JP2002365200A - 帯電粒子検出装置 - Google Patents

帯電粒子検出装置

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JP2002365200A JP2001170014A JP2001170014A JP2002365200A JP 2002365200 A JP2002365200 A JP 2002365200A JP 2001170014 A JP2001170014 A JP 2001170014A JP 2001170014 A JP2001170014 A JP 2001170014A JP 2002365200 A JP2002365200 A JP 2002365200A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型、軽量で各種機器に組み込みが容易な帯
電粒子検出装置を提供する 【解決手段】 シリコン基板2の表層部にソース領域3
とドレイン領域4とを備え、ソース領域3とドレイン領
域4との間をチャネルとすると、チャネルの上に絶縁膜
5を介して浮遊ゲート6を配置する。そして、浮遊ゲー
ト6を中央としてその側壁にトンネル膜7を配置すると
共にコントロールゲート8を配置する。このような構成
において、ソース領域3とドレイン領域4との間の電流
DSが一定となるようにコントロールゲート8の電位を
調整すれば、コントロールゲート8の電位に基づいて帯
電粒子の濃度を求めることができる。このような電界効
果トランジスタ型の帯電粒子検出装置とすることで、小
型、軽量とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電界効果を利用し
て帯電粒子(例えば、液中のマイナスイオン、プラスイ
オン、ウィルス、細菌等)の濃度等を求める帯電粒子検
出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の帯電粒子検出装置を図4に示す。
この図に示すように、帯電粒子検出装置は、円柱形状の
棒状電極J1と、この棒状電極J1と同心円を成すよう
に棒状電極J1から絶縁して設置された円筒電極J2と
を備えて構成される。
【0003】このような装置では電圧や電流に基づいて
帯電粒子の濃度等が求められる。例えば、電圧に基づい
て求める場合には、まず一方の電極を接地し、スイッチ
J3をONすることで両電極間に予め電荷を蓄える。そ
して、スイッチJ3をOFFしたあと一定時間円筒内に
帯電粒子を流通させることで、時間に対する電圧の変
化、つまり帯電粒子による電荷の中和量分の電位降下を
測り、帯電粒子の濃度を求めるようになっている。逆
に、電流に基づいて求める場合には、電圧が一定になる
ように補充電流を加えれば補充電流と帯電粒子とが1:
1の関係となることから、加えた補充電流を測ることで
帯電粒子の濃度を求めるようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
帯電粒子検出装置は体格が大きく、重いことから各種機
器への組み込みが容易ではなく、また、コストも高いと
いう問題があった。
【0005】本発明は上記点に鑑みて、小型、軽量で各
種機器に組み込みが容易な帯電粒子検出装置を提供する
ことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1乃至3に記載の発明では、半導体基板
(2)と、半導体基板の表層部において互いに離間する
ように形成されたソース領域(3)およびドレイン領域
(4)と、ソース領域とドレイン領域との間をチャネル
とすると、該チャネルの上に外気に触れる露出部分が備
えられて形成された浮遊ゲート(6)と、浮遊ゲートの
電位を制御するコントロールゲート(8)と、浮遊ゲー
トとコントロールゲートとの間に配置されたトンネル膜
(7)とを備えていることを特徴としている。
【0007】このような構成によれば、小型、軽量で各
種機器に組み込みが容易な構造で帯電粒子検出装置を実
現することができる。例えば、請求項3に示すように、
ソース領域とドレイン領域との間の電流(IDS)が一定
となるようにコントロールゲートの電位を調整すること
で、コントロールゲートの電位に基づいて帯電粒子の濃
度を求めることが可能である。
【0008】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
【0009】
【発明の実施の形態】(第1実施形態)図1に、本発明
の一実施形態を適用した電界効果トランジスタ型の帯電
粒子検出装置1の断面構成を示す。以下、図1に基づい
て帯電粒子検出装置1の構成についての説明を行なう。
【0010】図1に示すように、帯電粒子検出装置1
は、シリコン基板2を用いて形成されている。シリコン
基板2の表層部には、互いに離間するようにソース領域
3、ドレイン領域4が形成されており、これらソース領
域3、ドレイン領域4の表面には、それぞれソース電極
3a、ドレイン電極4aが形成されている。
【0011】また、ソース領域3およびドレイン領域4
の間をチャネル領域とすると、このチャネル領域上には
絶縁膜5がパターニングされている。この絶縁膜5の表
面上には金等で構成される浮遊ゲート6、トンネル膜
7、金やアルミニウム等で構成されるコントロールゲー
ト8および側壁酸化膜9が備えられ、絶縁膜5の中央部
に外部に露出するように浮遊ゲート6が配置されると共
に、その浮遊ゲート6の両側壁にトンネル膜7、コント
ロールゲート8、側壁酸化膜9が順に配置された構成と
なっている。
【0012】このように構成された帯電粒子検出装置1
により、以下のように帯電粒子の濃度等の検出を行なう
ことができる。
【0013】まず、コントロールゲート−ソース間電圧
CGSが正となるように電圧を印加すると、浮遊ゲート
6の電子が引き抜かれて浮遊ゲート6が正に帯電され
る。この時の浮遊ゲート−ソース間電圧をVFGS、浮遊
ゲート6の帯電量をqとし、コントロールゲート−ソー
ス間の電気容量がcであるとすると、数1に示す関係が
成り立つ。
【0014】
【数1】 VFGS=q/c この状態においては、ドレイン−ソース間にチャネルが
形成され、一定の電流IDSが流れる。そして、コントロ
ールゲート−ソース間の電位VCGSを0にしても浮遊ゲ
ート6に電荷が蓄えられており、浮遊ゲート6は正に帯
電し続ける。
【0015】このような状態において、外気中に負の電
荷を持つ粒子が存在すると、その粒子が浮遊ゲート6に
吸着され、浮遊ゲート6における電荷が中和される。こ
れにより浮遊ゲート−ソース間電圧VFGSが低下する。
このときの電圧VGSの低下量δVFGSは、吸着した電荷
量をq’とすると数2のように表される。
【0016】
【数2】 δVFGS=(q−q’)/c そして、浮遊ゲート6に吸着される帯電粒子量は、大気
中に存在する荷電粒子の量に関係するので、浮遊ゲート
−ソース間電圧VFGSの減少とそれに起因する電流IDS
の減少が荷電粒子の量を示すことになる。
【0017】一方、電圧VGSの低下量δVFGSが0とな
るようにコントロールゲート8に対して電圧を印加し続
ければ、このときのコントロールゲート−ソース間電圧
CG Sは、単位時間当りに吸着した帯電粒子の電荷量に
比例することになるため、電圧VCGSに基づいて帯電粒
子の電荷量を求めることもできる。
【0018】このような場合には、浮遊ゲート6ではな
くコントロールゲート8そのものを吸着電極とすること
もできるが、上述のように浮遊ゲート6を吸着電極とす
れば、トンネル現象により浮遊ゲート6からコントロー
ルゲート8への電荷の移動が起こり、その移動電荷量が
指数関数的に変化するため、低濃度の吸着荷電粒子に対
する感度を大きくすることができるという効果が得られ
る。
【0019】すなわち、トンネル電流は、大きな電圧を
加えなければ流れないが電圧に応じた大きさで流れ、加
える電圧を増加させると指数関数的に大きくなるという
特性を有していることから、大きな電圧によって小さな
トンネル電流を制御でき、上述したように感度が大きく
なる。
【0020】続いて、図2に、図1に示す帯電粒子検出
装置1を用いた帯電粒子検出回路の一例を示す。この検
出回路は、帯電粒子検出装置1のコントロールゲート−
ソース間電圧VCGSに基づいて帯電粒子の電荷量を検出
するものであり、ソース−ドレイン間電流IDSを一定に
しつつ電圧VCGSを出力する低電流回路10に対して、
抵抗11を介してローパスフィルタ12を接続し、ノイ
ズ対策等を施したものである。
【0021】低電流回路10には定電圧源13が備えら
れており、コントロールゲート8およびドレイン電極4
aに対して所望の電圧が印加されるようになっている。
また、コントロールゲート8への電圧印加を制御するス
イッチ用のトランジスタ14、荷電粒子検出装置1のソ
ース−ドレイン間電流IDSに基づいてトランジスタ14
のON/OFFを制御する抵抗15が備えられており、
抵抗15での電圧降下分に基づいてトランジスタ14を
制御するようになっている。
【0022】ローパスフィルタ12は、オペアンプ1
6、コンデンサ17および抵抗18、19によって構成
されている。オペアンプ16の非反転入力端子は抵抗1
9を介して仮想GNDに接続され、オペアンプ16が仮
に片電源であったとしても0V以下が出力できるような
構成になっている。
【0023】このような構成の帯電粒子検出回路は以下
のように作動する。まず、電流IDSが大きくなってソー
ス電極3aに接続された抵抗15での電圧降下がほぼ
0.7Vになると、トランジスタ14がONし、電圧V
CGSが減少して電流IDSも減少する。そして、電流IDS
が減少して抵抗15での電圧降下が0.7Vを下回る
と、トランジスタ14がOFFとなり、電圧VCGSが増
加して電流IDSも増加する。このようにして電流IDS
一定に保たれ、電圧VGSの低下量δVGSが0となるよう
に制御されるため、このときの電圧VCGSを測ることで
帯電粒子の単位時間あたりの吸着量、すなわち帯電粒子
量を検出することができる。
【0024】例えば、帯電粒子検出回路の出力に基づい
て想定される電圧VCGSと帯電粒子量との関係をグラフ
に表すと図3のようになり、電圧VCGSと帯電粒子量と
の相関関係に基づき、電圧VCGSに基づいて帯電粒子量
を検出することが可能となる。
【0025】以上説明したように、本実施形態に示す帯
電粒子検出装置1は、小型で軽量な電界効果トランジス
タ型のセンサ構造により、帯電粒子量の検出を可能とし
ている。このため、小型、軽量で各種機器に組み込みが
容易なものとすることができる。
【0026】なお、本実施形態のように構成される帯電
粒子検出装置1は、シリコン基板1に対して所定パター
ンのマスクを用いたイオン注入によってソース領域3お
よびドレイン領域4の形成を行なったあと、絶縁膜5を
パターニングし、この絶縁膜5の上に浮遊ゲート6を搭
載したのちトンネル膜7の成膜、コントロールゲート8
の搭載および側壁酸化膜9の形成等を行なうことで形成
される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態における帯電粒子検出装
置の全体構成を示す図である。
【図2】図1に示す帯電粒子検出装置を適用した帯電粒
子検出回路の一例を示した図である。
【図3】電圧VCGSと荷電粒子量との関係を示した図で
ある。
【図4】従来の帯電粒子検出装置の全体構成を示した図
である。
【符号の説明】
1…帯電粒子検出装置、2…シリコン基板、3…ソース
領域、4…ドレイン領域、5…絶縁膜、6…浮遊ゲー
ト、7…トンネル膜、8…コントロールゲート、9…側
壁絶縁膜、10…低電流回路、12…ローパスフィル
タ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/792

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板(2)と、 半導体基板の表層部において互いに離間するように形成
    されたソース領域(3)およびドレイン領域(4)と、 前記ソース領域と前記ドレイン領域との間をチャネルと
    すると、該チャネルの上に外気に触れる露出部分が備え
    られて形成された浮遊ゲート(6)と、 前記浮遊ゲートの電位を制御するコントロールゲート
    (8)と、 前記浮遊ゲートと前記コントロールゲートとの間に配置
    されたトンネル膜(7)とを備えていることを特徴とす
    る帯電粒子検出装置。
  2. 【請求項2】 前記浮遊ゲート、前記コントロールゲー
    トおよび前記トンネル膜は絶縁膜(5)を介して前記チ
    ャネル上に形成されており、前記浮遊ゲートを中央に配
    置して、前記トンネル膜と前記コントロールゲートとが
    順に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の
    帯電粒子検出装置。
  3. 【請求項3】 前記ソース領域と前記ドレイン領域との
    間の電流(IDS)が一定となるように前記コントロール
    ゲートの電位を調整すると共に、該コントロールゲート
    の電位に基づいて帯電粒子の濃度を求めるように構成さ
    れていることを特徴とする請求項1又は2に記載の帯電
    粒子検出装置。
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