4.8mm 반구형 실리콘 PIN 포토다이오드 PD438C/S46 데이터시트 - 직경 4.8mm - 역방향 전압 32V - 940nm 최대 감도 - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

PD438C/S46은 적외선에 대한 빠른 응답과 높은 감도가 필요한 응용 분야를 위해 설계된 고성능 실리콘 PIN 포토다이오드입니다. 직경 4.8mm의 소형 원통형 사이드뷰 플라스틱 패키지에 장착되어 있습니다. 이 소자의 핵심 특징은 에폭시 패키지 자체가 통합 적외선(IR) 필터 역할을 하며, 이는 일반적인 IR 방출 소자와 분광적으로 매칭되어 원치 않는 가시광을 걸러내어 IR 감지 시스템의 성능을 향상시킵니다.

이 포토다이오드는 빠른 응답 시간, 높은 광감도, 낮은 접합 커패시턴스를 특징으로 하여 고속 광학 감지에 적합합니다. 무연 재료로 제작되었으며 관련 환경 규정을 준수합니다.

2. 기술 파라미터 심층 분석

2.1 절대 최대 정격

이 소자는 지정된 한도 내에서 안정적으로 동작하도록 설계되었습니다. 이 정격을 초과하면 영구적인 손상이 발생할 수 있습니다.

• 역방향 전압 (V_R):32 V - 포토다이오드 단자에 역방향 바이어스로 인가할 수 있는 최대 전압입니다.
• 소비 전력 (P_d):150 mW - 지정된 조건에서 주로 열로 소산될 수 있는 소자의 최대 전력입니다.
• 동작 온도 (T_opr):-40°C ~ +85°C - 소자가 공개된 사양을 충족하도록 보장되는 주변 온도 범위입니다.
• 보관 온도 (T_stg):-40°C ~ +100°C - 소자가 전원이 공급되지 않은 상태에서 안전하게 보관할 수 있는 온도 범위입니다.
• 납땜 온도 (T_sol):최대 5초 동안 260°C로, 이는 일반적인 무연 리플로우 납땜 공정에 부합합니다.

2.2 전기-광학 특성

이 파라미터들은 주변 온도(T_a) 25°C에서 측정되며 포토다이오드의 핵심 성능을 정의합니다.

• 분광 대역폭 (λ_0.5):840 nm ~ 1100 nm. 이는 포토다이오드의 응답도가 최대값의 절반 이상인 파장 범위를 정의합니다. 주로 근적외선 영역에 민감합니다.
• 최대 감도 파장 (λ_p):940 nm (전형적). 포토다이오드가 가장 민감한 빛의 파장입니다. 이는 많은 IR LED의 일반적인 방출 파장과 일치합니다.
• 개방 회로 전압 (V_OC):940nm에서 조사도(E_e) 5 mW/cm²로 조사될 때 0.35 V (전형적). 이는 외부 부하 없이 포토다이오드에 의해 생성되는 전압입니다.
• 단락 전류 (I_SC):E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm에서 18 µA (전형적). 이는 출력이 단락되었을 때의 광전류입니다.
• 역방향 광전류 (I_L):E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm, 역방향 바이어스 전압(V_R) 5V에서 18 µA (전형적, 최소 10.2 µA). 이는 광전도 모드에서의 주요 동작 파라미터입니다.
• 암전류 (I_d):V_R= 10V, 완전한 암흑 상태에서 5 nA (전형적, 최대 30 nA). 이는 빛이 없을 때도 흐르는 작은 누설 전류로, 신호 대 잡음비의 핵심 파라미터입니다.
• 역방향 항복 전압 (BV_R):최소 32V, 전형 170V, 역방향 전류 100 µA에서 측정. 이는 접합이 항복하는 전압을 나타냅니다.
• 총 커패시턴스 (C_t):V_R= 3V, 테스트 주파수 1 MHz에서 18 pF (전형적). 낮은 커패시턴스는 더 빠른 응답 시간을 가능하게 합니다.
• 상승/하강 시간 (t_r/t_f):V_R= 10V, 부하 저항(R_L) 1 kΩ에서 50 ns / 50 ns (전형적). 이는 광 펄스에 대한 포토다이오드의 응답 속도를 지정합니다.

주요 파라미터의 허용 오차는 다음과 같이 지정됩니다: 광도 ±10%, 주 파장 ±1nm, 순방향 전압 ±0.1V.

3. 성능 곡선 분석

이 데이터시트는 다양한 조건에서의 성능을 보여주는 여러 특성 곡선을 제공합니다. 이는 설계 엔지니어에게 필수적입니다.

3.1 분광 감도

파장에 대한 상대 감도를 그린 곡선입니다. 약 940nm에서 최대 감도를 확인하고, 840-1100nm 범위의 경계로 갈수록 분광 응답이 감소함을 보여줍니다. 통합 에폭시 렌즈는 필터 역할을 하여 목표 IR 대역 외부의 응답을 감쇠시킵니다.

3.2 암전류 대 주변 온도

이 곡선은 일반적으로 암전류(I_d)가 온도 상승에 따라 기하급수적으로 증가함을 보여줍니다. 이 관계를 이해하는 것은 넓은 온도 범위에서 동작하는 응용 분야에 매우 중요하며, 이는 감지 가능한 빛의 하한(노이즈 플로어)을 정의합니다.

3.3 역방향 광전류 대 조사도 (E_e)

이 그래프는 생성된 광전류(I_L)와 입사 광 파워 밀도 사이의 선형 관계를 보여줍니다. 포토다이오드는 지정된 조건에서 고도로 선형적인 영역에서 동작하며, 이는 아날로그 광 측정 응용에 매우 중요합니다.

3.4 단자 커패시턴스 대 역방향 전압

접합 커패시턴스(C_t)는 역방향 바이어스 전압이 증가함에 따라 감소합니다. 이는 PN 접합의 기본적인 특성입니다. 설계자는 더 높은 바이어스 전압을 사용하여 커패시턴스를 줄이고, 따라서 대역폭과 응답 속도를 향상시킬 수 있습니다. 단, 암전류가 약간 증가하는 트레이드오프가 있습니다.

3.5 응답 시간 대 부하 저항

이 곡선은 상승/하강 시간이 외부 부하 저항(R_L)의 값에 어떻게 영향을 받는지 보여줍니다. 더 작은 R_L은 일반적으로 더 빠른 응답을 가져오지만 더 작은 출력 전압 스윙을 생성합니다. 이 그래프는 회로 설계에서 속도-진폭 트레이드오프를 최적화하는 데 도움이 됩니다.

3.6 소비 전력 대 주변 온도

주변 온도가 증가함에 따라 허용 가능한 최대 소비 전력의 디레이팅을 보여줍니다. 25°C 이상의 온도에서는 소자가 전체 150mW를 소산할 수 없으며, 최대 접합 온도에서 최대 전력이 선형적으로 0으로 감소해야 합니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 패키지 치수

PD438C/S46은 공칭 직경 4.8mm의 원통형 사이드뷰 플라스틱 패키지에 포장되어 있습니다. 치수 도면은 본체 직경, 길이, 리드 간격 및 리드 직경을 지정합니다. 중요한 참고 사항으로, 도면에 별도로 명시되지 않는 한 모든 치수 허용 오차는 ±0.25mm입니다. 사이드뷰 구성은 광 경로가 PCB 표면과 평행한 응용 분야에 이상적입니다.

4.2 극성 식별

극성은 일반적으로 패키지 또는 도면에 표시됩니다. 포토다이오드의 경우, 역방향 바이어스(광전도 모드)로 동작할 때 캐소드는 일반적으로 양의 공급 전압에 연결되고, 애노드는 회로 접지 또는 트랜스임피던스 증폭기의 입력에 연결됩니다. 올바른 극성은 정상적인 동작에 필수적입니다.

5. 납땜 및 조립 지침

이 소자는 표준 표면 실장 조립 공정에 적합합니다.

• 리플로우 납땜:권장 최대 납땜 온도는 260°C입니다. 소자 리드가 이 최고 온도 이상에 노출되는 시간은 5초를 초과하지 않아야 합니다. 이는 일반적인 무연 리플로우 프로파일(예: IPC/JEDEC J-STD-020)과 일치합니다.
• 핸드 납땜:핸드 납땜이 필요한 경우, 온도 조절 납땜 인두를 사용해야 합니다. 민감한 반도체 다이로의 과도한 열 전달을 방지하기 위해 리드당 접촉 시간을 최소화해야 합니다.
• 세척:표준 PCB 세척 공정을 사용할 수 있지만, 세척제와 플라스틱 패키지 재료의 호환성을 확인해야 합니다.
• 보관 조건:소자는 리드의 산화와 패키지의 수분 흡수를 방지하기 위해 원래의 방습 백에 -40°C ~ +100°C의 온도와 낮은 습도에서 보관해야 합니다.

6. 포장 및 주문 정보

6.1 포장 사양

표준 포장 흐름은 다음과 같습니다: 500개가 한 봉지에 포장됩니다. 그런 다음 5개의 봉지가 하나의 내부 카톤에 들어갑니다. 마지막으로, 10개의 내부 카톤이 하나의 마스터(외부) 카톤에 포장됩니다. 이는 마스터 카톤당 총 25,000개에 해당합니다.

6.2 라벨 사양

포장의 라벨에는 추적성과 식별을 위한 주요 정보가 포함됩니다:

• CPN:고객의 제품 번호(할당된 경우).
• P/N:제조사의 제품 번호(예: PD438C/S46).
• QTY:포장 내 소자의 수량.
• CAT, HUE, REF:각각 광도 등급, 주 파장 등급, 순방향 전압 등급을 나타내는 코드로, 성능 빈닝을 나타냅니다.
• LOT No:추적성을 위한 제조 로트 번호.
• REF:라벨을 식별하기 위한 참조 번호.

7. 응용 제안

7.1 대표적인 응용 시나리오

• 고속 광 검출기:50ns 응답 시간이 주요 장점인 광 데이터 링크, 인코더 및 펄스 검출에 이상적입니다.
• 카메라 응용:자동 초점 시스템, 노출 측정 또는 IR 존재 감지기로 사용할 수 있습니다.
• 광전 스위치:물체 감지, 슬롯 센서 및 리미트 스위치에 사용됩니다. 통합 IR 필터는 주변광 간섭을 제거하는 데 도움이 됩니다.
• VCR 및 비디오 카메라:과거에는 테이프 카운터 센서, 리모컨 수신기 또는 기타 내부 광학 감지 기능에 사용되었습니다.

7.2 설계 시 고려사항

• 바이어스 전압:고속 및 선형 동작을 위해 광전도 모드(역방향 바이어스 적용)에서 동작하는 것이 권장됩니다. 5V ~ 10V의 바이어스가 일반적이며, 속도(낮은 커패시턴스)와 잡음(낮은 암전류) 사이의 균형을 맞춥니다.
• 회로 토폴로지:최고의 속도와 선형성을 위해 트랜스임피던스 증폭기(TIA)를 사용하여 광전류를 전압으로 변환하십시오. TIA의 피드백 저항과 커패시터는 원하는 대역폭과 포토다이오드의 커패시턴스를 기반으로 선택해야 합니다.
• 광학 정렬:사이드뷰 패키지는 광원(종종 사이드뷰 IR LED이기도 함)과의 적절한 정렬을 보장하기 위해 신중한 기계적 설계가 필요합니다.
• 주변광 제거:에폭시가 IR 필터 역할을 하지만, 강한 IR 소스(예: 햇빛)가 있는 환경에서는 추가적인 광학 필터링 또는 변조/복조 기술이 필요할 수 있습니다.

8. 기술 비교 및 차별화

PD438C/S46은 동급에서 몇 가지 뚜렷한 장점을 제공합니다:

• 통합 IR 필터:별도의 필터가 필요한 많은 기본 포토다이오드와 달리, 패키지 에폭시는 빛을 걸러내도록 제형되어 조립을 단순화하고 부품 수를 줄입니다.
• 사이드뷰 패키지:4.8mm 원통형 사이드뷰 패키지는 광 경로가 PCB와 평행하게 진행되는 응용 분야에 최적화된 특정 폼 팩터로, 컴팩트하고 방향성이 있는 시야를 제공합니다.
• 균형 잡힌 성능:속도(50ns), 감도(1 mW/cm²에서 18 µA), 암전류(5 nA) 사이에서 좋은 균형을 제공하여 범용 IR 감지에 다목적으로 사용할 수 있는 선택지입니다.
• 견고한 정격:역방향 전압 정격 32V와 넓은 동작 온도 범위(-40°C ~ +85°C)를 갖추어 산업 및 자동차 환경(면책 조항에 따른 비안전 중요 응용 분야)에 적합합니다.

9. 자주 묻는 질문 (기술 파라미터 기반)

Q: 광전지 모드(제로 바이어스)와 광전도 모드(역방향 바이어스)에서 동작하는 것의 차이는 무엇인가요?

A: 광전지 모드(V_R=0V)에서는 포토다이오드가 자체 전압을 생성합니다(V_OC 참조). 매우 낮은 암전류를 가지지만 커패시턴스가 더 높고 응답이 더 느립니다. 광전도 모드(V_R 인가)는 공핍 영역을 넓혀 커패시턴스를 낮추고 응답 속도를 높입니다(t_r/t_f 참조). 단, 작고 일정한 암전류(I_d)가 발생하는 비용이 듭니다. 고속 검출에는 광전도 모드가 선호됩니다.

Q: "역방향 광전류(I_L)" 파라미터를 어떻게 해석해야 하나요?

A: 이는 회로 설계에 가장 유용한 파라미터입니다. 특정 광 조건(940nm에서 1 mW/cm²)과 5V 역방향 바이어스 하에서 일반적으로 18 µA의 광전류를 기대할 수 있음을 알려줍니다. 증폭기 회로는 이 전류 범위를 처리하도록 설계되어야 합니다. 최악의 경우 설계를 위해 최소값 10.2 µA가 중요합니다.

Q: 암전류가 중요한 이유는 무엇인가요?

A: 암전류는 빛이 없을 때 포토다이오드의 주요 잡음 원천입니다. 이는 감지 가능한 빛의 하한을 설정합니다. 더 낮은 암전류(이 소자의 경우 전형적 5 nA)는 센서가 더 희미한 빛 신호를 감지할 수 있음을 의미합니다. 암전류는 온도가 약 10°C 증가할 때마다 약 2배씩 증가한다는 점에 유의하십시오.

Q: 940nm 이외의 광원과 함께 사용할 수 있나요?

A: 예, 하지만 감도가 감소합니다. 분광 감도 곡선을 참조하십시오. 포토다이오드는 약 840nm에서 1100nm까지의 빛에 반응하지만, 파장이 940nm 피크 근처가 아니면 동일한 광 파워에 대한 출력 전류는 더 낮아집니다.

10. 실용적인 설계 및 사용 사례

사례: 자동 수도꼭지를 위한 IR 근접 센서 설계

1. 시스템 블록:IR LED(940nm 방출)와 PD438C/S46 포토다이오드가 반투명 창 뒤에 나란히 배치됩니다. LED는 펄스화됩니다. 물체가 없을 때는 대부분의 IR 빛이 분산됩니다. 손이 수도꼭지 근처에 놓이면 반사된 IR 빛이 포토다이오드로 들어갑니다.
2. 부품 선택 근거:PD438C/S46은 940nm 최대 감도가 LED와 일치하기 때문에 선택되었습니다. 패키지의 통합 IR 필터는 천장 조명에서 오는 주변 가시광을 제거하여 오작동을 줄이는 데 도움이 됩니다. 사이드뷰 패키지를 통해 발광기와 검출기 모두 PCB에 평평하게 장착하여 바깥쪽을 향할 수 있습니다.
3. 회로 설계:포토다이오드는 5V로 역방향 바이어스됩니다. 출력은 트랜스임피던스 증폭기에 연결됩니다. 증폭기의 이득(피드백 저항)은 예상되는 반사 신호(18 µA/mW/cm²의 일부)가 사용 가능한 전압을 생성하도록 설정됩니다. 증폭기 뒤의 비교기는 이 전압이 설정된 임계값을 초과할 때를 감지합니다.
4. 최적화:LED 펄스 주파수와 지속 시간은 주변광 깜빡임(예: 전원 조명의 100Hz)의 주파수 밖으로 선택됩니다. 시스템은 LED 펄스와 동기화된 신호만 찾아 우수한 노이즈 내성을 제공합니다.

11. 동작 원리 소개

PIN 포토다이오드는 P형 영역과 N형 영역 사이에 넓고 약하게 도핑된 본질(I) 영역이 끼워진 반도체 소자입니다. 반도체의 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 광자(실리콘의 경우 약 1100nm보다 짧은 파장)가 소자에 충돌하면 본질 영역에서 전자-정공 쌍을 생성할 수 있습니다. 내장 전기장(광전지 모드) 또는 인가된 역방향 바이어스 전기장(광전도 모드)의 영향 하에, 이들 전하 캐리어가 분리되어 입사광 강도에 비례하는 광전류를 생성합니다. PIN 구조의 넓은 본질 영역은 표준 PN 포토다이오드에 비해 접합 커패시턴스를 줄이고(더 빠른 응답 가능), 광자 흡수를 위한 부피를 증가시킵니다(감도 향상).

12. 기술 동향 및 배경

PD438C/S46과 같은 실리콘 PIN 포토다이오드는 근적외선 감지를 위한 성숙하고 신뢰할 수 있으며 비용 효율적인 솔루션입니다. 이 분야의 현재 동향은 다음과 같습니다:

• 통합화:포토다이오드, 증폭기, 때로는 LED 드라이버와 디지털 논리까지 단일 패키지 또는 칩(예: 옵토-ASIC)으로 결합하는 통합 솔루션으로의 이동.
• 소형화:모바일 기기와 같은 공간 제약이 있는 응용 분야를 위한 더 작은 표면 실장 패키지(예: 칩 스케일 패키지)의 포토다이오드 개발.
• 전문 재료:실리콘의 차단 파장(~1100nm)을 넘어서는 파장의 경우 InGaAs와 같은 재료가 사용됩니다. 그러나 실리콘은 낮은 비용과 우수한 제조 가능성으로 인해 가시광 및 근적외선 스펙트럼에서 여전히 지배적입니다.
• 향상된 성능:진행 중인 연구는 고급 도핑 프로파일과 소자 구조를 통해 커패시턴스와 암전류를 더욱 줄여 속도와 감도를 향상시키는 데 초점을 맞추고 있습니다.

PD438C/S46은 이 광범위한 기술 환경 내에서 잘 최적화된, 응용 특화 부품을 대표하며, 다양한 산업 및 소비자 IR 감지 작업에 대해 성능, 크기 및 비용의 실용적인 균형을 제공합니다.