PD438C/S46 4.8mm セミレンズ型シリコンPINフォトダイオード データシート - 直径4.8mm - 逆電圧32V - ピーク感度940nm - 技術文書

1. 製品概要

PD438C/S46は、赤外光に対する高速応答と高感度を必要と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・プラスチックパッケージに封止されています。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エミッターのスペクトルに適合していることです。これにより、不要な可視光を除去し、IR検出システムでの性能を向上させます。

このフォトダイオードは、高速応答時間、高感度、および小さな接合容量を特徴とし、高速光検出に適しています。鉛フリー材料で構成されており、関連する環境規制に準拠しています。

2. 技術パラメータ詳細

2.1 絶対最大定格

本デバイスは、指定された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 (V_R):32 V - フォトダイオード端子間に逆バイアスで印加できる最大電圧。
• 電力損失 (P_d):150 mW - 指定条件下でデバイスが主に熱として放散できる最大電力。
• 動作温度 (T_opr):-40°C から +85°C - デバイスが公表された仕様を満たすことが保証される周囲温度範囲。
• 保存温度 (T_stg):-40°C から +100°C - デバイスが通電されていない状態で安全に保存できる温度範囲。
• はんだ付け温度 (T_sol):260°C、持続時間は5秒を超えないこと。これは鉛フリーリフローはんだ付けプロセスに典型的です。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは周囲温度 (T_a) 25°Cで測定され、フォトダイオードの中核性能を定義します。

• 分光帯域幅 (λ_0.5):840 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。主に近赤外領域で感度があります。
• 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IR LEDの一般的な発光波長と一致します。
• 開放電圧 (V_OC):0.35 V (代表値)、940nmで照度 (E_e) 5 mW/cm²で照射時。これは外部負荷がない状態でフォトダイオードが生成する電圧です。
• 短絡電流 (I_SC):18 µA (代表値)、E_e= 1 mW/cm²、λ_p=940nm時。これは出力が短絡されたときの光電流です。
• 逆光電流 (I_L):18 µA (代表値、最小10.2 µA)、E_e= 1 mW/cm²、λ_p=940nm、逆バイアス電圧 (V_R) 5V時。これは光導電モードでの主要な動作パラメータです。
• 暗電流 (I_d):5 nA (代表値、最大30 nA)、V_R= 10V、完全暗黒時。これは光が存在しない場合でも流れるわずかなリーク電流で、信号対雑音比の重要なパラメータです。
• 逆降伏電圧 (BV_R):最小32V、代表値170V、逆電流100 µAで測定。これは接合が降伏する電圧を示します。
• 総容量 (C_t):18 pF (代表値)、V_R= 3V、試験周波数1 MHz時。低容量は高速応答時間を可能にします。
• 立上り/立下り時間 (t_r/t_f):50 ns / 50 ns (代表値)、V_R= 10V、負荷抵抗 (R_L) 1 kΩ時。これは光パルスに対するフォトダイオードの応答速度を規定します。

主要パラメータの許容差は以下の通り指定されています：光度 ±10%、主波長 ±1nm、順方向電圧 ±0.1V。

3. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下での性能を示すいくつかの特性曲線が提供されています。これらは設計エンジニアにとって不可欠です。

3.1 分光感度

波長に対する相対感度をプロットした曲線です。約940nmでのピーク感度を確認し、840-1100nm範囲の境界に向かってスペクトル応答が低下する様子を示します。統合されたエポキシレンズはフィルターとして機能し、目標IR帯域外の応答を減衰させます。

3.2 暗電流 vs. 周囲温度

この曲線は通常、暗電流 (I_d) が温度上昇とともに指数関数的に増加することを示します。この関係を理解することは、広い温度範囲で動作するアプリケーションにとって重要であり、検出可能な光の下限（ノイズフロア）を定義します。

3.3 逆光電流 vs. 照度 (E_e)

このグラフは、生成された光電流 (I_L) と入射光パワー密度との線形関係を示しています。フォトダイオードは指定条件下で高度に線形な領域で動作し、これはアナログ光測定アプリケーションにとって重要です。

3.4 端子容量 vs. 逆電圧

接合容量 (C_t) は逆バイアス電圧の増加とともに減少します。これはPN接合の基本的な特性です。設計者は、わずかに増加する暗電流とのトレードオフで、より高いバイアス電圧を使用して容量を減らし、帯域幅と応答速度を向上させることができます。

3.5 応答時間 vs. 負荷抵抗

この曲線は、立上り/立下り時間が外部負荷抵抗 (R_L) の値にどのように影響されるかを示しています。より小さいR_Lは一般に応答を速くしますが、より小さな出力電圧振幅を生み出します。このグラフは、回路設計における速度と振幅のトレードオフを最適化するのに役立ちます。

3.6 電力損失 vs. 周囲温度

周囲温度の上昇に伴う最大許容電力損失のデレーティングを示します。25°Cを超える温度では、デバイスは150mW全体を放散できず、最大接合温度では最大電力が線形的にゼロまで減少しなければなりません。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

PD438C/S46は、公称直径4.8mmの円筒形サイドビュー・プラスチックパッケージに封止されています。寸法図は、本体直径、長さ、リード間隔、およびリード直径を指定しています。重要な注意点として、図面に別段の指定がない限り、すべての寸法公差は±0.25mmです。サイドビュー構成は、光路がPCB表面と平行であるアプリケーションに理想的です。

4.2 極性識別

極性は通常、パッケージ上または図面で示されています。フォトダイオードの場合、逆バイアス（光導電モード）で動作するとき、カソードは通常正の供給電圧に接続され、アノードは回路のグランドまたはトランスインピーダンスアンプの入力に接続されます。正しい極性は適切な動作に不可欠です。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

本デバイスは、標準的な表面実装プロセスに適しています。

• リフローはんだ付け:推奨される最大はんだ付け温度は260°Cです。デバイスリードがこのピーク温度以上にさらされる時間は5秒を超えてはなりません。これは典型的な鉛フリーリフロープロファイル（例：IPC/JEDEC J-STD-020）と一致します。
• 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してください。リードごとの接触時間は、敏感な半導体ダイへの過度の熱伝達を防ぐために最小限に抑える必要があります。
• 洗浄:標準的なPCB洗浄プロセスを使用できますが、洗浄剤とプラスチックパッケージ材料の適合性を確認する必要があります。
• 保存条件:デバイスは、リードの酸化とパッケージの湿気吸収を防ぐために、-40°Cから+100°Cの温度で低湿度の状態で、元の防湿バッグに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

標準的な梱包フローは以下の通りです：500個が1つの袋に梱包されます。次に、5つの袋が1つの内箱に入れられます。最後に、10個の内箱が1つのマスター（外）箱に梱包されます。これにより、マスター箱あたり合計25,000個となります。

6.2 ラベル仕様

梱包上のラベルには、トレーサビリティと識別のための重要な情報が含まれています：

• CPN:顧客製品番号（割り当てられている場合）。
• P/N:メーカー製品番号（例：PD438C/S46）。
• QTY:梱包内のデバイス数量。
• CAT, HUE, REF:それぞれ光度ランク、主波長ランク、順方向電圧ランクのコードで、性能ビニングを示します。
• LOT No:トレーサビリティのための製造ロット番号。
• REF:ラベルを識別するための参照番号。

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シナリオ

• 高速光検出器:光データリンク、エンコーダー、パルス検出に理想的で、50nsの応答時間が主な利点です。
• カメラアプリケーション:オートフォーカスシステム、露出計、またはIR存在検出器として使用できます。
• 光電スイッチ:物体検出、スロットセンサー、リミットスイッチに使用されます。統合IRフィルターは、周囲光干渉の除去に役立ちます。
• VCRおよびビデオカメラ:歴史的に、テープカウンターセンサー、リモコン受信機、またはその他の内部光センシング機能に使用されてきました。

7.2 設計上の考慮事項

• バイアス電圧:高速および線形動作には、光導電モード（逆バイアス付き）での動作が推奨されます。5Vから10Vのバイアスが典型的で、速度（低容量）とノイズ（低暗電流）のバランスを取ります。
• 回路トポロジー:最良の速度と直線性を得るには、トランスインピーダンスアンプ（TIA）を使用して光電流を電圧に変換します。TIAの帰還抵抗とコンデンサは、所望の帯域幅とフォトダイオードの容量に基づいて選択する必要があります。
• 光学的アライメント:サイドビューパッケージは、光源（これもしばしばサイドビューIR LED）との適切なアライメントを確保するために、慎重な機械設計が必要です。
• 周囲光除去:エポキシはIRフィルターとして機能しますが、強いIR源（例：太陽光）がある環境では、追加の光学フィルタリングや変調/復調技術が必要になる場合があります。

8. 技術比較と差別化

PD438C/S46は、そのクラスでいくつかの明確な利点を提供します：

• 統合IRフィルター:別個のフィルターを必要とする多くの基本的なフォトダイオードとは異なり、パッケージエポキシは光をフィルタリングするように配合されており、組立を簡素化し、部品点数を削減します。
• サイドビューパッケージ:4.8mmの円筒形サイドビューパッケージは、光路がPCBと平行に走るアプリケーションに最適化された特定の形状であり、コンパクトで指向性のある視野を提供します。
• バランスの取れた性能:速度（50ns）、感度（1 mW/cm²で18 µA）、暗電流（5 nA）の間で良好なバランスを提供し、汎用IR検出のための汎用的な選択肢となります。
• 堅牢な定格:逆電圧定格32V、広い動作温度範囲（-40°Cから+85°C）により、産業および自動車環境（免責事項に従った非安全クリティカルなアプリケーション向け）に適しています。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 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）での動作の違いは何ですか？

A: 光起電力モード（V_R=0V）では、フォトダイオードは自身の電圧を生成します（V_OC参照）。暗電流は非常に低いですが、容量が高く、応答が遅くなります。光導電モード（V_Rを印加）では、空乏層が広がり、容量が低下し、応答が速くなります（t_r/t_f参照）。その代償として、小さな一定の暗電流（I_d）が流れます。高速検出には、光導電モードが推奨されます。

Q: "逆光電流 (I_L)"パラメータはどのように解釈すればよいですか？

A: これは回路設計において最も有用なパラメータです。特定の光条件（940nmで1 mW/cm²）で5Vの逆バイアスをかけた場合、通常18 µAの光電流が得られることを示しています。増幅回路はこの電流範囲を扱えるように設計する必要があります。最小値10.2 µAは、最悪ケース設計において重要です。

Q: なぜ暗電流が重要なのですか？

A: 暗電流は、光がない場合のフォトダイオードにおける主要なノイズ源です。これは検出可能な光の下限を設定します。より低い暗電流（本デバイスでは代表値5 nA）は、センサーがより微弱な光信号を検出できることを意味します。暗電流は温度が約10°C上昇するごとにほぼ倍増することに注意してください。

Q: 940nm以外の光源で使用できますか？

A: はい、ただし感度は低下します。分光感度曲線を参照してください。フォトダイオードは約840nmから1100nmの光に応答しますが、同じ光パワーでも波長が940nmピークに近くない場合、出力電流は低くなります。

10. 実践的設計と使用事例

事例：自動水栓用IR近接センサーの設計

1. システムブロック:IR LED（940nm発光）とPD438C/S46フォトダイオードが、半透明ウィンドウの後ろに並べて配置されます。LEDはパルス駆動されます。物体がない場合、ほとんどのIR光は散乱します。手が蛇口の近くに置かれると、反射したIR光がフォトダイオードに入射します。
2. 部品選択の理由:PD438C/S46は、その940nmピーク感度がLEDと一致するため選択されます。パッケージ内の統合IRフィルターは、天井灯からの周囲可視光を除去し、誤動作を減らすのに役立ちます。サイドビューパッケージにより、エミッターとディテクターの両方をPCB上に平らに実装し、外側を向けることができます。
3. フォトダイオードは5Vで逆バイアスされます。その出力はトランスインピーダンスアンプに接続されます。アンプのゲイン（帰還抵抗）は、予想される反射信号（18 µA/mW/cm²の一部）が使用可能な電圧を生成するように設定されます。アンプの後のコンパレータは、この電圧が設定されたしきい値を超えたときに検出します。最適化:
4. LEDパルスの周波数と持続時間は、周囲光のちらつき周波数（例：商用電源照明からの100Hz）の外側になるように選択されます。システムはLEDパルスと同期した信号のみを探すため、優れたノイズ耐性を提供します。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1100nm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-正孔対を生成することができます。内蔵電界（光起電力モード）または印加された逆バイアス電界（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光電流を生成します。PIN構造の広い真性領域は、標準的なPNフォトダイオードと比較して、接合容量を減少させ（高速応答を可能にし）、光子吸収の体積を増加させます（感度を向上させます）。

12. 技術トレンドと背景

PD438C/S46のようなシリコンPINフォトダイオードは、近赤外検出のための成熟した、信頼性が高く、費用対効果の高いソリューションです。この分野の現在のトレンドには以下が含まれます：

統合:

• フォトダイオード、増幅器、時にはLEDドライバーやデジタルロジックさえも単一のパッケージまたはチップ（例：オプトASIC）に組み合わせた統合ソリューションへの移行。小型化:
• モバイルデバイスなどのスペースに制約のあるアプリケーション向けに、より小さな表面実装パッケージ（例：チップスケールパッケージ）でのフォトダイオードの開発。特殊材料:
• シリコンのカットオフ（約1100nm）を超える波長には、InGaAsなどの材料が使用されます。しかし、シリコンはその低コストと優れた製造性により、可視および近赤外スペクトルで支配的な地位を維持しています。性能向上:
• 進行中の研究は、高度なドーピングプロファイルやデバイス構造を通じて、容量と暗電流をさらに低減し、速度と感度を向上させることに焦点を当てています。PD438C/S46は、この広範な技術的景観の中で、幅広い産業および民生用IRセンシングタスクに対して、性能、サイズ、コストの実用的なバランスを提供する、よく最適化されたアプリケーション特化型コンポーネントを表しています。

The PD438C/S46 represents a well-optimized, application-specific component within this broader technological landscape, offering a practical balance of performance, size, and cost for a wide range of industrial and consumer IR sensing tasks.