PD638B シリコンPINフォトダイオード データシート - 2.75x5.25mm - 逆電圧32V - 消費電力150mW - ブラックレンズ - 日本語技術文書

1. 製品概要

PD638Bは、2.75mm×5.25mmのコンパクトなフラットサイドビュープラスチックパッケージに収められた、高速・高感度なシリコンPINフォトダイオードです。この部品は、高速な光検出を必要とするアプリケーション向けに特別に設計されています。そのエポキシパッケージは、統合された赤外線（IR）フィルターとして機能するように配合されており、そのスペクトル特性は一般的なIRエミッターに注意深くマッチングされ、IRセンシングシステムにおける信号対雑音比を向上させます。本デバイスはRoHSおよびEU REACH規制に準拠し、鉛フリー材料を使用して構築されています。

1.1 中核的な利点とターゲット市場

PD638Bの主な利点には、高帯域幅アプリケーションにとって重要な、非常に高速な応答時間、高い光感度、および小さな接合容量が含まれます。その小型フォームファクタは、スペースに制約のある設計に適しています。統合されたIRフィルタリングパッケージは、外部フィルターの必要性を減らすことで光学設計を簡素化します。このフォトダイオードは、高速光検出、イメージングシステム、および光電子スイッチングを含む市場およびアプリケーション、例えば民生電子機器、産業オートメーション、通信機器などをターゲットとしています。

2. 詳細な技術パラメータ分析

このセクションでは、データシートに規定されている主要な技術パラメータについて、設計エンジニアにとっての重要性を説明しながら、詳細かつ客観的な解釈を提供します。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が発生する可能性のあるストレスの限界を定義します。これらの限界以下または限界での動作は保証されません。

• 逆電圧（VR）：32 V。これはフォトダイオード端子間に印加できる最大の逆バイアス電圧です。この電圧を超えると、アバランシェ降伏とデバイス故障のリスクがあります。
• 消費電力（Pd）：150 mW。これはデバイスが熱として放散できる最大許容電力であり、主に逆電圧と動作条件下での暗電流または光電流の積によって決まります。
• 動作温度（Topr）：-40°C から +85°C。デバイスが正しく動作することが規定されている周囲温度範囲です。
• 保存温度（Tstg）：-40°C から +100°C。劣化なしで非動作状態で保存できる温度範囲です。
• はんだ付け温度（Tsol）：5秒を超えない時間で260°C。これはリフローまたは手はんだ付けプロセスを使用したPCB実装において、パッケージ損傷を防ぐために重要です。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは、Ta=25°Cで測定され、光センサーとしてのフォトダイオードの中核的な性能を定義します。

• スペクトル帯域幅（λ0.5）：840 nm から 1100 nm。この範囲は、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を示します。これは、デバイスが近赤外スペクトルに最適化されていることを確認します。
• ピーク感度波長（λp）：940 nm（代表値）。フォトダイオードはこの赤外線波長の光に最も敏感であり、940nm IR LEDとのペアリングに理想的です。
• 開放電圧（VOC）：Ee=5 mW/cm²、λp=940nmにおいて0.35 V（代表値）。これは、指定された照射下で光起電力モード（ゼロバイアス）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）：Ee=1 mW/cm²、λp=940nmにおいて18 µA（代表値）。これは、ダイオード端子が短絡されたとき（両端電圧ゼロ）に生成される光電流です。
• 逆光電流（IL）：Ee=1 mW/cm²、λp=940nm、VR=5Vにおいて18 µA（代表値、最小10.2 µA）。これは光導電モード動作（逆バイアス印加）のための重要なパラメータです。与えられた光強度に対する信号電流を定義します。
• 暗電流（Id）：VR=10Vにおいて5 nA（代表値、最大30 nA）。これはデバイスが完全な暗闇にあるときに流れる小さな逆リーク電流です。暗電流が低いほど、微弱な光信号の検出に適しています。
• 逆降伏電圧（BVR）：IR=100µAで測定して170 V（代表値、最小32 V）。これは逆電流が急激に増加する電圧です。動作逆電圧はこの値を十分に下回るべきです。
• 全容量（Ct）：VR=3V、f=1 MHzにおいて25 pF（代表値）。接合容量は帯域幅を制限する重要な要因です。容量が低いほど、より高速な応答時間が可能になります。
• 立上り/立下り時間（tr/tf）：VR=10V、RL=1 kΩにおいて50 ns / 50 ns（代表値）。これは光強度のステップ変化に対する電流出力の速度を指定します。50 nsの値は、中速から高速の検出アプリケーションへの適合性を示しています。

3. ビニングシステムの説明

PD638Bは、主に標準条件（Ee=1 mW/cm²、λp=940nm、VR=5V）で測定された逆光電流（IL）パラメータに基づいて、異なる性能ビンで入手可能です。これにより、設計者は一貫したシステム性能のために保証された光電流範囲を持つデバイスを選択できます。

• BIN1：IL = 10.2 µA（最小）から 16.5 µA（最大）
• BIN2：IL = 13.5 µA（最小）から 22.0 µA（最大）
• BIN3：IL = 18.0 µA（最小）から 27.5 µA（最大）
• BIN4：IL = 22.5 µA（最小）から 33.0 µA（最大）

データシートには、関連パラメータの標準公差も記載されています：光度（±10%）、主波長（±1nm）、順方向電圧（±0.1V）。これらはエミッターにより典型的ですが、関連製品の参考としてリストされている場合があります。

4. 性能曲線分析

代表的な特性曲線は、主要なパラメータが動作条件とともにどのように変化するかを視覚的に示します。

この曲線は、周囲温度が25°Cを超えて上昇するにつれて、最大許容消費電力のデレーティングを示しています。信頼性を確保するためには、高温で動作する際には、このグラフに従って放散電力を直線的に低減する必要があります。

4.2 分光感度

このプロットは、波長スペクトル全体にわたるフォトダイオードの正規化された感度を示しています。940 nmでのピークと、840 nmから1100 nmまでの定義されたスペクトル帯域幅を視覚的に確認し、統合IRフィルターが可視光を減衰させる効果を示しています。

4.3 暗電流 vs. 周囲温度

暗電流は温度に大きく依存し、通常、温度が10°C上昇するごとに約2倍になります。この曲線により、設計者は特定の動作温度でのノイズフロア（暗電流）を推定することができ、低照度または高利得アプリケーションにとって重要です。

4.4 逆光電流 vs. 照度（Ee）

このグラフは、生成された光電流（IL）と入射光の照度との間の線形関係を示しています。この線形性は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。

4.5 端子容量 vs. 逆電圧

接合容量は逆バイアス電圧の増加とともに減少します。この曲線は、より高い逆電圧を（限界内で）印加することでCtを低減し、それによって回路の応答速度を向上させる可能性があることを示しています。

4.6 応答時間 vs. 負荷抵抗

立上り/立下り時間は、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、所望の帯域幅を達成するためのRLの選択を導き、より小さなRL値はより高速な応答をもたらすが、出力電圧の振幅は小さくなることを示しています。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

PD638Bはフラットサイドビュープラスチックパッケージです。図面からの主要寸法は、本体サイズが2.75mm（幅）×5.25mm（長さ）です。リード間隔と全高も定義されています。寸法図に特に記載がない限り、すべての未指定公差は±0.25mmです。パッケージは、統合IRフィルターとして機能するブラックレンズを備えています。

5.2 極性識別

正しい回路接続のためには、カソード（K）端子とアノード（A）端子を正しく識別する必要があります。データシートのパッケージ図がピン配置を示しています。通常、逆バイアス（光導電）動作では、カソードがより正の電圧に接続されます。

6. はんだ付けおよび実装ガイドライン

はんだ付けの絶対最大定格は、5秒を超えない時間で260°Cです。これは標準的な鉛フリーリフローはんだ付けプロファイル（IPC/JEDEC J-STD-020）と互換性があります。エポキシパッケージ、内部ダイアタッチ、またはワイヤーボンドへの熱損傷を防ぐためには、この制限を遵守することが重要です。手はんだ付けの場合は、温度制御されたはんだごてを使用し、接触時間を最小限に抑えるべきです。フォトダイオードは敏感な半導体デバイスであるため、取り扱いおよび実装中は標準的なESD（静電気放電）対策を講じる必要があります。

7. 梱包および注文情報

7.1 梱包仕様

標準梱包構成は以下の通りです：

1. 静電気防止バッグあたり500個。
2. 内箱あたり6袋。
3. マスター（外）箱あたり10個の内箱。
これにより、マスター箱あたり合計30,000個となります。
7.2 ラベル仕様

梱包のラベルには、トレーサビリティと識別のためのいくつかのフィールドが含まれています：

CPN：
顧客部品番号。P/N：
メーカー製品番号（例：PD638B）。QTY：
梱包数量。CAT：
光度ランク（BINコード）。HUE：
主波長ランク。REF：
順方向電圧ランク。LOT No：
トレーサビリティのための製造ロット番号。X：
月次コード。参照番号はラベル自体を識別します。
8. アプリケーション提案

8.1 代表的なアプリケーションシナリオ

高速光検出器：

• 光通信リンク、バーコードスキャナー、または50 nsの応答時間が利用されるパルス検出システムにおいて。カメラ：
• カメラモジュールにおけるIRカットフィルター検出、露出計センサー、または近接センシングへの使用が考えられます。光電スイッチ：
• 物体検出、位置検出、またはIRビームが遮断されるインタラプターモジュールにおいて。VCR、ビデオカメラ：
• テープ終端検出、オートフォーカス補助システム、またはリモコン受信回路（ただし、リモコン用には専用のIR受信モジュールがより一般的です）において。8.2 設計上の考慮事項

バイアス選択：

• 速度、ノイズ、および出力直線性に関するアプリケーションのニーズに基づいて、光起電力モード（ゼロバイアス、低ノイズ）と光導電モード（逆バイアス、高速、直線性）の間で決定します。バイアス回路：
• 光導電モードの場合、安定した逆バイアス電源を確保します。電圧源からの単純な抵抗器が一般的ですが、オペアンプベースのトランスインピーダンスアンプ（TIA）は、光電流を高利得・高帯域幅で電圧に変換するための標準的な回路です。帯域幅 vs. 感度：
• トレードオフが存在します。単純な回路でより大きな負荷抵抗（RL）を使用すると、出力電圧は増加しますが、より高いRC定数により帯域幅が減少します。TIA構成は、このトレードオフをより良く制御することができます。光学的アライメント：
• IR光源（例：940nm LED）とフォトダイオードの有効領域との間の適切な機械的アライメントを、そのサイドビューパッケージの向きを考慮して確保します。環境光除去：
• 内蔵IRフィルターは役立ちますが、強い環境IR光（例：太陽光）が存在する環境では、追加の光学的シールドまたは変調/復調技術が必要になる場合があります。9. 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、PD638BのPIN構造には明確な利点があります：

より広い空乏層：
真性（I）領域は、逆バイアス下でより大きな空乏層幅を作り出します。これにより：より低い接合容量：
1. より高速な応答時間が可能になります（一部のPNダイオードの典型的なマイクロ秒に対して50 ns）。より高い量子効率：
2. より広い領域により、より多くの光子が空乏層内で吸収され、光子あたりより多くのキャリアが生成され、より高い光感度をもたらします。改善された直線性：
3. 電界はI領域全体でより均一であり、広範囲にわたって光強度と光電流の間のより良い直線性をもたらします。統合IRフィルターはもう一つの重要な差別化要因であり、別個のフォトダイオードとフィルターを使用する場合と比較して、部品点数を減らし、光学アセンブリを簡素化します。
10. よくある質問（技術パラメータに基づく）

10.1 短絡電流（ISC）と逆光電流（IL）の違いは何ですか？

は、ダイオード両端の電圧がゼロ（短絡）の状態で測定されます。

ISCは、指定された逆バイアス（例：5V）が印加された状態で測定されます。理想的なフォトダイオードでは両者は等しくなりますが、実際には、電界がキャリアをより効率的に掃き出すため、ILの方がわずかに高くなる場合があります。データシートには両方が記載されていますが、典型的な逆バイアス動作にはILがより関連性があります。IL10.2 適切なBINをどのように選択すればよいですか？

回路が確実に機能するために必要な最小信号電流に基づいてBINを選択します。システムの利得が固定されている場合は、予想される光レベルで必要な光電流を保証するBINを選択します。BIN3（18-27.5 µA）は代表値を提供します。システム間の一貫性をより厳密にする場合は、単一のBINを指定します。

10.3 このフォトダイオードを5Vから32Vの間の電圧で動作させることができますか？

はい、絶対最大定格の32Vまでの任意の逆電圧で動作させることができます。より高い逆バイアス（例：10Vまたは20V）で動作させると、一般に接合容量が減少し（速度向上）、光電流がわずかに増加する可能性がありますが、暗電流も増加します。電気光学特性表には、参考としてVR=5VおよびVR=10Vでの具体的なデータが記載されています。

10.4 外部増幅器は必要ですか？

ほとんどのアプリケーションでは、はい。出力光電流はマイクロアンペアの範囲です。トランスインピーダンスアンプ（TIA）は、この小さな電流を制御可能な利得と帯域幅を持つ使用可能な電圧信号に変換する標準的な回路です。非常に基本的な低速スイッチングアプリケーションには、単純な抵抗負荷を使用することができます。

11. 実践的な設計および使用例

シナリオ：高速光インタラプタースイッチの設計。

目標：
IRビームを遮断する物体の存在を、100 µsより速い応答時間で検出する。設計ステップ：
ペアリング：
1. 940nm IR LEDを光源として使用し、パルス電流で駆動して電力を節約し、環境光を除去します。バイアス：
2. PD638Bを光導電モードで動作させます。電源レールから電流制限抵抗を介して5Vから10Vの逆バイアスを印加します。信号調整：
3. フォトダイオードのアノードを、TIAとして構成されたオペアンプの反転入力に接続します。カソードはバイアス電源に接続します。TIAの帰還抵抗（Rf）が利得を設定します（Vout = I_photo * Rf）。Rfと並列に接続された帰還コンデンサ（Cf）は、帯域幅と安定性を制御するために使用されます。部品選択：
4. 十分な利得帯域幅積、低入力バイアス電流、および低ノイズを持つオペアンプを選択します。ビームが遮断されていないときに適切な出力電圧振幅を得るためにRfを選択します。フォトダイオード容量（Ct ～25pF）と所望の帯域幅に基づいてCfを計算します：基本的なRC限界では f_3dB ≈ 1/(2π * Rf * Ct) ですが、オペアンプの安定性計算が重要です。出力処理：
5. TIA出力は、ビームが遮断されると低下する電圧です。この信号は、ヒステリシス付きコンパレータに入力して、クリーンなデジタル出力信号を作成することができます。12. 動作原理の紹介

PINフォトダイオードは、P型、真性（不純物ドープなし）、およびN型の層からなる構造を持つ半導体デバイスです。光導電モードの動作では、逆バイアス電圧が印加されます。これにより、主に真性層を含む空乏層が広がります。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光子（例：シリコンに対する赤外線）が空乏層に衝突すると、それらは価電子帯から伝導帯へ電子を励起し、電子-正孔対を生成します。逆バイアスにより空乏層に存在する強い電界は、これらのキャリアを迅速に分離し、それぞれの端子（電子はN側、正孔はP側）に向かって掃き出します。この電荷の移動が、入射光の強度に比例する外部回路に流れる光電流を構成します。真性層の重要な役割は、光子吸収とキャリア生成のための大きく、低電界の領域を提供し、容量を低く保ちながら高効率と高速性をもたらすことです。

13. 技術トレンドと開発動向

光検出の分野は進化を続けています。PD638Bのような部品に関連する一般的なトレンドには以下が含まれます：

統合の増加：
増幅および信号調整回路と単一チップ上に統合されたフォトダイオード（例：統合フォトダイオード-増幅器コンビネーション）への移行。性能の向上：
さらなる低暗電流、より高速な応答（サブナノ秒）、およびより広いスペクトル範囲での感度向上を目指した継続的な開発。高度なパッケージング：
さらなる小型化と高周波性能の向上のためのウェハレベルチップスケールパッケージ（WLCSP）、および光収集を改善するための統合レンズを備えたパッケージの開発。新材料：
シリコンの限界（～1100 nm）を超える拡張赤外線範囲検出のためのInGaAsなどの材料の探求。しかし、シリコンの成熟した製造技術と優れた性能対コスト比により、PD638BのようなシリコンPINフォトダイオードは、近赤外スペクトルにおける支配的で費用対効果の高いソリューションであり続けています。14. 免責事項および使用上の注意

遵守しなければならない重要な免責事項および使用上の注意が提供されています：

1. メーカーは製品の材料仕様を調整する権利を留保します。
2. 製品は出荷日から12ヶ月間、公表された仕様を満たします。
3. グラフおよび代表値は参考のみを目的としており、保証された最小または最大限界を表すものではありません。
4. ユーザーは、絶対最大定格内でデバイスを動作させる責任を負います。メーカーは、これらの定格を超える動作または誤用による損害について一切の責任を負いません。
5. データシートの内容は著作権で保護されています。複製には事前の同意が必要です。
6. この製品は、
安全クリティカル、軍事、航空宇宙、自動車、医療、生命維持、または救命用途での使用を意図していません。そのようなアプリケーションの場合は、メーカーに連絡して認定部品について問い合わせてください。