JP2009058272A - 半導体温度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 温度に対する出力電圧の線形性がよい半導体温度センサを提供する。
【解決手段】 温度が高くなってＰＮＰ８〜９のベースでリーク電流が発生しても、ＰＮＰ１４のリーク電流補償電流により、ＰＮＰ７〜８のエミッタにそれぞれ流れ込む電流がリーク電流の影響を受けなくなるので、温度に対する出力電圧の線形性がよくなり、温度に対する半導体温度センサ１の精度がよくなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体温度センサに関する。
従来の半導体温度センサについて説明する。図３は、従来の半導体温度センサを示す回路図である。
ＰＮＰバイポーラトランジスタ（ＰＮＰ）２０２〜２０４がダーリントン接続している。
定電流がＰＮＰ２０２〜２０４のエミッタにそれぞれ供給される。これらの定電流及び温度に基づき、ＰＮＰ２０２〜２０４のベース−エミッタ間電圧ＶBEの和である出力電圧が出力される（例えば、特許文献１参照）。
次に、半導体温度センサのＰＮＰ２０２〜２０４の断面構造について説明する。図４は、半導体温度センサのＰＮＰを示す断面図である。
ＰＮＰ２０２〜２０４は、Ｐ−シリコン基板１０２、Ｎ拡散層１０３、Ｐ＋拡散層１０４、Ｎ＋拡散層１０５、Ｐ＋拡散層１０６、中間絶縁層１０７、コレクタ電極１０８、エミッタ電極１０９及びベース電極１１０を有している。
Ｎ拡散層１０３及びＮ＋拡散層１０５はベース領域であり、Ｐ＋拡散層１０４はエミッタ領域であり、Ｐ−シリコン基板１０２及びＰ＋拡散層１０６はコレクタ領域である。
特許第３１２８０１３号公報
しかし、温度が高くなると、Ｎ拡散層１０３とＰ−シリコン基板１０２との接合面でリーク電流が発生してしまう。つまり、ＰＮＰ２０３〜２０４のベースでリーク電流（ＰＮＰ２０３〜２０４のベース−コレクタ間のリーク電流）が発生してしまう。すると、これらのリーク電流はＰＮＰ２０２〜２０３のエミッタに流れる定電流の一部であり、その分、ＰＮＰ２０２〜２０３のエミッタ電流が少なくなってしまう。よって、その分、ＰＮＰ２０２〜２０３のベース・エミッタ間電圧ＶBEも低くなってしまうので、温度に対する出力電圧の線形性が悪くなってしまう。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、温度に対する出力電圧の線形性がよい半導体温度センサを提供する。
本発明は、上記課題を解決するため、半導体温度センサにおいて、定電流を流す定電流回路と、カレントミラー接続している複数の第一トランジスタを有し、前記定電流に基づいた電流をダーリントン回路の複数の第一バイポーラトランジスタのエミッタにそれぞれ供給する第一カレントミラー回路と、ダーリントン接続している前記複数の第一バイポーラトランジスタを有し、前記定電流及び温度に基づいて出力電圧を出力し、前記温度に基づいて前記第一バイポーラトランジスタのベースでリーク電流が発生する前記ダーリントン回路と、第二バイポーラトランジスタを有し、前記リーク電流に基づいて前記第二バイポーラトランジスタのベースにリーク電流補償電流を流すリーク電流補償回路と、カレントミラー接続している複数の第二トランジスタを有し、前記リーク電流補償電流に基づいた電流を前記複数の第一バイポーラトランジスタのベースにそれぞれ供給する第二カレントミラー回路と、を備えていることを特徴とする半導体温度センサを提供する。
本発明では、温度が高くなって第一バイポーラトランジスタのベースでリーク電流が発生しても、第二バイポーラトランジスタのリーク電流補償電流により、第一バイポーラトランジスタのエミッタに流れ込む電流がリーク電流の影響を受けなくなるので、温度に対する出力電圧の線形性がよくなり、温度に対する半導体温度センサの精度がよくなる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
［概要］
まず、半導体温度センサの概要の構成について説明する。図１は、半導体温度センサを示すブロック図である。
半導体温度センサ１は、定電流回路３、カレントミラー回路４、ダーリントン回路２、リーク電流補償回路５及びカレントミラー回路６を備えている。定電流回路３は、カレントミラー回路４を介し、ダーリントン回路２に接続されている。リーク電流補償回路５は、カレントミラー回路６を介し、ダーリントン回路２に接続されている。
カレントミラー回路４は複数の第一ＭＯＳトランジスタ（図示せず）を有し、複数の第一ＭＯＳトランジスタはカレントミラー接続している。複数の第一ＭＯＳトランジスタのサイズは同一になっている。カレントミラー回路６は複数の第二ＭＯＳトランジスタ（図示せず）を有し、複数の第二ＭＯＳトランジスタはカレントミラー接続している。複数の第二ＭＯＳトランジスタのサイズは同一になっている。ダーリントン回路２は複数の第一バイポーラトランジスタ（図示せず）を有し、複数の第一バイポーラトランジスタはダーリントン接続している。複数の第一バイポーラトランジスタのサイズは同一になっている。リーク電流補償回路５は、第二バイポーラトランジスタ（図示せず）を有している。
ダーリントン回路２の第一バイポーラトランジスタ及びリーク電流補償回路５の第二バイポーラトランジスタは、同一の半導体基板上に形成され、特性が等しくなるようマスクレイアウト上近接配置されている。
次に、半導体温度センサの概要の動作について説明する。
定電流回路３は、定電流を流す。カレントミラー回路４は、任意のカレントミラー比により、定電流回路３の定電流に基づいた電流をダーリントン回路２の複数の第一バイポーラトランジスタのエミッタにそれぞれ供給する。ダーリントン回路２は、定電流回路３の定電流及び温度に基づき、複数の第一バイポーラトランジスタのベース−エミッタ間電圧ＶBEの和である出力電圧を出力する。
また、温度が高くなると、温度に基づき、ダーリントン回路２の第一バイポーラトランジスタのベースでリーク電流（第一バイポーラトランジスタのベース−コレクタ間のリーク電流）が発生する。リーク電流補償回路５の第二バイポーラトランジスタは、そのリーク電流に基づき、ベースにリーク電流補償電流を流す。カレントミラー回路６は、任意のカレントミラー比により、そのリーク電流補償電流に基づいた電流をダーリントン回路２の複数の第一バイポーラトランジスタのベースにそれぞれ供給する。つまり、リーク電流補償回路５及びカレントミラー回路６は、共同し、ダーリントン回路２の第一バイポーラトランジスタのベースで発生するリーク電流とほぼ等しい電流をダーリントン回路２の第一バイポーラトランジスタのベースに供給する。
ここで、リーク電流補償電流に基づいてダーリントン回路２の第一バイポーラトランジスタのベースに供給される電流は、ダーリントン回路２の第一バイポーラトランジスタとリーク電流補償回路５の第二バイポーラトランジスタとのエミッタ面積比及びカレントミラー回路６のカレントミラー比に基づき、決まる。
［実施形態］
次に、半導体温度センサ１の詳細な構成について説明する。図２は、半導体温度センサを示す回路図である。
半導体温度センサ１は、定電流回路３、ＰＭＯＳトランジスタ（ＰＭＯＳ）１０〜１３、ＰＮＰバイポーラトランジスタ（ＰＮＰ）７〜９、ＰＮＰ１４及びＰＭＯＳ１５〜１７を備えている。定電流回路３の一端はＰＭＯＳ１０のゲート及びドレインに接続され、他端は接地端子に接続されている。ＰＭＯＳ１０のソースは電源端子に接続されている。ＰＭＯＳ１１のゲートはＰＭＯＳ１０のゲートに接続され、ソースは電源端子に接続され、ドレインはＰＮＰ７のエミッタに接続されている。ＰＭＯＳ１２のゲートはＰＭＯＳ１０のゲートに接続され、ソースは電源端子に接続され、ドレインはＰＮＰ８のエミッタに接続されている。ＰＭＯＳ１３のゲートはＰＭＯＳ１０のゲートに接続され、ソースは電源端子に接続され、ドレインはＰＮＰ９のエミッタに接続されている。つまり、ＰＭＯＳ１０〜１３は、カレントミラー接続している。ＰＮＰ７のベース及びコレクタは接地端子に接続されている。ＰＮＰ８のベースはＰＮＰ７のエミッタに接続され、コレクタは接地端子に接続されている。ＰＮＰ９のベースはＰＮＰ８のエミッタに接続され、コレクタは接地端子に接続されている。つまり、ＰＮＰ７〜９は、ダーリントン接続している。ＰＮＰ１４のエミッタはオープンであり、コレクタは接地端子に接続されている。ＰＭＯＳ１５のゲート及びドレインはＰＮＰ１４のベースに接続され、ソースは電源端子に接続されている。ＰＭＯＳ１６のゲートはＰＭＯＳ１５のゲートに接続され、ソースは電源端子に接続され、ドレインはＰＮＰ８のベースに接続されている。ＰＭＯＳ１７のゲートはＰＭＯＳ１５のゲートに接続され、ソースは電源端子に接続され、ドレインはＰＮＰ９のベースに接続されている。つまり、ＰＭＯＳ１５〜１７は、カレントミラー接続している。
ＰＮＰ７〜９及びＰＮＰ１４は、同一の半導体基板上に形成され、特性が等しくなるようマスクレイアウト上近接配置されている。
ここで、ＰＭＯＳ１０〜１３はカレントミラー回路４に相当し、ＰＮＰ７〜９はダーリントン回路２に相当し、ＰＮＰ１４はリーク電流補償回路５に相当し、ＰＭＯＳ１５〜１７はカレントミラー回路６に相当している。
次に、半導体温度センサ１の詳細な動作について説明する。
ここで、ＰＮＰ７〜９とＰＮＰ１４とのエミッタ面積は同一であり、ＰＭＯＳ１０〜１３のカレントラー比は１：１：１：１であり、ＰＭＯＳ１５〜１７のカレントラー比は１：１：１であるとする。
定電流回路３は、定電流を流す。ＭＯＳ１１〜１３は、定電流回路３の定電流と等しい電流をＰＮＰ７〜９のエミッタにそれぞれ供給する。これらの定電流及び温度に基づき、ＰＮＰ９のエミッタは、ＰＮＰ７〜９のベース−エミッタ間電圧ＶBEの和である出力電圧を出力する。
また、温度が高くなると（例えば、温度が１３０℃になると）、温度に基づき、ＰＮＰ８〜９のベースでリーク電流（ＰＮＰ８〜９のベース−コレクタ間のリーク電流）が発生する。ＰＮＰ１４は、ベースにそのリーク電流とほぼ等しいリーク電流補償電流を流し、リーク電流補償電流をＭＯＳ１５のドレインに流す。ＭＯＳ１６〜１７は、そのリーク電流補償電流と等しい電流をそれぞれのドレイン電流としてＰＮＰ８〜９のベース（ＰＮＰ７のエミッタとＰＮＰ８のベースとの接合部、及び、ＰＮＰ８のエミッタとＰＮＰ９のベースとの接合部）にそれぞれ供給する。つまり、ＰＮＰ１４及びＭＯＳ１５〜１７は、共同し、ＰＮＰ８〜９のベースで発生するリーク電流とほぼ等しい電流をＰＮＰ８〜９のベースに供給する。
ここで、リーク電流補償電流に基づいてＰＮＰ８〜９のベースに供給される電流は、ＰＮＰ７〜９とＰＮＰ１４とのエミッタ面積比及びＰＭＯＳ１５〜１７のカレントミラー比に基づき、決まる。
このようにすると、温度が高くなってＰＮＰ８〜９のベースでリーク電流が発生しても、ＰＮＰ１４のリーク電流補償電流により、ＰＮＰ７〜８のエミッタにそれぞれ流れ込む電流がリーク電流の影響を受けなくなるので、温度に対する出力電圧の線形性がよくなり、温度に対する半導体温度センサ１の精度がよくなる。
なお、例えば、定電流回路３は、デプレッションＮＭＯＳトランジスタ（図示せず）を有している。このデプレッションＮＭＯＳトランジスタのゲート及びソースは接地端子に接続され、ドレインはＰＭＯＳ１０のドレインに接続されている。
また、上記の説明では、ＰＮＰ１４のエミッタはオープンであるが、ベース−エミッタ間のベース電流がベース−コレクタ間のリーク電流補償電流よりも十分小さくなるようなエミッタ電圧がＰＮＰ１４のエミッタに印加されればよく、ＰＮＰ１４のエミッタが接地端子に接続されてもよい。前者の時も後者の時も、ベース−コレクタ間にリーク電流補償電流が流れる。
また、上記の説明では、ＰＮＰ７〜９とＰＮＰ１４とのエミッタ面積は同一であってＰＭＯＳ１５〜１７のカレントラー比は１：１：１であるとしたが、ＰＮＰ８〜９のベースで発生するリーク電流とＰＭＯＳ１６〜１７のドレイン電流とがそれぞれ等しければよく、前述のエミッタ面積は同一でなくてもよくて前述のカレントミラー比も１：１：１でなくてもよい。この時、例えば、ＰＮＰ８〜９よりもＰＮＰ１４のエミッタ面積が小さいと、その分、ＰＭＯＳ１５よりもＰＭＯＳ１６〜１７のドライブ能力が大きくなる。
半導体温度センサを示すブロック図である。 半導体温度センサを示す回路図である。 従来の半導体温度センサを示す回路図である。 半導体温度センサのＰＮＰを示す断面図である。
符号の説明
１ 半導体温度センサ ２ ダーリントン回路
３ 定電流回路 ４ カレントミラー回路
５ リーク電流補償回路 ６ カレントミラー回路
７〜９、１４ ＰＮＰ １０〜１３、１５〜１７ ＰＭＯＳ

Claims (4)

  1. 半導体温度センサにおいて、
    定電流を流す定電流回路と、
    カレントミラー接続している複数の第一トランジスタを有し、前記定電流に基づいた電流をダーリントン回路の複数の第一バイポーラトランジスタのエミッタにそれぞれ供給する第一カレントミラー回路と、
    ダーリントン接続している前記複数の第一バイポーラトランジスタを有し、前記定電流及び温度に基づいて出力電圧を出力し、前記温度に基づいて前記第一バイポーラトランジスタのベースでリーク電流が発生する前記ダーリントン回路と、
    第二バイポーラトランジスタを有し、前記リーク電流に基づいて前記第二バイポーラトランジスタのベースにリーク電流補償電流を流すリーク電流補償回路と、
    カレントミラー接続している複数の第二トランジスタを有し、前記リーク電流補償電流に基づいた電流を前記複数の第一バイポーラトランジスタのベースにそれぞれ供給する第二カレントミラー回路と、
    を備えていることを特徴とする半導体温度センサ。
  2. 前記複数の第一バイポーラトランジスタ及び前記第二バイポーラトランジスタは、同一の半導体基板上に形成され、マスクレイアウト上近接配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体温度センサ。
  3. 前記第二バイポーラトランジスタは、ベースが前記第二カレントミラー回路の入力端子に設けられ、エミッタがオープンであり、コレクタが接地端子に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体温度センサ。
  4. 前記第二バイポーラトランジスタは、ベースが前記第二カレントミラー回路の入力端子に設けられ、エミッタ及びコレクタが接地端子に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体温度センサ。
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