です。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

本コンポーネントのピークはんだ付け温度定格は260°Cです。エポキシパッケージおよび内部ワイヤーボンドへの過度の熱ストレスを防ぐため、液相線温度（無鉛はんだでは通常約217°C）を超える時間は最大5秒に制限することが重要です。無鉛アセンブリ用の標準リフローまたはウェーブはんだ付けプロファイルが一般的に適用可能です。取り扱いおよび配置時にリードに機械的ストレスがかからないように注意してください。

6. 梱包および発注情報

標準梱包仕様は、1袋あたり500個です。6袋が1つの内箱にまとめられ、10個の内箱が1つのマスター出荷箱を構成し、マスター箱あたり合計30,000個となります。製品ラベルには、顧客部品番号（CPN）、メーカー部品番号（P/N）、梱包数量（QTY）、ロットトレーサビリティ情報（LOT No.）の各フィールドが含まれます。

7. 応用提案

7.1 代表的な応用シナリオ

PD438Cは、様々な光電子アプリケーションに適しています。その高速性から、データ通信リンクやパルス検知における高速光検出に理想的です。カメラやビデオカメラ（VCR、ビデオカメラ）などの民生電子機器では、オートフォーカスシステム、測光、テープ終端検出などによく使用されます。位置検知、物体検出、ロータリーエンコーダーシステム用の光電スイッチおよびインタラプタにおける信頼性の高いセンサーとして機能します。内蔵IRフィルターにより、940 nm IR LEDと組み合わせたシステムで特に効果的で、不要な可視光を除去します。

7.2 設計上の考慮事項

PD438Cを用いた回路を設計する際には、いくつかの要素を考慮する必要があります。速度最適化のためには、接合容量を最小限に抑えるために十分な逆バイアス（例：5V-10V）でフォトダイオードを動作させ、応答時間 vs. 負荷抵抗曲線に示すように低値の負荷抵抗を使用しますが、これは出力電圧振幅とトレードオフの関係にあります。トランスインピーダンスアンプ（TIA）構成は、小さな光電流を利用可能な電圧に変換しながら帯域幅を維持するためによく用いられます。ノイズに敏感なアプリケーションでは、暗電流の仕様とその温度依存性が重要です。デバイスの冷却や同期検波技術の使用が必要になる場合があります。照度に対する光電流の直線性は、光パワー測定設計を簡素化します。サイドビューパッケージの向きに対して、光学開口部とアライメントが正しいことを確認してください。

8. 技術比較と差別化

レンズやフィルターのない標準的なフォトダイオードと比較して、PD438Cは統合されたセミレンズおよびIRフィルタリングエポキシにより明確な利点を提供します。これにより、別個の光学フィルターが不要になり、部品点数、組立の複雑さ、コストが削減されます。サイドビューパッケージは、上面視センサーが使用できないスペース制約のある設計における統合課題を解決する特定のフォームファクターです。比較的高速（50 ns）で良好な感度（1 mW/cm²で18 µA）を兼ね備えたその性能は、多くのミッドレンジアプリケーションに対してバランスの取れた性能プロファイルを提供し、超高速・低感度デバイスと低速・高感度フォトダイオードの中間に位置付けられます。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: セミレンズの目的は何ですか？

A: セミレンズは、入射光をシリコンチップの有効領域に集光するのに役立ち、フラットウィンドウと比較して実効的な集光面積を増加させ、したがってデバイスの応答度（感度）を高めます。

Q: なぜピーク感度は940 nmなのですか？

A: シリコンの固有の吸収特性は近赤外領域でピークを持ちます。940 nmは、人間の目には見えず、容易に入手可能であるため、赤外線エミッター（LED）の非常に一般的な波長です。エポキシはこれに合わせて調整されています。

Q: このフォトダイオードは、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）のどちらで使用すべきですか？

A: 最高速度と直線性を得るためには、光導電モード（逆バイアス印加、例：5V）が推奨されます。これは接合容量を減少させ、空乏層を広げます。光起電力モード（ゼロバイアス）はノイズが低い（暗電流なし）ですが、速度は遅くなります。

Q: 温度は性能にどのように影響しますか？

A: 曲線に示されているように、暗電流は温度の上昇とともに著しく増加し、ノイズ源となる可能性があります。光電流自体にもわずかな温度係数があります。安定した動作のためには、精密アプリケーションでは温度補償または制御された環境が必要になる場合があります。

10. 実践的な設計・使用例

例1: 赤外線近接センサー：IR LEDが940 nmでパルス発光します。反射光はPD438Cによって検出されます。サイドビューパッケージにより、エミッターと検出器の両方を同じPCB上に同じ方向を向けて配置できます。PD438Cに内蔵されたIRフィルターは、周囲の可視光を除去するのに役立ち、反射IR信号の信号対雑音比を改善します。マイクロコントローラは、TIAを介してフォトダイオードの電流を測定し、物体の存在または距離を判定します。

例2: スロット型光スイッチ：PD438CはU字型ブラケットの片側に取り付けられ、反対側のIR LEDと向かい合います。スロットを通過する物体がビームを遮断します。高速応答時間（50 ns）により、非常に高速な事象の検出や高速動作のエンコーディングが可能です。

11. 動作原理の紹介

PINフォトダイオードは、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）領域を持つ半導体デバイスです。半導体のバンドギャップ（シリコンの場合、約1100 nmより短い波長）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、入射光強度に比例する測定可能な光電流が生成されます。広い真性領域により、より大きな空乏体積が可能となり、量子効率（感度）が向上し、接合容量が減少するため、標準PNフォトダイオードと比較してより高速な動作が可能になります。

12. 業界動向と発展

PD438Cのようなフォトダイオードの市場は、自動化、民生電子機器、通信のトレンドによって引き続き牽引されています。より高速化への絶え間ない要望は、光リンクにおけるより高速なデータ伝送をサポートするためです。感度の向上（低ノイズ、高応答度）により、低電力エミッターでの動作やより長距離での動作が可能になります。小型化はもう一つの主要なトレンドであり、より小さな表面実装パッケージのフォトダイオードにつながっています。さらに、統合が進んでおり、フォトダイオード、増幅器、時にはデジタルロジックさえも単一パッケージに組み込んだデバイス（例：フォトダイオードアレイ、統合光学センサー）が増えています。統合光学フィルターを備えたPD438Cは、この統合トレンドの一歩を表しており、システム設計者にとっての部品表を簡素化します。