PD15-21B/TR8 シリコンPINフォトダイオード データシート - 1206パッケージ (1.6x0.8x0.55mm) - 分光範囲 730-1100nm - ピーク 940nm - 技術文書

1. 製品概要

PD15-21B/TR8は、超小型表面実装（SMD）パッケージに収められた高性能シリコンPINフォトダイオードです。この部品は、赤外線スペクトル内のセンシング用途に特化して設計されており、光検出を必要とする現代の電子設計にコンパクトで信頼性の高いソリューションを提供します。

1.1 中核的利点と製品ポジショニング

このデバイスは、精密センシングに不可欠ないくつかの主要な利点を提供するように設計されています。その特徴は、高速応答時間であり、光強度の急速な変化を検出することができ、カウント、選別、位置検出などのアプリケーションに重要です。高い光感度により、低照度条件下でも確実な信号検出が保証されます。さらに、小さな接合容量が高速性能に貢献しています。製品は、自動組立プロセスを容易にするため、7インチ径リール上の業界標準8mmテープで供給されます。鉛フリー、RoHS準拠、EU REACH準拠、ハロゲンフリー（臭素<900 ppm、塩素<900 ppm、合計<1500 ppm）であり、環境規制に完全に準拠しています。

1.2 ターゲット市場とアプリケーション

主なターゲット市場は、産業オートメーション、民生電子機器、安全システムを含みます。その超小型サイズとSMDフォーマットは、スペースに制約のあるアプリケーションに理想的です。典型的な使用例は以下の通りです：

• 超小型光スイッチ：物体検出、プリンターの用紙検出、スロットセンサーに使用されます。
• カウンターとソーター：組立ラインで、有無検出に基づく部品のカウントや選別に使用されます。
• 位置センサー：エッジ検出、リミットスイッチ、ロータリーエンコーダーシステムに利用されます。
• 赤外線応用システム：データ伝送、近接センシング、環境光センシングに赤外線発光ダイオード（IRED）を使用するシステムの不可欠な部品です。

2. 詳細な技術パラメータ分析

適切な回路設計とシステム統合のためには、デバイスの仕様を十分に理解することが重要です。

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生じる可能性がある限界を定義します。これらの限界値で、またはその近傍でデバイスを連続動作させることは推奨されません。

• 逆電圧（V_R）：32 V。これは、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です。
• 動作温度（T_opr）：-25°C から +85°C。信頼性のある動作のための周囲温度範囲です。
• 保存温度（T_stg）：-40°C から +85°C。非動作時の保存温度範囲です。
• はんだ付け温度（T_sol）：最大5秒間、260°C。これは、リフロープロファイルのピーク温度を定義します。
• 電力損失（P_d）：周囲温度25°C以下の自由空気中で150 mW。これは、デバイスが安全に扱える総電気的電力を制限します。

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、フォトダイオードの中核的なセンシング性能を定義します。

• 分光帯域幅（λ_0.5）：730 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です。近赤外光に対する感度を示します。
• ピーク感度波長（λ_P）：940 nm（標準値）。デバイスは、この波長で動作する一般的な赤外線発光ダイオード（IRED）とスペクトル的に整合しており、システム効率を最大化します。
• 短絡電流（I_SC）：940 nm、1 mW/cm²の放射照度（E_e）下で0.8 μA（標準値）。これは、フォトダイオードが光起電力モード（ゼロバイアス）で動作したときに生成される光電流です。
• 逆光電流（I_L）：940 nm、1 mW/cm²の放射照度、逆バイアス電圧（V_R）=5V下で0.2 μA（最小）から0.8 μA（標準値）。このパラメータは、速度と直線性を向上させるために外部逆バイアスが印加される光導電モード動作に関連します。
• 暗電流（I_D）：完全暗黒（E_R=0）、V_e=10V下で10 nA（最大）。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す。低暗電流は、特に低照度アプリケーションにおいて、良好な信号対雑音比に不可欠です。
• 逆降伏電圧（BV_R）：逆電流100 μAで測定した場合、32 V（最小）、170 V（標準値）。これは非常に高い降伏電圧を示し、絶対最大定格32V以下の広い動作マージンを提供します。

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。

3.1 電力デレーティング

図1：電力損失 vs. 周囲温度は、周囲温度が25°Cを超えて上昇するにつれて、最大許容電力損失がどのように減少するかを示しています。設計者は、熱的過負荷を防ぐために、それに応じて電力をデレートする必要があります。

3.2 分光応答

図2：分光感度は、フォトダイオードの光スペクトル全体にわたる相対感度をグラフで示し、そのピークが940 nmであり、定義された730-1100 nmの帯域幅であることを確認しています。

3.3 温度依存性

図3：暗電流 vs. 周囲温度は、温度が10°C上昇するごとに暗電流が約2倍になることを示しています。これは半導体の基本的な挙動であり、高温または高精度アプリケーションでは考慮する必要があります。図4：逆光電流 vs. 放射照度（E_e)は、入射光パワーと生成される光電流との線形関係を示しており、PINフォトダイオードの重要な特性です。

3.4 角度応答

図5：相対放射強度 vs. 角度変位は、デバイスの指向性感度を示しています。球面レンズを備えた黒色エポキシパッケージは特定の視野角を提供し、システム設計においてフォトダイオードを光源とどのように位置合わせすべきかに影響を与えます。

4. 機械的およびパッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

デバイスは、標準的な1206（3216メートル）SMDフットプリントに準拠しています：長さ約1.6mm、幅約0.8mm、高さ約0.55mm（レンズドームを除く）。PCBランドパターン設計のため、公差±0.1mmの詳細な寸法図が提供されています。推奨パッドレイアウトは参考として示されていますが、設計者は自身の特定のPCB製造プロセスと熱要件に基づいて変更することをお勧めします。

4.2 極性識別

フォトダイオードは黒色エポキシで成形されています。カソード端子は通常、パッケージ外形図でマークまたは識別されています。逆バイアス（光導電）モードでの適切な動作には、正しい極性接続が不可欠です。

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重要です。

5.1 保管と湿気感受性

デバイスは湿気に敏感です。防湿バッグは使用準備ができるまで開封しないでください。開封後、10-30°C、相対湿度60%以下の環境で保管した場合のフロアライフは168時間（7日間）です。未使用のデバイスは乾燥剤とともに再梱包する必要があります。フロアライフを超過した場合、または乾燥剤が湿気吸収を示した場合は、使用前に60°C ±5°C、相対湿度5%未満の環境で96時間ベーキングする必要があります。

5.2 リフローはんだ付け

鉛フリーはんだ温度プロファイルが推奨され、ピーク温度は260°C、最大5秒間です。リフローはんだ付けは2回を超えて行わないでください。加熱中の部品本体へのストレスや、はんだ付け後のPCBの反りは避ける必要があります。

5.3 手はんだ付けおよびリワーク

手はんだ付けが必要な場合は、先端温度350°C以下、容量25W以下のはんだごてを使用してください。端子ごとの接触時間は3秒未満とし、各端子のはんだ付けの間隔は2秒以上空けてください。リワークは強く推奨されません。やむを得ない場合は、両端子を同時に加熱する専用のダブルヘッドはんだごてを使用する必要があり、デバイス特性への影響を事前に確認する必要があります。

6. 包装および注文情報

6.1 テープおよびリール仕様

製品は、7インチ（178mm）径リール上の8mm幅エンボスキャリアテープで供給されます。各リールには2000個が含まれています。自動ピックアンドプレース装置との互換性を確保するため、詳細なキャリアテープおよびリール寸法が提供されています。

6.2 ラベル仕様

リールラベルには、顧客部品番号（CPN）、メーカー部品番号（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）、製造国などの標準情報が含まれています。

7. アプリケーション設計上の考慮事項

7.1 回路保護

重要注意：データシートは、外部の電流制限抵抗を必ずフォトダイオードと直列に使用する必要があることを明確に警告しています。この抵抗がないと、わずかな電圧変動で大きな電流変化を引き起こし、デバイスの即時焼損につながる可能性があります。抵抗値は、電源電圧と予想される最大光電流に基づいて計算する必要があります。

7.2 バイアスモード

フォトダイオードは、主に2つのモードで使用できます：

1. 光起電力（ゼロバイアス）モード：外部バイアスを印加せずに、フォトダイオードが光照射時に電圧/電流を生成します。このモードは、非常に低い暗電流とノイズを提供しますが、応答時間は遅くなります。
2. 光導電（逆バイアス）モード：外部逆電圧が印加されます（例：試験条件のように5V）。これにより空乏層が広がり、接合容量が減少して速度と帯域幅が向上します。直線性も向上しますが、暗電流は増加します。

選択は、アプリケーションの速度とノイズ性能の要件に依存します。

7.3 アンプとのインターフェース

小さな光電流（μA範囲）を増幅するには、トランスインピーダンスアンプ（TIA）回路が一般的に使用されます。この回路は、フォトダイオード電流を比例した出力電圧に変換します。TIAの主要な設計上の考慮事項には、低入力バイアス電流と低ノイズのオペアンプの選択、および安定性を維持しながら所望の利得と帯域幅を得るための帰還抵抗とコンデンサの計算が含まれます。

8. 技術比較と差別化

フォトトランジスタと比較して、このシリコンPINフォトダイオードは、その固有領域により容量を減少させるため、優れた速度と直線性を提供します。その応答は入射光に純粋に依存し、電流利得があり、より遅く、直線性が低い可能性のあるフォトトランジスタとは異なります。他のフォトダイオードと比較して、その1206パッケージは小型化と取り扱い/組立の容易さの間で良好なバランスを提供し、高い降伏電圧と940nm IREDへの特定のスペクトル整合は、ターゲットとなる赤外線センシングアプリケーションにおいて明確な利点です。

9. よくある質問（FAQ）

9.1 I_SCとI_L?

I_SC（短絡電流）は、ダイオード両端の電圧がゼロボルト（光起電力モード）で測定されます。I_L（逆光電流）は、印加された逆バイアス電圧（光導電モード）で測定されます。PINフォトダイオードでは、I_Lは通常I_SCに非常に近い値です。

9.2 なぜ直列抵抗が必須なのですか？

フォトダイオードは、光照射時には基本的に電流源として動作します。直列抵抗なしで電圧源に直接接続すると、電流を制限するメカニズムがなくなり、過剰な電力損失と即時故障を引き起こします。

9.3 動作逆電圧はどのように選択すればよいですか？

光導電モードでは、5Vから32Vの最大定格を安全に下回る値までの逆電圧を使用できます。より高い逆バイアスは容量をさらに減少させ（速度向上）、暗電流をわずかに増加させます。一般的な動作点は5Vまたは12Vです。

10. 設計および使用事例

事例：コンベヤベルト上の物体カウント

赤外線LED（940nm）をコンベヤの片側に配置し、PD15-21B/TR8フォトダイオードを真向かいに配置します。それらの間を通過する物体が赤外線ビームを遮断します。フォトダイオードは、保護のための10kΩ直列抵抗を通じて供給される5V逆バイアスで光導電モードで動作します。負荷抵抗両端の電圧降下（またはフォトダイオードに接続されたトランスインピーダンスアンプの出力）はマイクロコントローラーによって監視されます。この電圧の急激な低下は物体の存在を示し、カウントをトリガーします。フォトダイオードの高速応答時間により、高速で移動する物体の正確なカウントが可能です。小さな1206パッケージは、コンパクトなセンサーヘッドへの統合を容易にします。

11. 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固有（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、固有領域で電子-正孔対を生成します。内部電界（または外部印加逆バイアス）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。固有領域は接合容量を減少させ、標準的なPNフォトダイオードと比較してより高速な応答時間を可能にします。

12. 業界動向

オプトエレクトロニクスのトレンドは、さらなる小型化、高集積化、および性能向上に向かって続いています。民生電子機器（スマートフォン、ウェアラブル）、自動車（LiDAR、ドライバーモニタリング）、産業用IoTにおけるセンサーの需要が高まっています。PD15-21B/TR8のような、性能、サイズ、コストのバランスを提供するフォトダイオードは、これらの市場に適しています。将来の開発には、オンチップ増幅とデジタルインターフェースを備えた統合フォトダイオード、および分光分析アプリケーションのための特定波長に敏感なデバイスが含まれる可能性があります。

免責事項：本書で提供される情報は技術的参考のためのものです。設計者はすべてのパラメータを確認し、アプリケーションが指定された絶対最大定格内で動作することを保証する必要があります。性能は動作条件によって異なる場合があります。