PD438B 4.8mm 半レンズ シリコンPINフォトダイオード データシート - 直径4.8mm - ブラックレンズ - 日本語技術文書

1. 製品概要

PD438Bは、赤外光に対する高速応答と高感度を要求するアプリケーション向けに設計された高性能シリコンPINフォトダイオードです。直径4.8mmのコンパクトな円筒形サイドビュー樹脂パッケージに収められています。このデバイスの主な特徴は、エポキシパッケージ自体が統合型赤外線（IR）フィルターとして機能するように配合されている点です。この内蔵フィルターは一般的なIRエミッターの波長に合わせて調整されており、目標のIR波長を選択的に透過させ、不要な可視光を減衰させることで、信号対雑音比を向上させます。

PD438Bの中核的な利点は、高速応答時間、高い光感度、および小さな接合容量であり、高速検出回路に適しています。このデバイスは鉛フリー（Pbフリー）材料で構成されており、RoHSやEU REACHなどの関連する環境規制に準拠しており、現代の電子機器製造に適しています。

このフォトダイオードの主なターゲット市場およびアプリケーションは、民生電子機器および産業用センシングです。カメラ、VCR、ビデオカメラなどのシステムにおける高速フォト検出器として使用するのに理想的です。その特性は、IR信号の精密検出が重要な様々な光電スイッチやセンシングモジュールにおいても信頼性の高い部品として適しています。

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、指定された環境および電気的限界内で確実に動作するように設計されています。これらの絶対最大定格を超えると、永久損傷を引き起こす可能性があります。

• 逆電圧 (VR):32 V。これは、フォトダイオード端子間に逆バイアスとして印加できる最大電圧です。
• 電力損失 (Pd):150 mW。この定格は、主にバイアス下での逆方向リーク電流から、デバイスが扱える総電力を考慮したものです。
• 動作温度 (Topr):-40°C から +85°C。通常動作時のフォトダイオードの保証性能範囲です。
• 保存温度 (Tstg):-40°C から +100°C。電源が入っていない状態でのデバイスの安全な温度範囲です。
• はんだ付け温度 (Tsol):最大5秒間、260°C。これは、パッケージ損傷を防ぐためのリフローはんだ付けプロファイルの制約を定義します。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、標準温度25°Cで測定され、PD438Bの中核的な光検出性能を定義します。

• 分光帯域幅 (λ0.5):400 nm から 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を定義します。可視青色光から近赤外線までの感度を確認します。
• ピーク感度波長 (λp):940 nm (標準値)。フォトダイオードはこの波長の赤外光に最も敏感であり、これは多くのIR LEDやリモコンシステムで標準的な波長です。
• 開放電圧 (VOC):940nm、5 mW/cm²の照度 (Ee) 下で 0.35 V (標準値)。これは、指定された光条件下で、光起電力モード（外部バイアスなし）でフォトダイオードによって生成される電圧です。
• 短絡電流 (ISC):940nm、1 mW/cm²下で 18 µA (標準値)。これは、ダイオード端子が短絡されたときに生成される光電流であり、与えられた光レベルに対する最大電流出力を表します。
• 逆光電流 (IL):940nm、1 mW/cm²、VR=5V下で 18 µA (標準値)。これは、ダイオードが逆バイアスされているときに測定される光電流であり、高速および線形応答のための標準動作モードです。
• 暗電流 (Id):完全暗黒下、VR=10Vで 5 nA (標準値)、30 nA (最大値)。これは、光が全く存在しない場合でも流れる小さなリーク電流です。低い暗電流は、微弱な光信号を検出するために重要です。
• 逆降伏電圧 (BVR):170 V (標準値)、32 V (最小値)。逆電流が急激に増加する電圧です。動作逆電圧は常にこの値を十分に下回るように保つ必要があります。
• 総容量 (Ct):VR=3V、1 MHzで 25 pF (標準値)。この接合容量はデバイスの速度に直接影響します。容量が低いほど、応答時間が速くなります。
• 立上り/立下り時間 (tr/tf):VR=10V、負荷抵抗 (RL) 1 kΩで 50 ns / 50 ns (標準値)。これらのパラメータは、光パルスに応答してフォトダイオードの出力電流がどれだけ速く変化できるかを指定し、その高速性能を定義します。

主要パラメータの許容差は、光束強度 (±10%)、主波長 (±1nm)、順方向電圧 (±0.1V) として指定されており、製造ロット間の一貫性を確保しています。

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応じ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。これらは回路設計者にとって不可欠です。

3.1 分光感度

分光応答曲線は、フォトダイオードの異なる波長に対する相対的な感度を示します。統合されたIRフィルタリングエポキシにより、940 nm付近で鋭くピークを示し、可視スペクトル（400-700 nm）での感度は大幅に低下します。この曲線は、検出器がエミッターの波長と一致していることを確認するために重要です。

3.2 暗電流 vs. 周囲温度

この曲線は通常、周囲温度が上昇するにつれて暗電流 (Id) が指数関数的に増加することを示します。設計者は、高温アプリケーションや非常に低照度の信号を検出する場合に、この増加したノイズフロアを考慮する必要があります。

3.3 逆光電流 vs. 照度 (Ee)

このグラフは、ダイオードが逆バイアスされている場合の入射光パワー（照度）と生成される光電流 (IL) の間の線形関係を示しています。この直線性はPINフォトダイオードの重要な特徴であり、光測定アプリケーションに適しています。

3.4 端子容量 vs. 逆電圧

接合容量 (Ct) は、逆バイアス電圧 (VR) が増加するにつれて減少します。この曲線により、設計者は速度（高電圧での低容量）と消費電力/発熱のトレードオフを最適化する動作バイアス電圧を選択できます。

3.5 応答時間 vs. 負荷抵抗

立上り/立下り時間 (tr/tf) は、フォトダイオードの接合容量と外部負荷抵抗 (RL) によって形成されるRC時定数の影響を受けます。この曲線は、応答時間が大きな負荷抵抗とともにどのように増加するかを示し、トランスインピーダンス増幅器回路で所望の速度を得るためのRLの選択を導きます。

3.6 電力損失 vs. 周囲温度

このデレーティング曲線は、周囲温度の関数としての最大許容電力損失を示しています。温度が上昇すると、デバイスが安全に扱える最大電力は直線的に減少します。これは、システム設計における熱管理にとって重要です。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

PD438B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。データシートの詳細な機械図面には、本体直径、長さ、リード間隔、リード直径を含むすべての重要な寸法が提供されています。特に指定がない限り、すべてのパッケージ寸法には標準公差 ±0.25mm が適用されます。サイドビュー構成は、光路がPCB表面と平行になるアプリケーション向けに設計されています。

4.2 極性識別

フォトダイオードは極性を持つ部品です。カソードは通常、より長いリード、パッケージ上のフラットスポット、または特定のマーキングによって識別されます。データシートのパッケージ図は、アノードとカソードの接続を明確に示しており、組立時に正しいバイアス（通常動作のための逆バイアス）を確保するために遵守する必要があります。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

信頼性を維持し、組立プロセス中の損傷を防ぐために、特定のはんだ付け条件を遵守する必要があります。

• リフローはんだ付け:本コンポーネントは、リフローはんだ付け技術を使用した表面実装に適しています。ピークはんだ付け温度は260°Cを超えてはならず、この温度を超える時間は、エポキシパッケージおよび半導体ダイへの熱損傷を防ぐために5秒以下に制限する必要があります。
• 手はんだ付け:手はんだ付けが必要な場合は、温度制御されたはんだごてを使用する必要があります。リードとの接触時間は最小限に抑え、接合部とパッケージ本体の間のリードのヒートシンクを推奨します。
• 保管条件:デバイスは、リードの酸化を防ぐために、保存温度範囲 -40°C から +100°C 内で制御され、低湿度の環境で、元の防湿バッグに入れて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

PD438Bの標準梱包フローは以下の通りです：500個が1つの静電気防止バッグに梱包されます。これらのバッグ6つが1つの内箱に入れられます。最後に、内箱10個が1つのマスター出荷（外）箱に梱包され、マスター箱あたり合計30,000個となります。

6.2 ラベル仕様

梱包のラベルには、いくつかの主要な識別子が含まれています：

• CPN:顧客の製品番号（割り当てられている場合）。
• P/N:メーカーの製品番号 (PD438B)。
• QTY:梱包内のデバイスの数量。
• CAT, HUE, REF:ビンニングされた製品について、それぞれ光束強度ランク、主波長ランク、順方向電圧ランクを表すコード。
• LOT No:トレーサブルな製造ロット番号。

このラベル付けにより、サプライチェーン全体でのトレーサビリティと正しい材料取り扱いが確保されます。

7. アプリケーションノートおよび設計上の考慮事項

7.1 代表的なアプリケーション回路

PD438Bは、主に2つの回路構成のいずれかで使用されます：

1. 光起電力モード（ゼロバイアス）:フォトダイオードは、高インピーダンス負荷（オペアンプ入力など）に直接接続されます。このモードは、暗電流とノイズが最小限ですが、応答が遅く、直線性が低くなります。低速で高精度な光測定に適しています。
2. 光導電モード（逆バイアス）:フォトダイオードは、カソードを正電圧に、アノードを仮想グランド（例：トランスインピーダンス増幅器の反転入力）に接続します。これは、PD438Bの高速性能を活用するために推奨されるモードです。逆バイアスは接合容量を減少させ（速度向上）、直線性を改善します。トランスインピーダンス増幅器の帰還抵抗の値がゲインを設定します（Vout = Iphoto * Rfeedback）。

7.2 設計上の考慮事項

• バイアス電圧の選択:速度（低容量）と消費電力の間の適切な妥協点を提供する逆バイアス電圧（例：5Vから10V）を選択します。最大逆電圧32Vを超えないでください。
• 増幅器の選択:高速アプリケーションでは、PD438Bをトランスインピーダンス増幅器として構成された低ノイズ、高帯域幅のオペアンプと組み合わせます。増幅器の入力バイアス電流と電圧ノイズは低く、フォトダイオードの信号を劣化させないようにする必要があります。
• PCBレイアウト:フォトダイオードとそれに関連する増幅器を近接させて配置し、敏感な高インピーダンスノードでの寄生容量とノイズのピックアップを最小限に抑えます。フォトダイオードのアノード接続の周りに、低インピーダンス点（増幅器の出力やグランドプレーンなど）に接続したガードリングを使用して、リーク電流を低減します。
• 光学的アライメント:IRエミッターとフォトダイオードの間の適切な機械的アライメントを確保します。サイドビューパッケージはこのために設計されています。周囲光やクロストークを遮断するために、チューブやバリアの使用を検討してください。

8. 技術比較および差別化

PD438Bは、いくつかの主要な特徴によって市場で差別化されています：

• 統合IRフィルター:エポキシパッケージ自体がフィルターとして機能し、別個のフィルター部品が不要になり、部品点数、コストを削減し、組立を簡素化します。
• サイドビューパッケージ:円筒形サイドビューのフォームファクタは、光路がPCBと平行に走るアプリケーション（スロットセンサー、エッジセンシングシステム、特定のタイプのエンコーダーなど）に理想的です。
• バランスの取れた性能:速度（50 ns）、感度（1 mW/cm²で18 µA）、低暗電流のバランスの取れた組み合わせを提供し、幅広い中高速IR検出タスクに汎用的に選択できます。
• 環境適合性:鉛フリー構造とRoHSおよびREACHへの準拠により、厳しい環境規制を持つグローバル市場に適しています。

より大きなフォトダイオードと比較して、占有面積が小さくなっています。フィルターなしのフォトダイオードと比較して、周囲の可視光ノイズの除去性能が優れています。

9. よくあるご質問 (FAQ)

Q1: ブラックエポキシレンズの目的は何ですか？

A1: ブラックエポキシは見た目だけでなく、効果的な赤外線フィルターとして配合されています。目標のIR波長（ピーク940 nm）を透過させながら、可視光の大部分を吸収し、室内照明などの周囲光源からの干渉を大幅に低減します。

Q2: PD438Bは、逆バイアス電圧を印加して動作させるべきですか、それとも印加せずに動作させるべきですか？

A2: 高速動作（50 nsの立上り時間で示される）のためには、PD438Bを通常5Vから10Vの逆バイアスを印加した光導電モードで動作させることを強く推奨します。これにより、接合容量が減少し、直線性と速度が向上します。

Q3: 光電流を実用的な電圧信号に変換するにはどうすればよいですか？

A3: 最も一般的で効果的な方法は、トランスインピーダンス増幅器（TIA）回路を使用することです。フォトダイオードはオペアンプの反転入力と出力の間に接続され、帰還抵抗がゲインを決定します（Vout = -Iphoto * Rf）。回路を安定させ、帯域幅を制限するために、抵抗と並列に小さな帰還コンデンサが追加されることがよくあります。

Q4: "暗電流"パラメータの重要性は何ですか？

A4: 暗電流は、フォトダイオードが完全な暗黒下で逆バイアスされているときに流れる小さな電流です。これはノイズ源として機能します。低い暗電流（PD438Bでは標準5 nA）は、信号が自身のノイズによってマスクされることなく、より微弱な光信号を検出できることを意味します。

Q5: このフォトダイオードは可視光検出に使用できますか？

A5: その分光範囲は400 nm（紫）から始まりますが、可視スペクトルでの感度はIRフィルタリングエポキシレンズによって大幅に減衰されています。そのピーク感度は940 nmの赤外線に確固としてあります。主な可視光検出には、IRフィルタリングパッケージのないフォトダイオードの方がより適切です。

10. 動作原理

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-正孔対が生成されます。外部の逆バイアス電界の影響下で、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光電流を生成します。広い真性領域により、いくつかの利点が生まれます：光子吸収のためのより大きな空乏層を作り（感度向上）、接合容量を減少させ（速度向上）、より高い逆電圧での動作を可能にします。PD438Bは、可視光から近赤外スペクトルまでの光を検出するのに適したバンドギャップを持つシリコンを利用しています。

11. 免責事項および使用上の注意

この技術文書に含まれる情報は、予告なく変更されることがあります。提供されるグラフおよび標準値は設計ガイダンスのためのものであり、保証された仕様を表すものではありません。この部品を実装する際、設計者はデバイスの故障を防ぐために絶対最大定格を厳守する必要があります。メーカーは、指定された動作条件外での本製品の使用に起因するいかなる損害についても責任を負いません。事前の協議および特定の認定なしに、本製品は安全クリティカル、生命維持、軍事、自動車、または航空宇宙アプリケーションでの使用を意図していません。