JP2009098042A - ダイオード温度センサ素子とこれを用いた温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の温度領域で高精度であり、極めて小さく形成できる高速応答可能な二端子のダイオード温度センサ素子を提供すると共に、これを用いた安価で高速応答可能な温度計測装置を提供する。
【解決手段】バイポーラトランジスタの2個のｐｎ接合のうち、一方のｐｎ接合を短絡してダイオードとして取り扱い、このダイオードをダイオード温度センサとして用い、バイポーラトランジスタを形成している半導体チップ内で、一方のｐｎ接合を短絡してあり、外部には、二端子として取り出すようにしたダイオード温度センサ素子と、これを用いた温度計測装置を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は バイポーラトランジスタの1つのｐｎ接合を短絡してダイオードとして二端子で使用するｐｎ接合ダイオード素子に関し、温度センサとして利用できるようにすると共に、これを用いた温度測定装置に関するものである。

従来、サーモダイオードというｐｎ接合ダイオードに一定の電流を流し、温度Ｔの変化による順方向電圧Ｖ_ｆの変化を計測することにより温度Ｔを計測する方法があった。このサーモダイオードでは、順方向電圧Ｖ_ｆの変化分が絶対温度Tと直線的な関係にあり、その直線性の良さが特徴であった。また、従来、ＩＣ温度センサと呼ばれ、サーモダイオードの性質を利用して、2個のバイポーラトランジスタの異なるコレクタ電流を組み合わせて、それらのエミッタ・ベース間電圧の差が絶対温度Ｔに比例するということを利用する温度測定装置があった。一般のＩＣ製造工程では、バイポーラトランジスタが必要なことが多く、ダイオードが必要なときには、特別にダイオードを製作せずに、工程も省けるので、トランジスタのベースＢとコレクタＣとを短絡してダイオードとして利用してきた。ＩＣ温度センサでは、多くのトランジスタを使用しているので、そのＩＣ温度センサ中のダイオードは、このようにしてバイポーラトランジスタをダイオードとして、利用している。

また、従来、本出願人が発明した、所定の一定順電圧Ｖ_ｆを印加して、温度によるｐｎ接合ダイオードの順方向電流の変化から絶対温度Tを計測するとサーミスタのような振る舞いをするというトランジスタサーミスタ（特開平11-287713（特許第3366590号））とダイオードサーミスタ（特開２００１−２６４１７６（特許第3583704号））があった。

また、従来、本出願人が発明した、ダイオードに所定の一定直流電流を加えておき、これに交流電流ΔＩを重畳し、このときの対応する交流電圧ΔＶを測定すると、交流電圧ΔＶは、絶対温度Ｔに正比例するという絶対温度比例出力型温度センサ（特願2006−120220；特願2007-18464）があった。
特許第3366590号 特許第3583704号

バイポーラトランジスタは三端子であるから、従来のバイポーラトランジスタ素子は、3本の端子が外部に出ており、これらの、例えば、ベースＢとコレクタＣの端子同士を短絡して、ダイオードとして使用すると、形状が大きくなり、ダイオードを温度センサとして使用しようとしても超小型の温度検出部にはなり難く、しかも形態が大きいので、その分、熱容量が大きく、熱応答速度が小さく、高速応答温度センサにならないと言う問題があった。

また、従来のＩＣ温度センサでも、沢山のバイポーラトランジスタを内部に有し、その分、形態寸法が大きくなり、上述と同様、超小型で高速応答の温度計としては不向きであった。

また、一般に、温度センサとして食品などの温度を計測するときには、錆びないこと、丈夫なこと、熱伝導率が良いこと、などからステンレス管を温度計測プローブとして用い、その中にサーミスタなどの温度センサを挿入して温度測定することが多い。しかし、サーミスタは、金属酸化物の焼結体で形成されていることが多く、湿気などによる経時変化あり、ガラスでコートしてガラスビーズ状にして経時変化を防いでいることが一般的である。しかし、ガラスは熱伝導率が悪く、しかも形状が大きくなるので、細いステンレス管を使用することが困難で、その分、熱応答速度が遅く、問題になっていた。

本発明は、従来の上述の問題を解決するためになされたもので、広範囲の温度領域で高精度であり、極めて小さく形成できる高速応答可能な二端子のダイオード温度センサ素子を提供すると共に、これを用いた安価で高速応答可能な温度計測装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わるダイオード温度センサ素子は、バイポーラトランジスタの2個のｐｎ接合のうち、一方のｐｎ接合を短絡してダイオードとして取り扱い、このダイオードをダイオード温度センサとして用いるダイオード温度センサ素子であって、バイポーラトランジスタを形成している半導体チップ内で、前記一方のｐｎ接合を短絡してあり、外部には、二端子として取り出すようにしたことを特徴とするものである。

一般に、ｐｎ接合ダイオードの電流Ｉと順電圧Ｖとの関係は、絶対温度Ｔを用いて表現すると、その順方向電圧Ｖに電荷素量ｑを掛けてエネルギーの単位で表示するとき、これが絶対温度Ｔをエネルギーの単位で表示したｋＴに比べて大きいときには、次式のような拡散電流の近似式になる。

ここで、Ｉ_ｓは飽和電流であり、ｎは理想係数で、半導体の種類などにより異なる。また、ｋはボルツマン定数である。

実験によると、ｐｎ接合ダイオード単体よりも、バイポーラトランジスタのベースＢとコレクタＣとを短絡して、エミッタＥとベースＢ間のｐｎ接合を利用するとダイオードとして利用すると、電流Ｉと電圧Ｖとの関係が、広範囲の電流Ｉと電圧Ｖとの特性において、上記の数式１のような理想的な拡散電流の式で表すことができることがわかった。また、更に、このようなバイポーラトランジスタの1つのｐｎ接合を短絡して、残りのｐｎ接合をダイオードとして利用した方が、ダイオードサーミスタとして利用した場合でも、また、絶対温度比例出力温度センサとして利用しても、理想的な温度特性となることが確かめられた。これは、1個のｐｎ接合ダイオードだけでは、キャリアである電子と正孔とが、この1個のｐｎ接合ダイオードを流れること、接合付近では拡散電流以外に再結合電流が流れ、上記の数式１からずれ易いからであると考えられる。これに対して、バイポーラトランジスタでは、ベースＢ領域は、エミッタＥから注入された一方のキャリアのみが拡散電流としてコレクタＣに到達してコレクタ電流となるので、トランジスタの電流増幅率αが極めて１に近いときには、ベース電流がコレクタ電流に比べて無視できると共に、コレクタ電流は拡散電流となる。したがって、ベースＢとコレクタＣとを短絡して、エミッタＥとベースＢとのｐｎ接合をダイオードとして利用し、理想に近い拡散電流であるコレクタ電流（ほとんどエミッタ電流である）を観測した方が上記の数式１で近似表現できることが判明した。

本発明は、上述のように、例えば、一方のｐｎ接合であるベースＢとコレクタＣとを、特に超小型にし、高速熱応答させるために、バイポーラトランジスタが形成されている半導体チップ内で短絡するようにして、他方のｐｎ接合であるエミッタＥとベースＢとをダイオードとして利用するようにしたダイオード温度センサ素子である。なお、半導体チップとは、半導体基板であり、製作工程上半導体ウエーハを、ここではダイオード素子として切り出して、チップ状にしたものを言う。

本発明の請求項２に係わるダイオード温度センサ素子は、バイポーラトランジスタのベースＢとコレクタＣとのｐｎ接合を半導体チップ内で短絡し、エミッタＥとベースＢ間のｐｎ接合をダイオードとして利用する場合である。

バイポーラトランジスタのエミッタＥは、一般に他のベースＢやコレクタＣよりも最も高不純物濃度としている。これは、エミッタＥからベースＢへのキャリアの注入効率を上げ、エミッタ電流とコレクタ電流とがほぼ等しくなるようにするためであり、一方の短絡するｐｎ接合として、ベースＢとコレクタＣ間にした方が好都合である。したがって、この場合、エミッタＥとベースＢ間のｐｎ接合をダイオードとして利用することになる。

本発明の請求項３に係わるダイオード温度センサ素子は、ｐｎ接合の周辺部の少なくとも一部において、該ｐｎ接合を構成するそれぞれの導電型の高濃度不純物同士でこのｐｎ接合を短絡した場合である。

一般にバイポーラトランジスタは、基板の導電型が、例えば、ｎ型であるときには、これをバイポーラトランジスタのコレクタＣとして利用し、これにイオン注入や不純物熱拡散などで導電型としてｐ型の不純物であるホウ素を添加してベースＢ領域を形成する。更に、ｐ型ベースＢ領域の表面の一部分に、導電型がｎ型となるリンを高濃度に添加して作成する。本発明では、上述の導電型のｎｐｎ型バイポーラトランジスタで、超小型化するために、ｐ型ベースＢとｎ型コレクタＣとの基板の表面で交わるｐｎ接合境界面で、コレクタＣの導電型であるｎ型の不純物リンを、ｐ型ベースＢ領域の一部とｎ型コレクタＣの一部とに跨るように重ねて添加すると、ｐ型ベースＢ領域の表面は高濃度のｐ型になっているので、ｐ型ベースＢとｎ型コレクタＣとは互いに高濃度同士の接合になり、トンネル効果によりオーム性接触となり短絡状態になる。したがって、半導体チップ内で、ｐ型ベースＢとｎ型コレクタＣとのｐｎ接合が短絡されることになる。

本発明の請求項４に係わるダイオード温度センサ素子は、その二つの端子が半導体チップの互いに対向する面にある電極から取り出すようにしてあり、一方の端子は、半導体チップの一方の面にある電極を直接金属性の温度計測プローブに電気的かつ熱的に結合させて、温度計測プローブとして兼用できるようにした場合である。

本発明では、温度計測プローブとして針先のような細い封止したステンレス管の中の先端部に、例えば、１００μｍ以下のダイオードの半導体チップを挿入して、その一方の面の電極をステンレス管に直接半田付けすることにより、熱接触が良く、電気的にもステンレス管をダイオードの一方の端子として利用することができる。他方の端子は、熱伝導を小さくするために絶縁被覆した細いワイヤを端子として利用しても良い。このようにすることにより、極めて応答速度が速く、小型の温度計測が可能となる。

本発明の請求項５に係わる温度測定装置は、上記のダイオード温度センサ素子を用い、少なくとも増幅回路、演算回路および制御回路を具備したことを特徴とするものである。

ダイオード温度センサ素子は、上述のような二端子で超小型に製造できると共に、これを極めて細い金属製の温度計測プローブに直接接合することにより、高速応答の温度測定装置が可能で、少なくとも増幅回路、演算回路および制御回路を具備することにより、温度測定装置、または、これをモジュール化した形で提供できる。もちろん、必要に応じて、電源回路、温度表示回路や表示素子などを搭載することもできる。

以上のように、本発明によれば、バイポーラトランジスタを、例えば、ベースBとコレクタCとを、これを形成している半導体チップ内またはその上で短絡して、二端子のダイオードとして使用するので、極めて小型のダイオード温度センサ素子が提供できると言う利点がある。

極めて小型のダイオード温度センサ素子となりえるので、熱応答速度の速い温度センサが実現される。

また、本発明によれば、ダイオード温度センサ素子の一方の端子を温度測定装置の温度計測プローブとしても兼用できるので、極めて小型の温度センシング部を有する高速でダイオード温度センサ素子と成りえると共に、これを用いて、増幅回路、演算回路および制御回路などの必要な回路を具備することにより高速で高性能な温度測定装置が提供できるという利点がある。

以下、本発明のダイオード温度センサ素子およびこれを用いた温度測定装置の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明のダイオード温度センサ素子の一実施例の平面概要図である。また、図2には、図１のダイオード温度センサ素子の横断面の一実施例の概要図を示している。ここでは、バイポーラトランジスタ１０を構成するｎ型半導体の基板１をコレクタＣ７とし、ここにベースＢ６となるｐ型不純物のホウ素を熱拡散してｐ型領域１６を形成し、その後、エミッタＥ５となる高濃度ｎ型領域２５を形成した場合で、しかも、エミッタＥ５を形成するときと同時に、コレクタＣ７と同一の導電型である高濃度ｎ型領域２５の短絡領域２０を形成してベースＢ６とコレクタＣ７とを跨いで短絡した場合を示している。

本実施例では、ｎ型半導体の基板１を半導体チップ２に切り出し、その周辺の露出した半導体部分は、表面パッシベーションとしてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁膜５０で被覆してある。また、バイポーラトランジスタ１０を形成してある半導体チップ２の表面には、電極７０と電極７１とを重ねて形成し、更に一方の端子３１が形成されている。また、半導体チップ２の対向する裏面には、オーム性の電極７２が形成されており、これが他方の端子３２となって、半導体チップ２の互いに対向する面から二端子として外部に取り出すようにしている。

上述の実施例１では、半導体チップ２の裏面には、コレクタＣ７に形成した高濃度ｎ型領域２５にオーム性の電極７２と端子３２と兼用にしているが、上部の表面と同様に、電極７２からワイヤ状や膜状などの端子３２を新たに形成しても良い。

図３は、本発明のダイオード温度センサ素子の他の一実施例を示したもので、二端子のうちの一方の端子３２を金属製の温度計測プローブ１００と兼ねた場合の横断面概要図であり、この温度計測プローブ１００の先端部に半導体チップ２を接合した様子の拡大図も示してある。ここでは、バイポーラトランジスタ１０の、例えば、ベースＢ６とコレクタＣ７とを短絡し、エミッタＥ５とベースＢ６をダイオードとして利用するようにして形成してある半導体チップ２を温度計測プローブ１００に挿入してあり、この半導体チップ２の互いに対向する面にある電極の一方の電極７２を、この金属性の温度計測プローブ１００に、半田３５で直接、電気的かつ熱的に結合（ここでは、むしろ接合）させて、金属製の温度計測プローブ１００を兼ねるようにしている。なお、他方の端子３１は、例えば、細い銅線をエナメル膜などで絶縁したワイヤを利用した場合である。

温度計測プローブ１００は、ステンレススチールなどの安定で、錆びない金属材料で形成し、細く小型のプローブになるようにして、熱応答特性が良好になるようにしている。電気絶縁性の絶縁ソケット１１０を介して外部端子１３１，１３２を取り出すようにしている。もちろん、先端部のみ金属製にして、温度計測プローブ１００の他の部分のプラスチック製などにしても良い。

図４には、本発明の温度測定装置の構成をブロック図に示している。図４の破線で込む部分は温度測定装置の主要部で、ここには、本発明のダイオード温度センサ素子からの温度に関する信号を増幅する増幅回路、メモリと組み合わせて温度に換算などの各種の演算処理をする演算回路、更には、温度に関する情報をフィードバックコントロールする信号を発生させるなどの制御回路を具備している。これらの各種回路部は、公知の回路であるので、詳細はここでは省略する。

上述の実施例では、ダイオード温度センサ素子において、バイポーラトランジスタの一方のｐｎ接合を短絡するに当り、高濃度ｎ型領域２５で短絡領域２０を形成したが、ベースＢとコレクタＣのそれぞれを少なくとも部分的に、それぞれの高濃度不純物を添加しておき、金属膜を利用して短絡領域２０を形成しても良い。

上述の実施例では、ダイオード温度センサ素子の二端子として、一方はワイヤで、他方は、温度測定対象物に固定できるような構造にしたり、金属製の温度計測プローブ１００とした場合を示したが、二端子の双方を、ワイヤにしたり、金属などの導体薄膜で半導体チップ２を支持し、温度測定プローブや支持基板への熱の逃げを少なくするような構造にすることもできる。

上述した実施例は、一実施例であり、本願発明の主旨、作用、効果が同一の各種の変形がありえることは言うまでもない。

本発明のダイオード温度センサ素子は、本来、三端子であるバイポーラトランジスタを、一方のｐｎ接合を短絡し、他方のｐｎ接合のみをダイオードとして利用し、外部には二端子として取り出すようにしたもので、単なる1個のｐｎ接合ダイオードを利用する場合に比べ、理想的な拡散電流の式が使用できることが、実験的にも確かめられ、極めて小型で、広い温度範囲において、理想的な直線性（ダイオードサーミスタとしては、ダイオード電流の対数ln Iと絶対温度Ｔの逆数１/Tとの直線性、また、絶対温度比例出力型温度センサでは、ダイオード交流出力電圧ΔＶと絶対温度Ｔとの直線性）が得られることが判明し、超小型で広い温度測定範囲で高精度の温度センサ素子が提供できる。また、この本発明のダイオード温度センサ素子を搭載した温度測定装置は、１つのダイオードで広範囲の温度の計測が可能であり、小型で安価な高精度の温度測定装置が提供できる。

本発明のダイオード温度センサ素子の一実施例の平面概要図である。（実施例１） 本発明のダイオード温度センサ素子の図１の横断面の一実施例の概要図である。（実施例１） 本発明のダイオード温度センサ素子の他の一実施例の横断面概要図を示している。（実施例２） 本発明の温度測定装置の構成の概要をブロック図にしたものである。（実施例３）

符号の説明

１ 基板
２ 半導体チップ
５ エミッタE
６ ベースB
７ コレクタC
１０ バイポーラトランジスタ
１５ ｎ型領域
１６ p型領域
２０ 短絡領域
２５ 高濃度ｎ型領域
３１、３２ 端子
３５ 半田
４０ 窓
５０ 絶縁膜
７０、７１、７２ 電極
１００ 温度計測プローブ
１１０ 絶縁ソケット
１３１、１３２ 外部端子

Claims (5)

1. バイポーラトランジスタの2個のｐｎ接合のうち、一方のｐｎ接合を短絡してダイオードとして取り扱い、該ダイオードをダイオード温度センサとして用いるダイオード温度センサ素子であって、バイポーラトランジスタを形成している半導体チップ内で、前記一方のｐｎ接合を短絡してあり、外部には、二端子として取り出すようにしたことを特徴とするダイオード温度センサ素子。
2. バイポーラトランジスタのベースＢとコレクタＣとのｐｎ接合を短絡し、エミッタＥとベースＢ間のｐｎ接合をダイオードとして利用する請求項１記載のダイオード温度センサ素子。
3. ｐｎ接合の周辺部の少なくとも一部において、該ｐｎ接合を構成するそれぞれの導電型の高濃度不純物同士で、該ｐｎ接合を短絡した請求項1または２のいずれかに記載のダイオード温度センサ素子。
4. 二端子は、半導体チップの互いに対向する面にある電極から取り出すようにしてあり、一方の端子は、半導体チップの一方の面にある電極を直接金属性の温度計測プローブに電気的かつ熱的に結合させて、温度計測プローブとして兼用できるようにした請求項1から３のいずれかに記載のダイオード温度センサ素子。
5. 請求項1から４のいずれかに記載のダイオード温度センサ素子を用い、少なくとも増幅回路、演算回路および制御回路を具備したことを特徴とする温度測定装置。

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