1.8mm丸型超小型シリコンPINフォトダイオード PD42-21C/TR8 データシート - 外形寸法 1.8mm丸型 - ピーク感度波長 940nm - 技術文書

1. 製品概要

PD42-21C/TR8は、赤外線検出用途向けに設計された高速・高感度シリコンPINフォトダイオードです。黒色プラスチック成形の超小型1.8mm丸型、球面トップビューレンズを備えた表面実装デバイス(SMD)パッケージに収められています。このコンパクトな設計により、信頼性の高い赤外線センシングを必要とするスペース制約の厳しいアプリケーションに適しています。

本デバイスは、一般的な赤外線発光ダイオードとスペクトルが整合しており、IR光源と組み合わせて使用するシステムでの性能を最適化しています。高速応答性、高感度、小容量の接合容量といった主要な利点を備えており、高速信号検出に不可欠な特性です。

1.1 主要特長と適合規格

• 高速応答性：高速な光信号変化の検出を可能にします。
• 高感度：低照度でも強い電気信号出力を提供します。
• 小容量接合容量：RC時定数を低減することで高速動作に寄与します。
• 梱包形態：自動組立用に、7インチ径リールに巻かれた12mm幅テープに装着された状態で供給されます。
• 環境規格適合：本製品は鉛フリーであり、RoHSおよびEU REACH規則に適合し、ハロゲンフリー(Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm)です。

1.2 主な用途

このフォトダイオードは、精密な赤外線検出を必要とする様々な電子システムでの使用を想定して設計されています。

• 高速光検出器
• 複写機
• ゲーム機およびインタラクティブデバイス
• 一般的な赤外線応用システム（例：近接センサー、データ伝送）

2. 技術仕様詳細

2.1 絶対最大定格

これらの限界を超えて動作させると、永久破損を引き起こす可能性があります。

• 逆電圧 (V_R)：32 V
• 動作温度 (T_opr)：-25°C ～ +85°C
• 保管温度 (T_stg)：-40°C ～ +85°C
• はんだ付け温度 (T_sol)：260°C、5秒以下
• 電力損失 (P_d)：周囲温度25°C以下で150 mW

2.2 電気光学特性 (T_a=25°C)

これらのパラメータは、標準条件下でのフォトダイオードの性能を定義します。

• 分光感度帯域幅 (λ_0.5)：730 nm ～ 1100 nm。本デバイスは近赤外スペクトル全体に感度を持ちます。
• ピーク感度波長 (λ_P)：940 nm。最大感度はこの赤外線波長で得られます。
• 開放電圧 (V_OC)：940nm、5 mW/cm²照射時、標準値 0.42 V。
• 短絡電流 (I_SC)：875nm、1 mW/cm²照射時、2.0 ～ 12 μA (標準値 5.0 μA)。
• 逆光電流 (I_L)：875nm、1 mW/cm²照射、V_R=5V時、2.0 ～ 12 μA (標準値 5.0 μA)。これは光導電モードでの主要動作パラメータです。
• 暗電流 (I_D)：V_R=10V時、最大 10 nA。これは光がない状態でのリーク電流です。
• 降伏電圧 (V_BR)：I_R=100μA時、最小 32 V、標準値 170 V。
• 総容量 (C_t)：V_R=5V、f=1MHz時、標準値 5 pF。低容量は高帯域幅の鍵となります。
• 立上り/立下り時間 (t_r, t_f)：V_R=10V、R_L=1kΩ時、標準値 各6 ns。これは光パルスに対する電気的応答の速さを規定します。

3. 特性曲線分析

データシートには、設計エンジニアにとって不可欠な代表的な特性曲線が含まれています。具体的なグラフデータはテキスト形式では提供されていませんが、これらの曲線は通常、主要パラメータ間の関係を示し、非標準条件下でのデバイス動作を予測するのに役立ちます。

3.1 特性曲線から読み取れる情報

標準的なフォトダイオードの特性に基づき、通常以下の関係がプロットされます：

• 分光感度特性：波長に対する相対感度を示す曲線で、940 nmでピークを持ち、730 nmおよび1100 nmで半減します。
• 電流 vs. 照度 (I_Lvs. E_e)：広範囲にわたって線形であることが予想され、アナログ光測定へのフォトダイオードの適合性を確認します。
• 容量 vs. 逆電圧 (C_tvs. V_R)：容量は通常、逆バイアス電圧の増加とともに減少し、周波数応答に影響を与えます。
• 暗電流 vs. 温度 (I_Dvs. T)：暗電流は温度が10°C上昇するごとに約2倍になり、高温動作において重要です。

4. 機械的仕様とパッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

フォトダイオードは、本体直径1.8mmの超小型丸型パッケージです。データシートの詳細な機械図面には、レンズ高さ、リード間隔、全体のフットプリントを含むすべての重要な寸法が規定されています。特に記載がない限り、公差は通常±0.1mmです。PCB設計の参考として推奨パッドレイアウトが提供されていますが、エンジニアは自身の特定の組立プロセスと熱要件に基づいて修正することを推奨します。

4.2 極性識別と実装

SMDパッケージには特定の向きがあります。データシートの図面にはカソード端子とアノード端子が示されています。正しい極性は回路の正常動作に不可欠です。透明な球面レンズを備えた黒色プラスチックボディは、指向性感度に寄与します。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

適切な取り扱いは、デバイスの信頼性と性能を維持するために極めて重要です。

5.1 保管と湿気感受性

• 使用準備が整うまで防湿バッグを開封しないでください。
• 未開封バッグは10°C～30°C、相対湿度90%以下で保管してください。
• 出荷後1年以内に使用してください。
• 開封後、デバイスは10°C～30°C、相対湿度60%以下で保管した場合、168時間（フロアライフ）以内に使用する必要があります。それ以外の場合は、再乾燥（ベーキング）し、乾燥バッグに保管する必要があります。
• ベーキング手順：60°C ± 5°C、相対湿度5%未満で96時間。

5.2 はんだ付け条件

• リフローはんだ付け：推奨温度プロファイルが提供されています。リフローサイクルは2回を超えないでください。
• 手はんだ付け：先端温度<350°C、電力<25Wのハンダゴテを使用してください。端子ごとの接触時間は<3秒とします。熱ダメージを防ぐため、各端子のはんだ付けの間には2秒の間隔を空けてください。
• 加熱中のデバイスへの機械的ストレスを避け、はんだ付け後のPCBの反りを防いでください。

5.3 リワークおよび修理

はんだ付け後の修理は推奨されません。やむを得ない場合は、両端子を同時に加熱して部品を均等に持ち上げるダブルヘッドハンダゴテを使用してください。リワーク後は常にデバイスの機能を確認してください。

6. 梱包および発注情報

6.1 テープ・リール仕様

デバイスは、データシートに規定された寸法のキャリアテープに梱包されています。標準数量は7インチリールあたり1000個です。テープ寸法は、標準的なSMD実装機との互換性を確保しています。

6.2 ラベル情報

リールラベルには、トレーサビリティと正しい組立のための標準情報が含まれています：顧客部品番号(CPN)、部品番号(P/N)、ロット番号、数量、ピーク波長(HUE)、ランク(CAT)、参照(REF)、湿気感受性レベル(MSL-X)、製造元。

7. アプリケーション設計上の考慮点

7.1 回路保護

重要：光導電モード（逆バイアス）で動作させる場合、フォトダイオードと直列に外部の電流制限抵抗を使用する必要があります。これがないと、わずかな電圧変化が大きな電流サージを引き起こし、デバイスを焼損させる可能性があります。

7.2 バイアスと信号処理

フォトダイオードは主に2つのモードで使用できます：

• 光起電力モード（ゼロバイアス）：電圧(V_OC)を発生します。低ノイズですが応答は遅くなります。
• 光導電モード（逆バイアス）：逆電圧（例：仕様の5V）を印加して動作させます。これにより接合容量が減少（応答速度向上）し、直線性が向上しますが、暗電流は増加します。トランスインピーダンスアンプ(TIA)は、光電流(I_L)を利用可能な電圧信号に変換するためによく使用されます。

7.3 光学設計

球面レンズには特定の視野角があります。最適な結合のためには、IR光源をこの角度内に配置してください。黒色ハウジングは内部反射と環境光からのクロストークを最小限に抑えます。

8. 技術比較と市場ポジショニング

標準的なフォトダイオードと比較して、PD42-21C/TR8は速度(6 ns)、感度(1mW/cm²時 標準値5 μA)、非常にコンパクトなSMDフットプリントのバランスを提供します。その940nmのピーク感度は、多くの低コストIR LEDと直接マッチングします。低容量は、大きな受光面を持つデバイスと比較して高周波アプリケーションにおける重要な差別化要因です。

9. よくある質問 (FAQ)

9.1 短絡電流(I_SC)と逆光電流(I_L?

I_SC(短絡電流)は、ダイオード両端の電圧がゼロの状態で測定されます。I_L(逆光電流)は、印加された逆バイアス（例：5V）下で測定されます。設計の優れたPINフォトダイオードでは、データシートに示されているように（両方とも標準値5.0 μA）、これらの値は非常に類似しています。I_Lは、バイアス動作における回路設計のより実用的なパラメータです。

9.2 直列抵抗の値はどのように選定すればよいですか？

抵抗は最大照度時の電流を制限します。R ≥ (供給電圧) / (最大I_L)で計算します。仕様から、最大I_Lは12 μAです。5Vバイアスの場合、Rは ≥ 5V / 12μA ≈ 417 kΩであるべきです。一般的な初期値は100 kΩであり、これは接合容量と合わせて帯域幅も設定します。

9.3 可視光の検出に使用できますか？

その分光範囲は730 nmから始まり、近赤外領域です。可視光（700 nm以下の波長）に対する感度は非常に低くなっています。可視光には、550-650 nm範囲にピーク感度を持つフォトダイオードがより適切です。

10. 実用例

シナリオ：ゲームコントローラー内の赤外線近接センサー。

1. 部品の組み合わせ：PD42-21C/TR8は、940nm IR LEDと組み合わせて使用されます。
2. 回路設計：フォトダイオードは、100 kΩ抵抗を介して3.3Vで逆バイアスされます。その出力は、1 MΩの帰還抵抗と小さな帰還コンデンサ（例：1 pF）で応答を安定化させたTIAとして構成されたオペアンプの反転入力に接続されます。
3. 動作：IR LEDはパルス信号を発光します。物体（例：ユーザーの手）が近づくと、IR光をフォトダイオードに反射します。TIAは増加した光電流を測定可能な電圧スパイクに変換します。
4. 利点：フォトダイオードの高速応答により、素早い手の動きを迅速に検出できます。その小さなサイズは、コンパクトなコントローラーハウジングに容易に収まります。高感度により、弱い反射信号でも確実な動作を保証します。

11. 動作原理

PINフォトダイオードは、P型とN型半導体領域の間に挟まれた、広く軽くドープされた真性(I)領域で構成されています。逆バイアスをかけると、真性領域は完全に空乏化し、大きな電界が形成されます。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入射光子が吸収され、電子-正孔対が生成されます。強い電界はこれらのキャリアを迅速に分離し、光強度に比例する光電流を生成します。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、接合容量を低減し（高速化を可能にし）、光子吸収の体積を増加させ（感度を向上させ）ます。

12. 業界動向

小型・高速光検出器への需要は、民生電子機器（スマートフォン、ウェアラブル）、自動車（LiDAR、車内センシング）、産業オートメーションにおけるアプリケーションによって引き続き成長しています。動向としては、さらなる小型化、増幅回路やデジタル化回路とフォトダイオードを単一チップ上に集積すること（例：集積光センサー）、ジェスチャー認識や3Dセンシングなどの新興アプリケーション向けに特定の波長帯での性能向上などが挙げられます。PD42-21C/TR8のようなデバイスは、堅牢な赤外線検出を必要とするコスト重視の大量生産アプリケーション向けの、成熟した信頼性の高いソリューションを代表しています。