PD42-21B/TR8 データシート - 1.8mm径 超小型シリコンPINフォトダイオード ブラックレンズ

1. 製品概要

PD42-21B/TR8は、赤外線検出アプリケーション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。一般的な赤外線発光ダイオードにマッチするよう分光特性が最適化されており、主な機能は入射光（特に赤外スペクトル）を電流に変換することです。

本デバイスのコアとなる利点は、高速応答性、高感度、および小さな接合容量にあり、迅速かつ信頼性の高い光検出を必要とするアプリケーションに適しています。自動組立プロセスに対応したテープ&リールで供給され、鉛フリー、RoHS準拠、EU REACH準拠、ハロゲンフリーといった最新の環境規格に適合しています。

2. 技術パラメータ詳細

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のある限界値を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• 逆電圧 (VR):32 V - 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 (Topr):-25°C ～ +85°C - デバイスが正常に動作する周囲温度範囲です。
• 保存温度 (Tstg):-40°C ～ +85°C - 非動作状態での保存温度範囲です。
• はんだ付け温度 (Tsol):最大5秒間 260°C - リフローはんだ付け時のピーク温度限界です。
• 許容損失 (Pd):25°C時 150 mW - デバイスが消費できる最大電力です。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは25°Cで測定され、指定された試験条件下でのフォトダイオードの性能を定義します。

• 分光帯域幅 (λ0.5):730 nm ～ 1100 nm - フォトダイオードの感度がピーク値の少なくとも半分以上となる波長範囲です。これが感度の窓を定義します。
• ピーク感度波長 (λP):940 nm (代表値) - フォトダイオードが最も感度を持つ光の波長です。これは一般的な940nm赤外LEDと一致します。
• 開放電圧 (VOC):Ee=5 mW/cm²、λP=940nm時 0.42 V (代表値) - 電流を流さない状態（開放）で、光照射時にフォトダイオード端子間に発生する電圧です。
• 短絡電流 (ISC):Ee=1 mW/cm²、λP=875nm時 4.0 μA (代表値) - 端子が短絡された状態で、光照射時にフォトダイオードを流れる電流です。
• 逆光電流 (IL):Ee=1 mW/cm²、λP=875nm、VR=5V時 4.0 μA (代表値) - デバイスが逆バイアスされたときに発生する光電流です。これはほとんどの検出回路における主要な動作パラメータです。
• 暗電流 (ID):VR=10V時 10 nA (最大値) - デバイスが完全な暗闇にあるときに流れる小さな逆方向リーク電流です。値が低いほど、信号対雑音比が優れていることを示します。
• 逆降伏電圧 (VBR):IR=100μA時 32 V (最小値)、170 V (代表値) - 逆電流が急激に増加する電圧です。この電圧付近またはそれ以上で動作すると損傷を引き起こす可能性があります。

3. 性能曲線分析

データシートには代表的な特性曲線が含まれており、単一点の仕様を超えたデバイスの動作を視覚的に理解することができます。

3.1 分光感度特性 (図1)

この曲線は、入射光の波長に対するフォトダイオードの相対感度をプロットしたものです。分光帯域幅と940nmでのピーク感度を視覚的に確認できます。曲線は約700nm付近から感度が急激に上昇し、940nmでピークに達した後、1100nmに向かって徐々に低下する様子を示しています。この形状はシリコンベースの光検出器に特徴的です。

3.2 逆光電流 vs. 照度 (図2)

このグラフは、発生した光電流 (IL) と入射光パワー密度 (Ee) の関係を示しています。光導電モード（逆バイアス）で動作するPINフォトダイオードの場合、この関係は広い範囲で一般的に線形です。この線形性は、出力信号が光強度に直接比例しなければならない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。

4. 機械的仕様およびパッケージ情報

4.1 パッケージ外形寸法

PD42-21B/TR8は、本体直径1.8mmの円形超小型デバイスです。詳細な機械図面には、全高、レンズ形状、リード間隔、パッド推奨寸法など、すべての重要な寸法が記載されています。推奨パッドレイアウトは参考用です。設計者は、固有のPCB設計ルールおよび熱的・機械的要件に基づいて調整する必要があります。特に指定がない限り、すべての寸法公差は通常±0.1mmです。

4.2 極性識別

デバイスには2つの端子があります。逆バイアス回路で正しく動作させるためには、正しい極性接続が不可欠です。データシートの図面にはカソードとアノードが示されています。通常、長いリードまたはパッケージ上の特定のマーキングがカソードを示します。カソードをより正の電圧（逆バイアス）に接続することが標準的な動作条件です。

4.3 包装仕様

部品は、直径7インチのリールにエンボス加工されたキャリアテープで供給されます。テープ寸法（ポケットサイズ、ピッチなど）は、標準的なSMD実装機との互換性を確保するために規定されています。各リールには1000個が収納されており、これは中規模生産における一般的な数量です。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

5.1 リフローはんだ付けプロファイル

本デバイスは、鉛フリーリフローはんだ付けプロセスに適しています。最大ピーク温度は260°Cを超えてはならず、260°Cを超える時間は制限する必要があります。リフローサイクルの総数は2回を超えないようにし、プラスチックパッケージおよび内部ダイアタッチへの熱ストレス損傷を防止してください。

5.2 手はんだ付け

手動はんだ付けが必要な場合は、細心の注意を払う必要があります。はんだごて先端温度は350°C以下とし、リードごとの接触時間は3秒以下に制限してください。低出力（≤25W）のこてを使用することを推奨します。各端子をはんだ付けする間には冷却間隔を設け、局所的な過熱を防止してください。

5.3 リワークおよび修理

初期はんだ付け後のリワークは強く推奨されません。やむを得ない場合は、専用の両頭はんだごてを使用して両端子を同時に加熱し、過度な機械的ストレスを加えずに安全に取り外せるようにする必要があります。リワークによるデバイス性能への潜在的な影響は事前に評価する必要があります。

6. 保管および取り扱い上の注意

• 湿気感受性:本デバイスは湿気に敏感です。使用準備が整うまでバッグを開封しないでください。予備保管条件は、温度≤30°C、相対湿度≤90%です。
• フロアライフ:防湿バッグを開封後、部品は温度≤30°C、相対湿度≤60%で保管した場合、168時間（7日）以内に使用する必要があります。
• ベーキング:保管時間を超過した場合、または乾燥剤が高湿度を示した場合は、吸収した湿気を除去し、リフロー時のポップコーン現象を防止するために、60±5°Cで24時間のベーキング処理が必要です。

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回路

主な用途は高速光検出器としてです。代表的な回路では、フォトダイオードは最大定格（例：試験条件の5V）以下の電圧で逆バイアスされます。光電流 (IL) は負荷抵抗 (RL) を流れます。光強度に比例するRL両端の電圧降下は、その後続のトランスインピーダンスアンプ (TIA) または電圧増幅器によって増幅されます。高速応答性は、パルス光検出およびデータ通信に適しています。

7.2 設計上の考慮事項

• バイアス電圧:最適な速度と直線性のためには、逆バイアス電圧（例：5V）の使用を推奨します。より高いバイアスは接合容量をさらに低減し帯域幅を増加させることができますが、V_R.
• 電流制限/保護:注意事項に記載されている通り、フォトダイオード自体は電流を制限しません。高強度光にさらされる可能性がある回路や誤接続される可能性がある回路では、接合を損傷する可能性のある過剰電流を防止するために直列抵抗が必要になる場合があります。
• 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。最適な性能を得るためには、フォトダイオードをIR光源（850nmまたは940nm LEDなど）と組み合わせ、必要に応じて不要な環境光（特にある程度検出可能な可視光）を遮断する光学フィルターを使用することを検討してください。

7.3 アプリケーションシナリオ

• 高速光検出:光電スイッチシステム、物体カウント、エンコーダなど、高速のオン/オフ光遷移を検出する必要がある用途に適しています。
• コピー機およびスキャナー:用紙存在検知、紙詰まり検知のセンサーとして、またはコンタクトイメージセンサー (CIS) の画像検知アレイの一部として使用できます。
• ゲーム機および民生電子機器:赤外線リモコン受信機、近接センサー、ジェスチャー認識システムなどに使用されます。
• 赤外線応用システム:データ伝送、距離測定（飛行時間法）、または単純な存在検知のために変調またはパルス赤外光を利用するあらゆるシステム。

8. 技術比較および差別化

標準的なPNフォトダイオードと比較して、PIN構造には主要な利点があります：より広い空乏層（I層または真性層）が形成され、その結果、接合容量が低減され（高速応答を可能にし）、より低い逆バイアス電圧で効率的に動作することができます。小型の1.8mmパッケージは、スペースに制約のある設計に理想的です。ブラックレンズは、透明レンズタイプと比較して、ある程度の内蔵可視光抑制機能を提供し、IR専用アプリケーションで有益です。

9. よくあるご質問 (技術パラメータに基づく)

Q: 短絡電流 (I_SC) と逆光電流 (I_L) の違いは何ですか？

A: I_SCは、ダイオード両端の電圧がゼロの状態（光起電力モード）で測定されます。I_Lは、逆バイアスが印加された状態（光導電モード）で測定されます。I_Lは、より安定して直線的であり、逆バイアスが応答を高速化するため、回路設計で一般的に使用されるパラメータです。

Q: 暗電流が重要なのはなぜですか？

A: 暗電流はフォトダイオードのノイズフロアです。低照度アプリケーションでは、高い暗電流が小さな光電流信号をマスクし、感度と信号対雑音比を低下させる可能性があります。最大10 nAという仕様は、シリコンフォトダイオードとしては非常に低い値です。

Q: 可視光源と一緒に使用できますか？

A: はい、ただし効率は低下します。分光応答曲線は約730nmから感度があることを示しているため、赤色光および近赤外光はよく検出します。可視光（例：青色または緑色）で最適な性能を得るためには、異なる分光ピークを持つフォトダイオードの方がより適切です。

10. 動作原理

PINフォトダイオードは、p型領域、真性（不純物ドープされていない）領域、n型領域を持つ半導体デバイスです。逆バイアスされると、主に真性層を横切って広い空乏層が形成されます。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。空乏層内の強い電界はこれらの対を迅速に分離し、それぞれの端子に向かってドリフトさせ、入射光強度に比例する光電流を生成します。真性層は容量を低減し、より広い領域で効率的なキャリア収集を可能にし、速度と量子効率を向上させます。