JP7456940B2 - 電気回路及び電気装置 - Google Patents
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Description
本開示は、センサ素子を含む電気回路及び電気装置に関する。
センサ素子の電流出力は微小電流であることが多いため、一旦、信号を増幅しノイズ除去した上で、マイコンに入力する必要があり、その後、トランジスタ等の能動素子を作動させることが行われる。
本開示の１つの態様の電気回路は、電流信号を出力するセンサ素子と、前記センサ素子に接続したショットキーバリアダイオードと、前記センサ素子と前記ショットキーバリアダイオードの接続点に、ゲート電極を接続した電圧駆動のトランジスタと、を有し、前記ショットキーバリアダイオードは、ショットキー接合を形成する金属層と半導体層の間の一部の領域に、絶縁体層を有する。
以下に本開示の一実施形態につき図面を参照して説明する。
図１に示すように本実施形態の電気回路は、電流信号を出力するセンサ素子Ｓ１と、センサ素子Ｓ１にアノードを接続したショットキーバリアダイオードＤ１と、センサ素子Ｓ１とショットキーバリアダイオードＤ１の接続点に、ゲート電極を接続した電圧駆動のトランジスタＴ１と、を有する。
ショットキーバリアダイオードＤ１（Ｄ２）は、図２Ａ，２Ｂに示すようにショットキー接合ＳＢを形成する金属層１と半導体層２の間の一部の領域に、絶縁体層３を有する。
シリコン酸化膜等により構成される絶縁体層３を上下に挟み、絶縁体層３に接合する一方の金属層１と、他方の半導体層２は、絶縁体層３に隣接した領域でショットキー接合ＳＢを形成する金属と半導体の層である。
半導体層２の下面にはカソード電極金属層４が形成されており、図１の回路図で高電位側に接続される電極に相当する。
ショットキーバリアダイオードＤ１（Ｄ２）は、図２Ａ，２Ｂに示すようにショットキー接合ＳＢを形成する金属層１と半導体層２の間の一部の領域に、絶縁体層３を有する。
シリコン酸化膜等により構成される絶縁体層３を上下に挟み、絶縁体層３に接合する一方の金属層１と、他方の半導体層２は、絶縁体層３に隣接した領域でショットキー接合ＳＢを形成する金属と半導体の層である。
半導体層２の下面にはカソード電極金属層４が形成されており、図１の回路図で高電位側に接続される電極に相当する。
図１に示すようにショットキーバリアダイオードＤ１は、高電位（Ｈｉ）側に接続される。センサ素子Ｓ１は、ショットキーバリアダイオードＤ１より、低電位（ＧＮＤ）側に接続される。
ショットキーバリアダイオードＤ１のカソードが高電位側に、アノードが低電位側とされた逆方向接続である。
両者の接続関係としては、センサ素子Ｓ１を、ショットキーバリアダイオードＤ１のアノードに対して接続している。
ショットキーバリアダイオードＤ１は第１電位側にあり、センサ素子Ｓ１は第１電位より低い第２電位側にある電気回路が構成される。
ショットキーバリアダイオードＤ１のカソードが高電位側に、アノードが低電位側とされた逆方向接続である。
両者の接続関係としては、センサ素子Ｓ１を、ショットキーバリアダイオードＤ１のアノードに対して接続している。
ショットキーバリアダイオードＤ１は第１電位側にあり、センサ素子Ｓ１は第１電位より低い第２電位側にある電気回路が構成される。
又は、図７に示すようにセンサ素子Ｓ１は第１電位側にあり、ショットキーバリアダイオードＤ２は第１電位より低い第２電位側にある電気回路も同様に実施し得る。この場合、ショットキーバリアダイオードＤ２は、低電位（ＧＮＤ）側に接続される。センサ素子Ｓ１は、ショットキーバリアダイオードＤ２より、高電位（Ｈｉ）側に接続される。
ショットキーバリアダイオードＤ２のカソードが高電位側に、アノードが低電位側とされた逆方向接続である。
両者の接続関係としては、センサ素子Ｓ１を、ショットキーバリアダイオードＤ２のカソードに対して接続している。
ショットキーバリアダイオードＤ２のカソードが高電位側に、アノードが低電位側とされた逆方向接続である。
両者の接続関係としては、センサ素子Ｓ１を、ショットキーバリアダイオードＤ２のカソードに対して接続している。
図２Ａ，２Ｂに示すように、ショットキーバリアダイオードＤ１（Ｄ２）は、平面視（図２Ｂ）で金属層１と半導体層２とのショットキー接合ＳＢに囲まれた領域に絶縁体層３を有し、該絶縁体層３を金属層１と半導体層２との間に有する。
図３は、比較例のショットキーバリアダイオードＤ３の積層構造を示す断面図である。
図４は、比較例のダイオード（Ｄ３）と、本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）の逆方向電圧ＶＲに対する逆方向漏れ電流ＩＲの関係（逆方向電圧電流特性）を示すグラフである。
約８０〔Ｖ〕までは、比較例のダイオード（Ｄ３）及び本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）は、互いにほぼ同じ特性で変遷する。これは、ショットキー接合ＳＢの逆方向漏れ電流ＩＲｓを主とした電圧範囲１１であることを示す。
同電圧範囲１１を超えて電圧が増加すると、比較例のダイオード（Ｄ３）の電流値に対して本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）の電流値は、大きく立ち上がる（電圧範囲１２）。
これは、本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）は、金属層１と半導体層２とのショットキー接合ＳＢが逆電圧印加時で降伏前の状態にあるとき、絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔを流す逆方向電圧電流特性を有することを意味する。金属層１と半導体層２の間に位置する絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔをトンネル電流ともいう。
本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）では、絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流が増加する分だけ、単純なショットキーダイオードである比較例のダイオード（Ｄ３）の特性曲線に対して上に離れて上昇していく特性を示す。すなわち、本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）では、絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔは、ショットキー接合の逆方向漏れ電流ＩＲｓより大きく立ち上がる逆方向電圧電流特性を有する。
本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）は、これらの絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔと、ショットキー接合の逆方向漏れ電流ＩＲｓとを合算した特性となる。
絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔが片対数的に増加し、電圧範囲１２において電圧ＶＲに対して電流ＩＲが直線的に変化するリニアリティが実現される。
図４は、比較例のダイオード（Ｄ３）と、本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）の逆方向電圧ＶＲに対する逆方向漏れ電流ＩＲの関係（逆方向電圧電流特性）を示すグラフである。
約８０〔Ｖ〕までは、比較例のダイオード（Ｄ３）及び本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）は、互いにほぼ同じ特性で変遷する。これは、ショットキー接合ＳＢの逆方向漏れ電流ＩＲｓを主とした電圧範囲１１であることを示す。
同電圧範囲１１を超えて電圧が増加すると、比較例のダイオード（Ｄ３）の電流値に対して本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）の電流値は、大きく立ち上がる（電圧範囲１２）。
これは、本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）は、金属層１と半導体層２とのショットキー接合ＳＢが逆電圧印加時で降伏前の状態にあるとき、絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔを流す逆方向電圧電流特性を有することを意味する。金属層１と半導体層２の間に位置する絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔをトンネル電流ともいう。
本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）では、絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流が増加する分だけ、単純なショットキーダイオードである比較例のダイオード（Ｄ３）の特性曲線に対して上に離れて上昇していく特性を示す。すなわち、本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）では、絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔは、ショットキー接合の逆方向漏れ電流ＩＲｓより大きく立ち上がる逆方向電圧電流特性を有する。
本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）は、これらの絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔと、ショットキー接合の逆方向漏れ電流ＩＲｓとを合算した特性となる。
絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔが片対数的に増加し、電圧範囲１２において電圧ＶＲに対して電流ＩＲが直線的に変化するリニアリティが実現される。
図５は、以上説明した絶縁体層３を有する本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）の温度依存性を示すグラフである。
図５に示すように、低電圧範囲１３では、ショットキー接合の温度依存性に起因して、２５℃と１２５℃とで電流値が異なっている。
これに対し、高電圧範囲１４では、ショットキー接合の温度依存性の影響が小さくなり、２５℃と１２５℃とで電流値がほぼ異ならない。
すなわち、本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）では、絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流（ＩＲｔ）がショットキー接合（ＳＢ）の逆方向漏れ電流（ＩＲｓ）より大きく立ち上がる電圧範囲と、それ未満のショットキー接合（ＳＢ）の逆方向漏れ電流（ＩＲｓ）を主とした電圧範囲とを比較して、前者の温度依存性が後者の温度依存性より小さい。
図５に示すように、低電圧範囲１３では、ショットキー接合の温度依存性に起因して、２５℃と１２５℃とで電流値が異なっている。
これに対し、高電圧範囲１４では、ショットキー接合の温度依存性の影響が小さくなり、２５℃と１２５℃とで電流値がほぼ異ならない。
すなわち、本発明例のダイオード（Ｄ１，Ｄ２）では、絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流（ＩＲｔ）がショットキー接合（ＳＢ）の逆方向漏れ電流（ＩＲｓ）より大きく立ち上がる電圧範囲と、それ未満のショットキー接合（ＳＢ）の逆方向漏れ電流（ＩＲｓ）を主とした電圧範囲とを比較して、前者の温度依存性が後者の温度依存性より小さい。
以上の本実施形態の電気回路において、センサ素子Ｓ１の電流信号を高電圧範囲１４に設定し、センサ素子Ｓ１とダイオードＤ１（Ｄ２）との接続点がトランジスタＴ１のＯＮ電圧と、ＯＦＦ電圧とに変化するように設定する。
図１の電気回路では、ノーマリーＯＮで、センサ素子Ｓ１が検出対象の外的要因（光、圧力など）を検出してその検出信号を電流信号として出力すると、ダイオードＤ１のアノード電位がトランジスタＴ１のＯＦＦ電位となり、トランジスタＴ１がＯＦＦとなる。したがって、ノーマリーＯＮで、センサ素子Ｓ１による検出でＯＦＦとなる電気回路が構成される。
図７の電気回路では、ノーマリーＯＦＦで、センサ素子Ｓ１が検出対象の外的要因（光、圧力など）を検出してその検出信号を電流信号として出力すると、ダイオードＤ２のカソード電位がトランジスタＴ１のＯＮ電位となり、トランジスタＴ１がＯＮとなる。したがって、ノーマリーＯＦＦで、センサ素子Ｓ１による検出でＯＮとなる電気回路が構成される。
そして、図５に示したように高電圧範囲１４では、センサ素子の電流信号に応じたゲート電圧のリニアリティを温度依存性少なく実現できるので、環境温度によらず精度よく動作させることができる。
図１の電気回路では、ノーマリーＯＮで、センサ素子Ｓ１が検出対象の外的要因（光、圧力など）を検出してその検出信号を電流信号として出力すると、ダイオードＤ１のアノード電位がトランジスタＴ１のＯＦＦ電位となり、トランジスタＴ１がＯＦＦとなる。したがって、ノーマリーＯＮで、センサ素子Ｓ１による検出でＯＦＦとなる電気回路が構成される。
図７の電気回路では、ノーマリーＯＦＦで、センサ素子Ｓ１が検出対象の外的要因（光、圧力など）を検出してその検出信号を電流信号として出力すると、ダイオードＤ２のカソード電位がトランジスタＴ１のＯＮ電位となり、トランジスタＴ１がＯＮとなる。したがって、ノーマリーＯＦＦで、センサ素子Ｓ１による検出でＯＮとなる電気回路が構成される。
そして、図５に示したように高電圧範囲１４では、センサ素子の電流信号に応じたゲート電圧のリニアリティを温度依存性少なく実現できるので、環境温度によらず精度よく動作させることができる。
以上のような絶縁体層３を通る逆方向漏れ電流ＩＲｔに起因した逆方向電圧電流特性を実現するために、絶縁体層３を薄膜化して、ショットキー接合ＳＢの降伏電圧以下の所望の電圧範囲で、漏れ電流ＩＲｔが十分に発生するように、ダイオードＤ１，Ｄ２を構成する。
その一つの手法としては、図６に示す絶縁体層３の縁部構造を構成することである。
図６に示すように、絶縁体層３の縁部３１は、厚みが縁３２に向かって漸減する勾配を有して形成され、当該勾配は、当該縁３２から縁部３１より内側の中央部３３に近づくほど急勾配に変化している。
かかる構造により、絶縁体層３の縁３２付近の薄い部分での漏れ電流ＩＲｔの発生を比較的低電圧で引き起こすことができる。
また、かかる構造は、絶縁体層３のウエットエッチングにより容易に形成することができるので、容易に実施することができる。
以上の構成に拘わらず、絶縁体層３を全体的に薄膜化して所望の特性の漏れ電流ＩＲｔを実現してもよいことは勿論である。
その一つの手法としては、図６に示す絶縁体層３の縁部構造を構成することである。
図６に示すように、絶縁体層３の縁部３１は、厚みが縁３２に向かって漸減する勾配を有して形成され、当該勾配は、当該縁３２から縁部３１より内側の中央部３３に近づくほど急勾配に変化している。
かかる構造により、絶縁体層３の縁３２付近の薄い部分での漏れ電流ＩＲｔの発生を比較的低電圧で引き起こすことができる。
また、かかる構造は、絶縁体層３のウエットエッチングにより容易に形成することができるので、容易に実施することができる。
以上の構成に拘わらず、絶縁体層３を全体的に薄膜化して所望の特性の漏れ電流ＩＲｔを実現してもよいことは勿論である。
以上説明した電気回路を検出部として有する電気装置を実施し得る。例えば、各種生産機械、ＩｏＴ機器等を実施し得る。例えば、生産機械における稼働状況をセンサ素子Ｓ１に感知させてトランジスタＴ１によりＯＮ／ＯＦＦ信号として出力させ、通信路を介して生産管理コンピューターシステムに送信するように実施することができる。
ＩｏＴ機器でも同様に、外的要因をセンサ素子Ｓ１に感知させてトランジスタＴ１によりＯＮ／ＯＦＦ信号として出力させ、通信ネットワークを介してパーソナル・コンピューターやモバイル・コンピューターに送信するように実施することができる。
また、データ通信により離れた装置に送信する実施形態のみならず、同電気装置に備わるモーター、ライトその他の電気機器の動作を、必要により制御ＩＣを介して操作するように実施することができる。
このような電気装置において、電圧駆動のトランジスタを作動させるために、マイコン（ＩＣチップ）が不要となり、低コスト化、小型軽量化を図ることができ、温度依存性が小さく、高い動作信頼性を実現できる。
ＩｏＴ機器でも同様に、外的要因をセンサ素子Ｓ１に感知させてトランジスタＴ１によりＯＮ／ＯＦＦ信号として出力させ、通信ネットワークを介してパーソナル・コンピューターやモバイル・コンピューターに送信するように実施することができる。
また、データ通信により離れた装置に送信する実施形態のみならず、同電気装置に備わるモーター、ライトその他の電気機器の動作を、必要により制御ＩＣを介して操作するように実施することができる。
このような電気装置において、電圧駆動のトランジスタを作動させるために、マイコン（ＩＣチップ）が不要となり、低コスト化、小型軽量化を図ることができ、温度依存性が小さく、高い動作信頼性を実現できる。
本開示は、電気回路及び電気装置に利用することができる。
１ 金属層
２ 半導体層
３ 絶縁体層
４ カソード電極金属層
Ｄ１，Ｄ２ ショットキーバリアダイオード
Ｄ３ 比較例のショットキーバリアダイオード
Ｓ１ センサ素子
ＳＢ ショットキー接合
Ｔ１ トランジスタ
２ 半導体層
３ 絶縁体層
４ カソード電極金属層
Ｄ１，Ｄ２ ショットキーバリアダイオード
Ｄ３ 比較例のショットキーバリアダイオード
Ｓ１ センサ素子
ＳＢ ショットキー接合
Ｔ１ トランジスタ
Claims (10)
- 電流信号を出力するセンサ素子と、
前記センサ素子に接続したショットキーバリアダイオードと、
前記センサ素子と前記ショットキーバリアダイオードの接続点に、ゲート電極を接続した電圧駆動のトランジスタと、を有し、
前記ショットキーバリアダイオードは、ショットキー接合を形成する金属層と半導体層の間の一部の領域に、絶縁体層を有する電気回路。 - 前記絶縁体層は、ショットキー接合に隣接した領域で一面を前記金属層に接合し、反対面を前記半導体層に接合している請求項１に記載の電気回路。
- 平面視で前記金属層と前記半導体層とのショットキー接合に囲まれた領域に前記絶縁体層を前記金属層と前記半導体層との間に有する請求項１又は請求項２に記載の電気回路。
- 前記金属層と前記半導体層とのショットキー接合が逆電圧印加時で降伏前の状態にあるとき、前記絶縁体層を通る逆方向漏れ電流を流す逆方向電圧電流特性を有する請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の電気回路。
- 前記絶縁体層を通る逆方向漏れ電流は、前記ショットキー接合の逆方向漏れ電流より大きく立ち上がる逆方向電圧電流特性を有する請求項４に記載の電気回路。
- 前記絶縁体層を通る逆方向漏れ電流が前記ショットキー接合の逆方向漏れ電流より大きく立ち上がる電圧範囲と、それ未満のショットキー接合の逆方向漏れ電流を主とした電圧範囲とを比較して、前者の温度依存性が後者の温度依存性より小さい請求項５に記載の電気回路。
- 前記絶縁体層の縁部は、厚みが縁に向かって漸減する勾配を有して形成され、当該勾配は、当該縁から前記縁部より内側の中央部に近づくほど急勾配に変化している請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の電気回路。
- 前記ショットキーバリアダイオードは第１電位側にあり、前記センサ素子は前記第１電位より低い第２電位側にある請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載の電気回路。
- 前記センサ素子は第１電位側にあり、前記ショットキーバリアダイオードは前記第１電位より低い第２電位側にある請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載の電気回路。
- 請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載の電気回路を有する電気装置。
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP7456940B2 true JP7456940B2 (ja) | 2024-03-27 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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|---|---|---|---|---|
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