PD15-21B/TR8 실리콘 PIN 포토다이오드 데이터시트 - 1206 패키지 (1.6x0.8x0.55mm) - 스펙트럼 범위 730-1100nm - 피크 940nm - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

PD15-21B/TR8는 초소형 표면 실장 장치(SMD) 패키지에 담긴 고성능 실리콘 PIN 포토다이오드입니다. 이 부품은 적외선 스펙트럼 내 감지 응용 분야를 위해 특별히 설계되었으며, 광학 감지가 필요한 현대 전자 설계를 위한 컴팩트하고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다.

1.1 핵심 장점 및 제품 포지셔닝

이 장치는 정밀 감지에 필수적인 몇 가지 주요 이점을 제공하도록 설계되었습니다. 특징으로는빠른 응답 시간이 있어, 광 강도의 급격한 변화를 감지할 수 있으며, 이는 계수, 분류 및 위치 감지와 같은 응용 분야에 매우 중요합니다.높은 광 감도는 낮은 조도 조건에서도 신뢰할 수 있는 신호 감지를 보장합니다. 또한,작은 접합 커패시턴스는 고속 성능에 기여합니다. 제품은 자동화 조립 공정을 용이하게 하기 위해 7인치 직경 릴에 8mm 테이프로 공급됩니다. 무연, RoHS 준수, EU REACH 준수, 할로겐 프리(브롬 <900 ppm, 염소 <900 ppm, 합계 <1500 ppm)로 환경 규정을 완전히 준수합니다.

1.2 목표 시장 및 응용 분야

주요 목표 시장은 산업 자동화, 소비자 가전 및 안전 시스템을 포함합니다. 초소형 크기와 SMD 형식은 공간이 제한된 응용 분야에 이상적입니다. 일반적인 사용 사례는 다음과 같습니다:

• 초소형 광학 스위치:물체 감지, 프린터의 용지 감지 및 슬롯 센서에 사용됩니다.
• 카운터 및 소터:부품의 유무 감지를 기반으로 조립 라인에서 부품 계수 및 분류에 사용됩니다.
• 위치 센서:에지 감지, 리밋 스위칭 및 로터리 인코더 시스템에 활용됩니다.
• 적외선 응용 시스템:데이터 전송, 근접 감지 및 주변광 감지를 위해 적외선 발광 다이오드(IrED)를 사용하는 시스템의 필수 구성 요소입니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

장치의 사양을 철저히 이해하는 것은 적절한 회로 설계 및 시스템 통합에 매우 중요합니다.

2.1 절대 최대 정격

이 정격은 장치에 영구적인 손상이 발생할 수 있는 한계를 정의합니다. 이 한계에서 또는 그 근처에서 장치를 지속적으로 작동하는 것은 권장되지 않습니다.

• 역전압 (V_R):32 V. 이는 포토다이오드 단자에 역바이어스로 인가할 수 있는 최대 전압입니다.
• 동작 온도 (T_opr):-25°C ~ +85°C. 신뢰할 수 있는 동작을 위한 주변 온도 범위입니다.
• 보관 온도 (T_stg):-40°C ~ +85°C. 비동작 상태 보관을 위한 온도 범위입니다.
• 솔더링 온도 (T_sol):최대 5초 동안 260°C. 이는 피크 리플로우 프로파일 온도를 정의합니다.
• 전력 소산 (P_d):자유 공기 온도 25°C 이하에서 150 mW. 이는 장치가 안전하게 처리할 수 있는 총 전기 전력을 제한합니다.

2.2 전기-광학 특성

표준 온도 25°C에서 측정된 이 파라미터들은 포토다이오드의 핵심 감지 성능을 정의합니다.

• 스펙트럼 대역폭 (λ_0.5):730 nm ~ 1100 nm. 이는 포토다이오드의 응답성이 피크 값의 절반 이상인 파장 범위입니다. 근적외선에 대한 감도를 나타냅니다.
• 피크 감도 파장 (λ_P):940 nm (일반값). 이 장치는 이 파장에서 작동하는 일반적인 적외선 발광 다이오드(IrED)와 스펙트럼적으로 매칭되어 시스템 효율을 극대화합니다.
• 단락 전류 (I_SC):940 nm에서 조사도(E_e) 1 mW/cm² 조건에서 0.8 μA (일반값). 이는 포토다이오드가 광전압 모드(제로 바이어스)로 동작할 때 생성되는 광전류입니다.
• 역 광전류 (I_L):940 nm에서 조사도 1 mW/cm², 역바이어스 전압(V_R) 5V 조건에서 0.2 μA (최소) ~ 0.8 μA (일반값). 이 파라미터는 속도와 선형성을 개선하기 위해 외부 역바이어스가 인가되는 광전도 모드 동작과 관련이 있습니다.
• 암전류 (I_D):완전한 암조건(E_R=0)에서 V_e=10V일 때 10 nA (최대). 이는 빛이 없을 때도 흐르는 작은 누설 전류입니다. 낮은 암전류는 특히 저조도 응용 분야에서 좋은 신호 대 잡음비에 필수적입니다.
• 역 항복 전압 (BV_R):역전류 100 μA에서 측정 시 32 V (최소), 170 V (일반값). 이는 매우 높은 항복 전압을 나타내며, 32V의 절대 최대 정격 아래에서 넓은 동작 마진을 제공합니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트는 주요 파라미터가 동작 조건에 따라 어떻게 변하는지 보여주는 여러 특성 곡선을 제공합니다.

3.1 전력 감액

그림 1: 전력 소산 대 주변 온도는 주변 온도가 25°C 이상으로 증가함에 따라 허용 가능한 최대 전력 소산이 어떻게 감소하는지 보여줍니다. 설계자는 열 과부하를 방지하기 위해 이에 따라 전력을 감액해야 합니다.

3.2 스펙트럼 응답

그림 2: 스펙트럼 감도는 포토다이오드의 전체 광 스펙트럼에 걸친 상대 응답성을 그래픽으로 묘사하여 940 nm에서의 피크와 정의된 730-1100 nm 대역폭을 확인시켜 줍니다.

3.3 온도 의존성

그림 3: 암전류 대 주변 온도는 암전류가 온도가 10°C 상승할 때마다 약 2배씩 증가함을 보여줍니다. 이는 기본적인 반도체 특성이며, 고온 또는 정밀 응용 분야에서 고려해야 합니다.그림 4: 역 광전류 대 조사도 (E_e)는 입사광 전력과 생성된 광전류 사이의 선형 관계를 보여주며, 이는 PIN 포토다이오드의 핵심 특성입니다.

3.4 각도 응답

그림 5: 상대 복사 강도 대 각도 변위는 장치의 방향 감도를 보여줍니다. 구형 렌즈가 있는 검정색 에폭시 패키지는 특정 시야각을 제공하며, 이는 시스템 설계에서 포토다이오드가 광원과 어떻게 정렬되어야 하는지에 영향을 미칩니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 패키지 치수

이 장치는 표준 1206 (3216 미터법) SMD 풋프린트를 따릅니다: 길이 약 1.6mm, 너비 약 0.8mm, 높이 약 0.55mm (렌즈 돔 제외). PCB 랜드 패턴 설계를 위한 ±0.1mm 공차를 가진 상세 치수 도면이 제공됩니다. 참고용으로 제안된 패드 레이아웃이 제공되지만, 설계자는 특정 PCB 제조 공정 및 열 요구 사항에 따라 이를 수정하는 것이 좋습니다.

4.2 극성 식별

포토다이오드는 검정색 에폭시로 성형되었습니다. 캐소드 단자는 일반적으로 패키지 외형도에 표시되거나 식별됩니다. 역바이어스(광전도) 모드에서 올바른 동작을 위해서는 정확한 극성 연결이 필수적입니다.

5. 솔더링 및 조립 지침

적절한 처리는 장치의 신뢰성과 성능을 유지하는 데 매우 중요합니다.

5.1 보관 및 습기 민감도

이 장치는 습기에 민감합니다. 사용 준비가 될 때까지 습기 차단 백을 열지 마십시오. 개봉 후, 10-30°C 및 ≤60% RH 조건에서 보관 시 "플로어 라이프"는 168시간(7일)입니다. 사용하지 않은 장치는 건조제와 함께 다시 포장해야 합니다. 플로어 라이프를 초과하거나 건조제가 습기 흡수를 나타내는 경우, 사용 전 60°C ±5°C 및 <5% RH 조건에서 96시간 동안 베이킹이 필요합니다.

5.2 리플로우 솔더링

피크 온도 260°C, 최대 5초의 무연 솔더 온도 프로파일을 권장합니다. 리플로우 솔더링은 두 번 이상 수행해서는 안 됩니다. 가열 중 부품 본체에 가해지는 응력과 솔더링 후 PCB의 뒤틀림을 피해야 합니다.

5.3 핸드 솔더링 및 리워크

핸드 솔더링이 필요한 경우, 팁 온도 350°C 미만, 용량 25W 이하의 솔더링 아이언을 사용하십시오. 단자당 접촉 시간은 3초 미만이어야 하며, 각 단자를 솔더링하는 사이에는 2초 이상의 간격을 두어야 합니다. 리워크는 강력히 권장하지 않습니다. 불가피한 경우, 두 단자를 동시에 가열하기 위해 특수한 더블 헤드 솔더링 아이언을 사용해야 하며, 장치 특성에 미치는 영향을 사전에 확인해야 합니다.

6. 포장 및 주문 정보

6.1 테이프 및 릴 사양

제품은 7인치(178mm) 직경 릴에 8mm 너비의 엠보싱 캐리어 테이프로 공급됩니다. 각 릴에는 2000개가 들어 있습니다. 자동 픽 앤 플레이스 장비와의 호환성을 보장하기 위해 상세한 캐리어 테이프 및 릴 치수가 제공됩니다.

6.2 라벨 사양

릴 라벨에는 고객 부품 번호(CPN), 제조사 부품 번호(P/N), 로트 번호, 수량, 피크 파장(HUE), 등급(CAT), 참조(REF), 습기 민감도 등급(MSL-X) 및 제조국과 같은 표준 정보가 포함됩니다.

7. 응용 설계 고려 사항

7.1 회로 보호

중요 참고:데이터시트는 외부 전류 제한 저항이반드시포토다이오드와 직렬로 사용되어야 한다고 명시적으로 경고합니다. 이 저항이 없으면 약간의 전압 변화로 인해 큰 전류 변화가 발생하여 장치가 즉시 소손될 수 있습니다. 저항 값은 공급 전압과 예상 최대 광전류를 기반으로 계산해야 합니다.

7.2 바이어스 모드

포토다이오드는 두 가지 주요 모드로 사용될 수 있습니다:

1. 광전압(제로 바이어스) 모드:외부 바이어스 없이 조명을 받으면 포토다이오드가 전압/전류를 생성합니다. 이 모드는 매우 낮은 암전류와 잡음을 제공하지만 응답 시간이 느립니다.
2. 광전도(역바이어스) 모드:외부 역전압이 인가됩니다(예: 테스트 조건과 같이 5V). 이는 공핍 영역을 넓혀 접합 커패시턴스를 감소시켜 속도와 대역폭을 증가시킵니다. 또한 선형성을 개선하지만 암전류는 증가시킵니다.

선택은 응용 분야의 속도 대 잡음 성능 요구 사항에 따라 달라집니다.

7.3 증폭기와의 인터페이싱

작은 광전류(μA 범위)를 증폭하기 위해 트랜스임피던스 증폭기(TIA) 회로가 일반적으로 사용됩니다. 이 회로는 포토다이오드 전류를 비례하는 출력 전압으로 변환합니다. TIA에 대한 주요 설계 고려 사항으로는 낮은 입력 바이어스 전류와 낮은 잡음을 가진 연산 증폭기 선택, 원하는 이득과 대역폭을 유지하면서 안정성을 유지하기 위한 피드백 저항 및 커패시터 계산이 포함됩니다.

8. 기술 비교 및 차별화

포토트랜지스터와 비교하여, 이 실리콘 PIN 포토다이오드는 커패시턴스를 감소시키는 내재 영역 덕분에 우수한 속도와 선형성을 제공합니다. 그 응답은 전류 이득을 가지며 더 느리고 덜 선형적일 수 있는 포토트랜지스터와 달리 입사광에 순수하게 의존합니다. 다른 포토다이오드와 비교하여, 1206 패키지는 소형화와 취급/조립 용이성 사이의 좋은 균형을 제공하며, 높은 항복 전압과 940nm IrED에 대한 특정 스펙트럼 매칭은 목표한 적외선 감지 응용 분야에 있어 뚜렷한 장점입니다.

9. 자주 묻는 질문 (FAQ)

9.1 I_SC와 I_L?

I_SC(단락 전류)는 다이오드 양단 전압이 0V일 때(광전압 모드) 측정됩니다. I_L(역 광전류)는 인가된 역바이어스 전압(광전도 모드)에서 측정됩니다. PIN 포토다이오드의 경우 I_L는 일반적으로 I_SC와 매우 가깝습니다.

9.2 직렬 저항이 왜 필수인가요?

포토다이오드는 조명을 받으면 기본적으로 전류원으로 작동합니다. 직렬 저항 없이 전압원에 직접 연결되면 전류를 제한할 메커니즘이 없어 과도한 전력 소산과 즉각적인 고장으로 이어집니다.

9.3 동작 역전압은 어떻게 선택하나요?

광전도 모드의 경우, 5V와 32V 최대 정격 아래 안전한 값 사이의 역전압을 사용할 수 있습니다. 더 높은 역바이어스는 커패시턴스를 더욱 감소시켜(속도 증가) 속도를 높이지만 암전류도 약간 증가시킵니다. 일반적인 동작점은 5V 또는 12V입니다.

10. 설계 및 사용 사례 연구

사례: 컨베이어 벨트에서의 물체 계수

적외선 LED(940nm)는 컨베이어 한쪽에 배치되고, PD15-21B/TR8 포토다이오드는 정반대편에 배치됩니다. 그 사이를 지나가는 물체가 적외선 빔을 차단합니다. 포토다이오드는 보호를 위해 10kΩ 직렬 저항을 통해 공급되는 5V 역바이어스로 광전도 모드에서 동작합니다. 부하 저항 양단의 전압 강하(또는 포토다이오드에 연결된 트랜스임피던스 증폭기의 출력)는 마이크로컨트롤러에 의해 모니터링됩니다. 이 전압의 급격한 하강은 물체의 존재를 나타내며, 계수를 트리거합니다. 포토다이오드의 빠른 응답 시간은 고속으로 이동하는 물체의 정확한 계수를 가능하게 합니다. 작은 1206 패키지는 컴팩트한 센서 헤드로의 통합을 용이하게 합니다.

11. 동작 원리

PIN 포토다이오드는 P형과 N형 영역 사이에 넓고 약하게 도핑된 내재(I) 영역을 가진 반도체 장치입니다. 반도체의 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 광자가 장치에 충격을 가하면, 내재 영역에서 전자-정공 쌍을 생성합니다. 내장 전기장(또는 외부에서 인가된 역바이어스)의 영향으로, 이들 전하 캐리어가 분리되어 입사광 강도에 비례하는 광전류를 생성합니다. 내재 영역은 접합 커패시턴스를 감소시켜 표준 PN 포토다이오드에 비해 더 빠른 응답 시간을 가능하게 합니다.

12. 산업 동향

광전자 공학의 동향은 더욱 소형화, 고집적화 및 향상된 성능을 지속적으로 추구하고 있습니다. 소비자 가전(스마트폰, 웨어러블), 자동차(LiDAR, 운전자 모니터링) 및 산업 IoT에서 센서에 대한 수요가 증가하고 있습니다. PD15-21B/TR8과 같이 성능, 크기 및 비용의 균형을 제공하는 포토다이오드는 이러한 시장에 잘 적합합니다. 향후 발전에는 온칩 증폭 및 디지털 인터페이스가 통합된 포토다이오드와 스펙트럼 분석 응용 분야를 위한 특정 파장에 민감한 장치가 포함될 수 있습니다.

면책 조항: 본 문서에 제공된 정보는 기술 참고용입니다. 설계자는 모든 파라미터를 확인하고 응용 분야가 지정된 절대 최대 정격 내에서 작동하도록 해야 합니다. 성능은 동작 조건에 따라 달라질 수 있습니다.