JPS5947467B2 - 温度センサ−用半導体素子 - Google Patents

温度センサ−用半導体素子

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JPS5947467B2 JP56137408A JP13740881A JPS5947467B2 JP S5947467 B2 JPS5947467 B2 JP S5947467B2 JP 56137408 A JP56137408 A JP 56137408A JP 13740881 A JP13740881 A JP 13740881A JP S5947467 B2 JPS5947467 B2 JP S5947467B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高い温度感度を有し、歩留まりのよい磁度セン
サー用半導体素子に関するものである。
従来より偏度を同らかの形で電気信号に変換できるトラ
ンスデユサ、つまシ温度センサーとしての役割は益々高
範囲に渡り、需要も急増の一途をたどつている。例えば
日常生活の中でのエア、コンディショナ（温風器）、ク
ーラ−）、冷蔵庫、電気ごたつ、電気毛布、さらに電子
レンジ、電気オープンなどの家庭用電気製品はその一部
である。接触型稠度センサーの主なものとしては、バイ
メタル、サーミスタ、Ｐ−ｎ接合半導体、測温抵抗体、
熱電対、液体温度センサー、ｎ−Ｐ接合トランジスタ等
が用いられている。特に集積回路化が容易で量産性に優
れたセンサーとしてはＰ−ｎ接合半導体が有力であり、
その一例として我々は第１図に示すような構成の温度セ
ンサーＩＣを使用している。
ここでは集積化のため、ｎ型基板シリコンを用いた例に
ついて説明する。接合トランジスタ１に定電流（例えば
０、ｌｐＡ程度）を流す電流回路２を接続すれば、接合
トランジスタ１のベース・エミッタ間電圧を温度検出電
圧りｏｕｔとした温度センサーを構成する。
伺、第１図中、３は電源電圧の変動に対して出力電圧一
定の定電圧回路を含んだ電源回路である。このシステム
において定電流回路２と定電圧回路を含む電源回路を低
消費電力化を主目的とするため相補型絶縁ゲート電界効
果型トランジスタ（似下Ｃ−ＭＯＳと略す）構造でＩＣ
化すると、これに伴ない接合トランジスタ１としては第
２図に示すような構造でＣＭＯＳと同一プロセスで形成
できるｎ−Ｐ−ｎプレーナ−接合トランジスタが使用さ
れる。第２図ａは最とも簡単なＮＰＮプレーナ−シリコ
ン接合トランジスタの構造を示した断面図であシ、第２
図をは平面図である。
すなわち、前記トランジスタはＮ−シリコン基板４をコ
レクター、ｐ−シリコン基板５をベース、Ｎ＋拡散層８
をエミツタ一としている。第２図ｃにこのトランジスタ
の等価回路を示す。周ここで、７はｐ＋チャネルカツト
、６はＮ＋拡散、９は酸化絶縁膜、１０は電極金属、１
１はベース・コレクター端子、１２はエミツタ一端子で
ある。接合トランジスタのコレクター４とベース５を同
電位に接続した場合、ベース・エミツタ電流１はダイ万
−ドの電流電圧特性と同様にな９、（１）式で与えられ
る。
Ｎｉ真性キヤリア密度 Ｎ゜エミツタ注入効率 Ｒ ：ボルツマン定数 ｅ ：単位電荷 Ｖ ：ベース●エミツタ間電圧 Ａ ：接合トランジスタの形状及び少数キヤリアの拡散
距離によ９定まる定数よつて、ベース５、エミツタ８と
の間の電流電圧特性は第３図に示すような特性となり温
度によつて変化する。
ここでＴｌ，Ｔ２，Ｔ，は温度であり、Ｔ１〉Ｔ２〉Ｔ
３の関係にある。このように、温度センシング素子をＣ
ＭＯＳプロセスで定電流回路、定電圧回路と同一チツプ
上に容易に製作することができ、制御用のチツプ輻度セ
ンサーとして広く応用されている。この場合Ｐ−Ｎ＋接
合面積が、１００×１００１ｔｍ２でＰ−Ｗｅｌｌ濃度
（ベース拡散濃度）５×１０１５ａｔ０ｍｓ，ｃ：Ｒｌ
Ｌ３順方向一定電流０．１μＡにおいて温度係数は、３
ｍＶ／℃程度が得られる。この接合トランジスタを用い
た泥度センサーの温度感度は、サーミスタを用いた温度
センサーの温度感度（１５ｍＶＣ）にくらべると低いと
いう欠点を有していたが、最近我々は、第４図ａに示し
たような等価回路を有するトランジスタをダーリントン
接続した温度センサーによつて従来の２倍の泥度感度（
６ｍＶＣ）を得、更に第４図ｂに示した３段接続のダー
リントントランジスタによる混度センサーでは、９ｍＶ
／℃の温度感度を得ることに成功した。（第４図ｃ）し
かしながらそのばらつきは、第５図に示すように、ロッ
ド内で、ｌ段で１ｍｖ以内であつたのに対し、２段では
２ｍＶ１３段では５ｍＶと増加し、またノイズに対する
安定性も、２段、３段と段数をふやすとともに急激に減
少し、３段接続では約１℃以上、つまリ１０ｍＶ程度の
ゆらぎがあ９、高歩留まリで、ノイズに対して安定があ
るという。１段接続で得られた特性を失い改良の必要に
せまられていた。
そもそも多段構成の温度センサー用半導体素子において
、検出電圧のばらつき、ゆらぎの原因は、第４図ａを参
照して説明すると、第１段目のトランジスタＴＲｌにお
いてベース電流１ぃコレクタ電流１。との関係は、ここ
でβｎは各トランジスタの電流増幅率である。
またトランジスタＴＲ２においては、であるから仮にβ
１ ＝β２＝１００とすると、となりトランジスタＴＲ
Ｉのベース電流値が極めて低くなる。
このためｌ段目のトランジスタＴＲｌは２段目に較べ流
れるベース電流が大きく違うために、ノイズに対して敏
感になり、検出電圧をばらつかせる。また、一般に電流
増幅率βは値が大きい程ばらつきも大きくな９、これが
検出電圧そのもののばらつきをも大きくしている。従つ
て我我が求める温度センサーに用いる理想的なＰ−ｎ接
合トランジスタの特性は、β＝１なるトランジスタでダ
ーリントン接続したもので、ＩＯ＝Ｉ？）＝Ｉ″ｏであ
ることら望まれる。本発明はこのような欠点改良に鑑み
なされた構造的改良であジ、温度感度が高く、ばらつき
が小さく、ノイズに対して安定で、ＩＣ化に適した非常
に有力な温度センサー用半導体素子を提供するものであ
る。
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に述べる。
前述のようにβを低減した温度センサー用、Ｐ一ｎ接合
トランジスタを得るために成された本発明の第１の実施
例を第６図の構造断面図を用いて詳述する。
Ｎ−シリコン基板４をコレクター、ｐ−シリコン基板５
をベース、Ｎ＋拡散層８をエミツタ一として第２図ａに
示す温度センサー用半導体素子の基本構造に加え、エミ
ツタとしてのＮ＋拡散領域８の周辺にｐ＋チヤネルカツ
ト１３を介してＮ＋拡散層１４を設けてある。これを金
属配線１０を通じて、コレクタとしてのＮ＋拡散層６と
接続する。すなわちＮ＋拡散層１４は第２のコレクター
として機能し、エミツタ一から注入されたキヤリアの一
部は、新たに設けられた第２コレクターＮ＋拡散層１４
に吸いこまれるようになる。これを図式的に表わすと第
８図のごとくコレクターからベースへ電流（ＩｃｌとＩ
ｃ２）を戻す経路ができ、βを低減することができる。
このダブルコレクター（コレクターと第２のコレクタ）
を用いることによ９、我々は、検出電圧Ｖｒｅｆのばら
つきを約２０％低減することができた。更にこのダブル
コレクノ一の威力を増し、ばらつきを低減させるために
成されたのが本発明の第２に示す構造で、第７図に示す
ごとく、エミツタ一Ｎ＋拡散領域８よりも更に深い拡散
を施したＮ＋拡散領域コレクター１４を設けたものであ
る。向第６図、第７図の４はＮ一基板、６はＮ＋拡散コ
レクター、１３はｐ＋チヤネルカツト、８はＮ＋拡散エ
ミツタ一、本発明のポイントである１４はＮ＋拡散コレ
クター １２は酸化膜、１０は電極金属１１がコレクタ
ー、ベース端子、１２がエミツタ一端子である。本発明
による第３の改善は前述したダブルコレクター領域１４
を２段、３段、あるいは更に多段のダーリントン接続に
用いたものである。以上詳述したごとく、本発明の温度
センサー用半導体素子は、Ｃ−ＭＯＳプロセスで製造す
ることができ、ＩＣ化が容易なＮ−Ｐ−Ｎプレーナ接合
トランジスタを用いて構造的に、その電流増幅率βを低
減することにより、２段、３段あるいは更に多段のダー
リントン接続を施した場合、その検出電圧ＶＯｕｔのば
らつきをいつそう低減することができ、またノイズによ
るゆらぎを減少させ、歩留りを向上させることができる
。
これによる温度感度は、１段で３ｍ／℃、２段で６ｍＶ
／℃３段で９ｍＶ／℃の高感度、高歩留ま９でノイズに
対して安定な混度センサー用半導体素子を提供するもの
である。伺本発明はシリコンＮＰＮ接合プレーナ−トラ
ンジスタを用いた温度センサーについて述べたが、ＰＮ
Ｐ接合トランジスタを用いても同様の効果を得ることが
でき、また他のシリコン以外の半導体材料においても同
様に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、接合トランジスタを用いた温度センサーの回
路例を示す図、第２図ａは接合トランジスタを用いた温
度センサー用半導体素子の断面図第２図ｂは、その平面
図、第２図ｃは、それをあられしたトランジスタ記号を
示す図、第３図は、接合トランジスタのコレクターとベ
ース同電位にした場合の電流、電圧特性図、第４図ａは
、接合トランジスタのダーリントン２段接続の接続図、
第４図ｂは、ダーリントン３段接続の接続図、第４図ｃ
はトランジスタｌ段の場合とダーリントン２段接続と、
３段接続の場合のそれぞれの温度感度をあられすグラフ
、第５図は、ダーリントン接続の段数に対する検出電圧
のロッド内ばらつきの大きさをあられすグラフ、第６図
は、本発明による、接合型プレーナ−トランジスタの構
造断面図第７図は、本発明の第２の実施例の構造断面図
、第８図は、本発明のマルチコレクタトランジスタをダ
ーリントン接続した図である。 ４・・・・・・Ｎ−シリコン基板コレクター領域、５・
・・・・・ｐ−ウエルベース領域、６・・・・・・Ｎ＋
拡散層、７・・・・・・ｐ＋拡散層、８・・・・・・Ｎ
＋拡散領域エミツタ一領域、９・・・・・・酸化膜、１
０・・・・・・Ａｌ電極領域、１１・・・・・・ベース
・コレクタ一端子、１２・・・・・・エミツター端子。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 第１導電型の第１のコレクタとして動作する基板と
    、前記基板表面部分に形成された第２導電型のベース拡
    散層と、前記ベース拡散層内の表面部分に形成された第
    １導電型のエミッタ拡散層と、前記エミッタ拡散層の周
    囲のベース表面部分にチャンネルカットを介して設けら
    れた第２のコレクタとを備え、かつ前記第２のコレクタ
    の拡散の深さが、前記チャンネルカット及び前記エミッ
    タ拡散層の深さより深く構成されているプレーナー接合
    トランジスタを、複数個ダーリントン接続して成る温度
    センサー用半導体素子。 ２ 第２のコレクタと第１のコレクタとして動作する基
    板とが電極により接続されている特許請求の範囲第１項
    記載の温度センサー用半導体素子。
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