PD15-22B/TR8 シリコンPINフォトダイオード データシート - パッケージ 3.5x4.0x1.65mm - 逆耐圧 32V - ブラックレンズ - 日本語技術文書

1. 製品概要

PD15-22B/TR8は、高速光検出を必要とするアプリケーション向けに設計された、高速・高感度のシリコンPINフォトダイオードです。ブラックプラスチックモールドとブラックレンズを備えた小型のフラットトップ表面実装デバイス（SMD）パッケージに収められています。本デバイスは可視光および近赤外光源に分光特性がマッチしており、様々なセンシング用途に適しています。

この部品の主な利点は、光強度の急激な変化を検出可能な高速応答時間と、低照度条件下でも確実な動作を可能にする高い光感度です。小さな接合容量が高速性能に貢献しています。本製品は環境規格に準拠しており、鉛フリー（Pb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、Br+Cl < 1500 ppm）です。

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、規定の限界内で確実に動作するように設計されています。これらの絶対最大定格を超えると、永久破損を引き起こす可能性があります。

• 逆電圧 (VR):32 V。これは、降伏を引き起こすことなく逆バイアス状態で印加できる最大電圧です。
• 動作温度 (Topr):-40°C ～ +85°C。これは、デバイスが正常に動作する周囲温度範囲を定義します。
• 保管温度 (Tstg):-40°C ～ +100°C。動作していない場合、この範囲内でデバイスを保管できます。
• はんだ付け温度 (Tsol):最大5秒間 260°C。これはリフローはんだ付けプロセスにおいて重要です。
• 許容損失 (Pc):150 mW。デバイスが安全に消費できる最大電力です。
• ESD HMBレベル:最小2000V。人体モデル（HBM）を用いた静電気放電に対するデバイスの堅牢性を示します。

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、フォトダイオードの中核的性能を定義します。

• 分光帯域幅 (λ):730 nm ～ 1100 nm（ピーク感度の10%時）。本デバイスはこの波長範囲内の光に応答し、近赤外域でピーク感度を示します。
• ピーク感度波長 (λP):代表値 940 nm。フォトダイオードが最も感度を示す波長です。
• 開放電圧 (VOC):λP=940nm、照度(Ee)=5 mW/cm² 条件下で代表値 0.41 V。これは端子が開放状態の時に発生する電圧です。
• 短絡電流 (ISC):λP=875nm、Ee=1 mW/cm² 条件下で最小 4.0 μA、代表値 6.5 μA。これは端子が短絡状態の時に発生する電流です。
• 逆光電流 (IL):λP=875nm、Ee=1 mW/cm²、VR=5V 条件下で最小 4.2 μA、代表値 6.5 μA。これはダイオードが逆バイアスされた時に発生する光電流であり、高速アプリケーションにおける代表的な動作モードです。
• 暗電流 (ID):VR=10V、完全暗黒下で最大 10 nA。これは光が全く存在しない場合でも流れるわずかなリーク電流です。
• 逆降伏電圧 (BVR):暗黒下、逆電流(IR)=100 μAで測定した場合、最小 32 V、代表値 170 V。
• 立上り/立下り時間 (tr, tf):VR=5V、RL=1000 Ω条件下で各々代表値 10 ns。これはフォトダイオードのスイッチング速度を定義します。
• 視野角 (2θ1/2):VR=5V条件下で代表値 130度。これは光検出における広い視野を示します。

3. 性能曲線分析

データシートには、設計エンジニアにとって不可欠ないくつかの特性曲線が提供されています。

3.1 分光感度

分光応答曲線は、異なる波長にわたるフォトダイオードの相対感度を示します。約940 nm付近にピーク感度があり、730 nmから1100 nmまで有用な応答があることを確認できます。これは、リモコン、近接センサー、データ通信リンクで一般的に使用される850nmや940nm波長の赤外線発光素子との理想的なマッチングを実現します。

3.2 暗電流 vs. 周囲温度

この曲線は、暗電流(ID)が周囲温度の上昇とともに指数関数的に増加する様子を示しています。25°Cでは10 nA未満ですが、高温（例：85°C）では大幅に上昇する可能性があります。設計者は、高温アプリケーションや極めて低い光レベルを検出する必要がある場合、この増加したノイズフロアを考慮に入れる必要があります。

3.3 逆光電流 vs. 照度

このグラフは、逆光電流(IL)と入射光照度(Ee)との線形関係を示しています。フォトダイオードは良好な直線性を示し、動作範囲内で出力電流が光強度に直接比例することを意味します。これは、正確な強度測定が必要なアナログ光センシングアプリケーションにおいて極めて重要です。

3.4 端子容量 vs. 逆電圧

接合容量は、逆バイアス電圧(VR)が増加するにつれて減少します。低容量は高速動作に望ましく、回路のRC時定数を減少させます。曲線は、より高い逆バイアス（例：5Vではなく10V）を印加することで容量を大幅に低減でき、それにより帯域幅と応答時間を改善できることを示しています。

3.5 応答時間 vs. 負荷抵抗

この曲線は、応答速度と信号振幅とのトレードオフを示しています。立上り/立下り時間は、負荷抵抗(RL)が高くなるにつれて増加します。最速の応答を得るためには、低値の負荷抵抗（例：50 Ω）を使用すべきですが、これにより電圧信号は小さくなります。この制限を克服するためには、トランスインピーダンスアンプがよく使用され、高速性と良好な信号利得の両方を提供します。

3.6 相対光電流 vs. 角度変位

このプロットは、フォトダイオードの角度感度特性を示しています。広い130度の視野角が確認され、中心軸から大きく外れた角度で入射する光に対しても検出信号が比較的高いままであることが示されています。これは、位置合わせが完全でない場合や、広い検出視野が必要なアプリケーションに有益です。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ外形寸法

PD15-22B/TR8はコンパクトなSMDパッケージです。主要寸法は以下の通りです（全てmm単位、特に指定がない限り公差±0.1mm）:

• 全長: 4.0 mm
• 全幅: 3.5 mm
• 全高: 1.65 mm（代表値、シーティングプレーンからレンズ上面まで）
• リード幅: 1.55 mm ±0.05 mm
• リードピッチ: 2.95 mm
• PCBレイアウトのための端子ランドパターン推奨値が提供されています。

アノードとカソードはパッケージ図面に明確にマーキングされています。ピン1はカソードです。

4.2 キャリアテープおよびリール寸法

本デバイスは自動実装用にテープ&リールで供給されます。リールには2000個が収納されています。標準的なピック&プレース装置との互換性を確保するために、キャリアテープのポケットおよびリールの詳細寸法が提供されています。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

5.1 保管および湿気感受性

本フォトダイオードは湿気に敏感です。保管および取り扱い中の損傷を防ぐための予防措置を講じる必要があります。

• 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。
• 開封前は、30°C以下、90%RH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。
• 開封後は、30°C以下、60%RH以下で保管してください。
• バッグ開封後168時間（7日）以内に使用してください。
• 保管時間を超過した場合、または乾燥剤が湿気を示した場合は、使用前に60±5°Cで最低24時間ベーキングしてください。

5.2 リフローはんだ付けプロファイル

推奨される鉛フリーリフローはんだ付け温度プロファイルが提供されています。主要パラメータは以下の通りです:

• 予熱およびソークゾーン。
• ピーク温度は260°Cを超えないこと。
• 240°C以上の時間は制御されるべきです。
• 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。
• 加熱中の部品への機械的ストレスを避けてください。
• はんだ付け後にPCBを反らせないでください。

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:

• 先端温度<350°Cのはんだごてを使用してください。
• 端子ごとの接触時間を≤3秒に制限してください。
• 定格電力<25Wのごてを使用してください。
• 各端子のはんだ付けの間に>2秒の冷却間隔を設けてください。
• 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熱ストレスを最小限に抑えるため、両頭はんだごてを使用してください。いかなるリワーク後もデバイスの機能を確認してください。

6. アプリケーションノートおよび設計上の考慮点

6.1 代表的な用途

• 高速光検出器:10 nsの応答時間により、光データリンク、エンコーダー、レーザー検出に適しています。
• コピー機およびスキャナー:原稿有無検出、エッジ検出、トナー濃度センシングに使用されます。
• ゲーム機および民生電子機器:近接センシング、ジェスチャー認識、IRリモコン受信機に採用されています。

6.2 重要な設計上の考慮点

• 電流制限/保護:データシートは、保護のために外部直列抵抗器を必ず使用しなければならないと明示的に警告しています。わずかな電圧シフトが大きな電流変化を引き起こし、焼損につながる可能性があります。この抵抗器はダイオードを流れる電流を制限します。
• 高速化のためのバイアス:最適な高速性能を得るためには、フォトダイオードを逆バイアスモード（光導電モード）で動作させてください。特性曲線に示されているように、より高い逆電圧（最大定格まで）を印加することで接合容量が減少し、応答時間が改善されます。
• 回路トポロジー:光電流を電圧に変換するためには、トランスインピーダンスアンプ（TIA）の使用を検討してください。この構成は、低入力インピーダンス（フォトダイオード電圧を一定に保ち、容量変調を最小限に抑える）、高帯域幅、制御可能な利得を提供します。帰還抵抗とアンプの帯域幅の選択が、システム全体の性能を決定します。
• 光学設計:ブラックレンズは迷光感度の低減に役立ちます。光路が清潔で障害物がないことを確認してください。広い130度の視野角は、機械的位置合わせにおいて柔軟性を提供します。
• 熱管理:特に高精度または高温アプリケーションでは、温度上昇に伴う暗電流の増加を考慮に入れてください。温度補償回路が必要になる場合があります。

7. 梱包および発注情報

標準的な梱包手順では、リールを乾燥剤と適切なラベルと共にアルミ防湿バッグに入れます。ラベルには、顧客部品番号（CPN）、製品番号（P/N）、数量（QTY）、ランク（CAT）、ピーク波長（HUE）、参照（REF）、ロット番号（LOT No.）、製造場所の各フィールドが含まれます。

デバイス選択ガイドは、モデルPD15-22B/TR8がシリコンチップを使用し、ブラックレンズを備えていることを確認しています。

8. 技術比較および製品ポジショニング

PD15-22B/TR8は、標準SMDパッケージにおける汎用高速シリコンPINフォトダイオードとして位置付けられています。その主な差別化要因は、速度（10 ns）、感度、広視野角、堅牢な環境適合性（RoHS、ハロゲンフリー）のバランスの取れた組み合わせです。低速のフォトダイオードやフォトトランジスタと比較して、パルス光検出において優れた性能を提供します。より特殊化された超高速フォトダイオードと比較して、ナノ秒範囲の応答時間を必要とする主流アプリケーション向けにコスト効果の高いソリューションを提供します。ブラックレンズは、環境光がある環境ではクリアレンズ版よりも有利であり、不要な信号の抑制に役立ちます。

9. よくあるご質問 (FAQ)

Q: 短絡電流(ISC)と逆光電流(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は逆バイアス電圧（例：5V）が印加された状態で測定されます。ILは、直線性と速度のためにフォトダイオードが通常逆バイアスで動作されるため、回路設計で使用される典型的なパラメータです。

Q: なぜ直列抵抗器が必須なのですか？

A: フォトダイオードのI-V特性は順方向で非常に急峻です。順方向電圧のわずかな増加が、非常に大きく、破壊的となる可能性のある電流を流す原因となります。直列抵抗器はこの電流を安全な値に制限します。

Q: 動作逆電圧はどのように選択すればよいですか？

A: トレードオフが伴います。より高い逆電圧（例：10-20V）は容量を減少させて応答を高速化しますが、暗電流をわずかに増加させ、消費電力を増やします。多くのアプリケーションではより低い電圧（例：5V）で十分であり、暗電流を最小限に抑えます。容量 vs. 電圧曲線を参照してください。

Q: このフォトダイオードは可視光を検出できますか？

A: はい、その分光範囲は730 nmから始まり、これは可視スペクトルの深赤色部分です。ただし、そのピーク感度は近赤外（940 nm）にあるため、可視光（特に青と緑）に対する応答度は赤外光よりも低くなります。

10. 動作原理

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型とN型の半導体領域（P-I-N構造を形成）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。十分なエネルギーの光子が真性領域に衝突すると、電子-正孔対を生成します。内部電界（多くの場合外部逆バイアス電圧によって増強される）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。広い真性領域により、標準PNフォトダイオードと比較して高い量子効率（より多くの光吸収）と低い接合容量が可能となり、これは直接的に高感度と高速応答時間につながります。

11. 業界動向

PD15-22B/TR8のようなフォトダイオードへの需要は、いくつかの進行中のトレンドによって牽引されています。モノのインターネット（IoT）とスマートデバイスの普及は、環境光センサー、近接センサー、シンプルな光通信リンクへの需要を高めています。産業および民生分野における自動化は、光学エンコーダーや物体検出センサーに依存しています。小型化への継続的な推進により、より小さなSMDパッケージが生まれ、高集積化により、フォトダイオードが増幅回路や信号調整回路と単一モジュール内で組み合わされています。さらに、エネルギー効率と環境責任への重点により、RoHSやハロゲンフリー製造などの規格への準拠は、グローバル市場で使用される部品の基本的な要件となっています。