PD438B/S46 シリコンPINフォトダイオード データシート - 4.8mmセミレンズ - ブラックパッケージ - 日本語技術文書

1. 製品概要

PD438B/S46は、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。4.8mmセミレンズを備えた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収められています。このデバイスの主な特徴は、統合型赤外線（IR）フィルタとして機能するように配合されたエポキシパッケージです。このフィルタは一般的なIRエミッタにスペクトルマッチングされており、不要な可視光への感度を低減することで、IRセンシングアプリケーションでの性能を向上させます。

このフォトダイオードのコアとなる利点には、高速データ伝送やスイッチングアプリケーションに不可欠な高速応答時間と、低照度を効果的に検出可能にする高い光感度が含まれます。小さな接合容量は高速応答に貢献し、高周波回路への適合性を高めます。本デバイスは鉛フリー材料で構成され、RoHSやEU REACHなどの関連環境規制に準拠しており、厳格な環境適合性要件を持つ製品での使用に適しています。

PD438B/S46の主なターゲット市場およびアプリケーションは、民生用電子機器、産業オートメーション、通信システムです。その仕様は、高速光データリンク、存在検知システム、精密光測定機器に取り組む設計者にとって理想的なコンポーネントとなっています。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

本デバイスは最大逆電圧（VR）32Vに耐える定格です。最大許容損失（Pd）は150 mWで、動作の熱的限界を定義します。リードは最高260°Cで5秒以内のはんだ付けが可能であり、標準的なリフローはんだ付けプロセスに対応しています。動作温度範囲は-40°Cから+85°C、保管温度範囲は-40°Cから+100°Cと規定されており、様々な環境条件下での信頼性の高い性能を保証します。

2.2 電気光学特性

フォトダイオードの分光応答は、その分光帯域幅（λ0.5）の範囲（840 nmから1100 nm）によって定義されます。ピーク感度波長（λp）は940 nmにあり、これはリモコン、光学センサー、自由空間通信で一般的に使用される近赤外領域に位置します。

940 nm、5 mW/cm²の照度下での代表的な開放電圧（VOC）は0.35Vです。短絡電流（ISC）は、1 mW/cm²、940 nmで測定した場合、代表値は18 µAです。このパラメータは、光照射下でのデバイスの電流発生能力を直接測定したものです。

逆方向光電流（IL）は、ダイオードに逆バイアスが印加されたときに生成される光電流です。VR=5V、Ee=1 mW/cm²（λp=940nm）の条件下での代表値は18 µAで、保証最小値は10.2 µAです。暗電流（Id）は、無照射状態でVR=10V時のリーク電流であり、代表値は5 nA、最大値は30 nAです。低暗電流は、特に低照度検出シナリオにおいて、良好な信号対雑音比（SN比）を達成するために不可欠です。

逆方向降伏電圧（BVR）は、電流100 µAが流れる時の最小値が32V、代表値は170Vと規定されています。VR=5V、1 MHzにおける端子間総容量（Ct）の代表値は18 pFです。この低容量は高速な立ち上がり・立ち下がり時間を可能にする主要因です。立ち上がり・立ち下がり時間（tr/tf）は、VR=10V、負荷抵抗（RL）1 kΩで動作させた場合、いずれも代表値50ナノ秒です。

3. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下でのデバイスの挙動をより深く理解するためのいくつかの特性曲線が提供されています。

図1: 許容損失 vs. 周囲温度周囲温度の上昇に伴う最大許容損失のディレーティングを示しています。このグラフは、過熱を防止し長期信頼性を確保するための熱設計において極めて重要です。

図2: 分光感度約600 nmから1200 nmまでの波長スペクトルにわたるフォトダイオードの相対感度を示しています。曲線は940 nmでピークを持ち、エポキシパッケージの効果的なフィルタリング作用（目標とするIR帯域外の応答を減衰させる）を示しています。

図3: 暗電流 vs. 周囲温度リーク電流（Id）が温度とともに指数関数的に増加する様子を示しています。この関係は、高温環境で動作するアプリケーションにおいて、センサーのノイズフロアを定義するため、非常に重要です。

図4: 逆方向光電流 vs. 照度（Ee）生成される光電流と入射光パワー密度との線形関係を描いています。この直線性はPINフォトダイオードの基本的な特性であり、アナログ光測定アプリケーションに不可欠です。

図5: 端子間容量 vs. 逆電圧接合容量が逆バイアス電圧の増加とともに減少することを示しています。設計者は、適切なバイアスポイントを選択することで、回路の速度を最適化するためにこの関係を利用できます。

図6: 応答時間 vs. 負荷抵抗フォトダイオードの出力信号の立ち上がり/立ち下がり時間が、接続された負荷抵抗によってどのように影響を受けるかを示しています。低い負荷抵抗ではより高速な応答が得られますが、出力電圧振幅とのトレードオフとなる場合があります。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ外形寸法

PD438B/S46は円筒形サイドビューパッケージです。主要寸法には、パッケージ図面で定義された本体直径とセミレンズ高さが含まれます。線形寸法の未指定公差はすべて±0.25mmです。パッケージはブラック色で、迷光干渉の低減に役立ちます。サイドビュー構成により、PCB平面と平行な方向からの光を検知することが可能で、プリンターの用紙検知やエッジセンシングなどのアプリケーションに有用です。

4.2 極性識別

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。フォトダイオードは光導電モードで使用される場合、逆バイアスが標準動作条件となるため、組立時には正しい極性を確認する必要があります。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

本デバイスは、フローはんだ付けおよびリフローはんだ付けプロセスに適しています。リードはんだ付け温度の絶対最大定格は260°Cで、はんだ付け時間は5秒を超えないように注意が必要です。電子部品のはんだ付けに関する標準的なIPCガイドラインに従うことを推奨します。湿気吸収や静電気破壊を防ぐため、デバイスは指定された保管温度範囲（-40°Cから+100°C）内の乾燥した静電気防止環境で保管してください。

6. 梱包および発注情報

標準梱包仕様は以下の通りです：200～500個が防湿バッグ1つに梱包されます。そのようなバッグ6つが内箱1つに入ります。内箱10個がマスター出荷箱1つに梱包されます。梱包のラベルには、顧客部品番号（CPN）、メーカー部品番号（P/N）、梱包数量（QTY）、ロット番号（LOT No.）の各フィールドが含まれます。LEDで強度、波長、電圧ビンを表すために一般的なCAT、HUE、REFなどの他のフィールドは、このフォトダイオードでは同じ方法でビニングされていないため適用されず、空白のままにするか、他のトレーサビリティ情報に使用される場合があります。

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：ナノ秒応答が要求される光学エンコーダ、プラスチック光ファイバー（POF）を用いたデータ通信、レーザービーム検出に最適です。
• カメラアプリケーション：スマートフォン、タブレット、デジタルカメラでの環境光センシング（ALS）やIR近接検知に使用できます。内蔵IRフィルタにより、IRレベルの正確な測定が可能です。
• 光電スイッチ：自動販売機、産業オートメーション、セキュリティシステムにおける物体検出、カウント、位置検知に適しています。
• 民生用電子機器：VCRやビデオカメラで、テープ終端検知や制御信号受信に使用されます。

7.2 設計上の考慮点

PD438B/S46を用いた回路を設計する際には、以下を考慮してください：

• バイアス電圧：空乏層を広げ、容量を減らし速度を向上させるために、逆バイアス電圧（データシート条件に基づき通常5V～10V）を印加します。電圧が最大定格32Vを超えないようにしてください。
• 負荷抵抗（RL）：トランスインピーダンス構成におけるRLの値は、帯域幅と出力電圧に直接影響します。RLが小さいほど応答は速くなりますが、出力信号は小さくなります。データシートの図6が重要な参考資料です。
• 増幅：光電流は微小（マイクロアンペア）です。この電流を利用可能な電圧信号に変換するためには、トランスインピーダンスアンプ（TIA）がほぼ常に使用されます。低入力バイアス電流と十分な帯域幅を持つオペアンプを選択してください。
• ノイズ低減：フォトダイオードとその接続トレースを電気的ノイズから遮蔽してください。能動バイアス回路を使用する場合は、デバイスの電源ピン近くにバイパスコンデンサを使用します。低暗電流は良好なSN比の維持に役立ちます。
• 光学的考慮点：レンズが清潔で遮られていないことを確認してください。サイドビューパッケージでは、光路を正確に合わせるために注意深い機械設計が必要な場合があります。

8. 技術比較と差別化

標準的なPNフォトダイオードと比較して、PD438B/S46のPIN構造には明確な利点があります。P層とN層の間に存在する真性（I）領域は、より広い空乏層を形成します。これにより、主に2つの利点が生まれます：1) 低い接合容量：広い空乏層はより広い誘電体のように機能し、容量（代表値18 pF）を大幅に低減します。これが高速動作を可能にする主要因です。2) 改善された直線性と感度：広い真性領域により、より広い体積にわたって光生成キャリアを効率的に収集できるため、光電流対照度の直線性が向上し、ピーク波長での量子効率が高まる可能性があります。

さらに、IRフィルタリングエポキシをパッケージに直接統合している点が差別化された特徴です。これにより、別個の外部IRフィルタが不要となり、スペース節約、コスト削減、組立の簡素化が実現します。これは、コンパクトな民生用電子機器の設計において特に有利です。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 短絡電流（ISC）と逆方向光電流（IL）の違いは何ですか？

A: ISCはダイオード両端の電圧がゼロ（短絡状態）で測定されます。ILはダイオードに逆バイアスが印加されている状態（例：VR=5V）で測定されます。実際には、PINフォトダイオードの場合、光電流は通常動作範囲内では逆バイアス電圧にほとんど依存しないため、これらの値は非常に類似しています。

Q: なぜ立ち上がり/立ち下がり時間は1 kΩ負荷で規定されているのですか？

A: 1 kΩ負荷は、テストや単純な回路における一般的な負荷条件を表しています。実際のアプリケーションでの応答時間は、図6に示すように、特定の回路の負荷抵抗と寄生容量に依存します。

Q: このフォトダイオードは可視光検出に使用できますか？

A: シリコン材料自体は可視光に感度を持ちます（~600nmまで伸びる分光曲線に見られる通り）が、ブラックエポキシパッケージが強力なフィルタとして機能します。可視光スペクトルでの感度は、940 nmでのピークと比較して大幅に減衰します。主に近赤外アプリケーション向けに設計されています。

Q: 特性表の代表値（Typ.）はどのように解釈すればよいですか？

A: Typ.は代表値を表し、指定条件下での期待平均値です。保証値ではありません。設計目的、特に重要なパラメータについては、すべての生産バラツキや条件下で回路が正しく機能することを保証するために、最小値（Min.）または最大値（Max.）を使用する必要があります。

10. 実践的な設計・使用例

例1: シンプルな物体検知スイッチ

PD438B/S46とIR LED（例：940 nm発光）を組み合わせることで、基本的な光スイッチを構築できます。フォトダイオードは逆バイアスで接続され、Vcc（例：5V）へのプルアップ抵抗が接続されます。抵抗とフォトダイオードのカソード間の出力ノードは、コンパレータまたはマイクロコントローラのデジタル入力ピンに供給されます。物体がLEDとフォトダイオード間のIRビームを遮ると、光電流が低下し、出力ノードの電圧が上昇して検知信号がトリガーされます。高速応答時間により、高速移動する物体の検知が可能です。

例2: マイクロコントローラを用いた環境光センサー

アナログ光レベル測定には、フォトダイオードをトランスインピーダンスアンプ（TIA）に接続します。入射IR光強度に比例するTIAの出力電圧は、マイクロコントローラのアナログ-デジタル変換器（ADC）入力に供給されます。MCUはこの読み値を使用して、ディスプレイの輝度を自動調整したり、IRリモコン信号の有無を判断したりできます。統合IRフィルタにより、環境光のIR成分に特化した読み値が得られます。

11. 動作原理の紹介

PINフォトダイオードは、光を電流に変換する半導体デバイスです。P型層とN型層の間に挟まれた真性（不純物ドープが少ない）半導体材料層（I領域）で構成されています。半導体のバンドギャップ（シリコンの場合、波長約1100 nm未満の光）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、真性領域内で電子-正孔対を生成することができます。逆バイアス電圧が印加されると、真性領域全体に強い電界が形成されます。この電界は、光生成されたキャリアをそれぞれの端子（電子はN側、正孔はP側）へと迅速に掃き出し、外部回路に測定可能な光電流を生成します。真性領域の幅が鍵となります：効率的なキャリア生成と収集を可能にしながら、デバイス容量を低く保ちます。

12. 技術トレンドと背景

PD438B/S46のようなシリコンPINフォトダイオードは、成熟した非常に信頼性の高い技術を代表しています。この分野の現在のトレンドは、いくつかの領域に焦点を当てています：小型化：ウェアラブルデバイスや携帯電話などのスペース制約の厳しいアプリケーション向けに、より小さなパッケージフットプリント（例：チップスケールパッケージ）の開発。集積化：フォトダイオードと増幅、デジタル化、信号処理回路を単一チップ上に組み合わせ、スマート光学センサーを創出。性能向上：極端な感度を必要とするアプリケーション向けのアバランシェフォトダイオード（APD）などの構造の研究（ただし、これらはより複雑で高価）。新材料：標準シリコンでは到達できないより長い赤外波長での検出に向けた、ゲルマニウムやIII-V族化合物（例：InGaAs）などの材料の探求。1100 nmまでの主流の近赤外アプリケーションでは、優れた製造性と性能により、シリコンが依然として支配的でコスト効率の高い選択材料です。