JPH0261695B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は導電性が温度依存性である半導体素子
を具え、前記半導体素子にはプレーナ電極とその
反対側にほぼ針状（point―shaped）の電極とを
設け、かつ前記半導体素子は限界温度を持つてい
てその温度より高い温度ではその導電性が電流方
向に依存し、さらに前記電極に接続された信号源
および測定デバイスを具えた温度測定用回路装置
に関するものである。

電子的温度測定のためにその温度依存抵抗が利
用されている半導体素子は既知である。半径方向
の拡大する抵抗の原理（radial spreading
resistance principle）に従つて動作する半導体
素子がある。基本的には、かかる半導体素子は一
方の面にプレーナ電極を他方の反対面に極めて小
さい電極を設けた半導体結晶からなる。これらの
２個の電極間の電流分布はほぼ円錐形であつて、
半導体素子の内部抵抗に対する結晶寸法の許容範
囲の影響を著しく消滅する。さらに、この装置で
は結晶における表面効果の結果として電流の変動
が排除されている。通常のNTCセンサ素子と比
較すると、半径方向の拡大する抵抗の原理に従つ
て動作する半導体素子の場合の測定誤差は著しく
小さい。

しかし、かかる半導体素子は２つの大きな欠点
を有する。第１に、高温度領域に向う前記素子の
動作範囲は真性導通が起る結果として制御される
ことで、この理由は半導体素子の内部抵抗が外因
性導通範囲では温度の上昇に伴なつて増大するが
真性導通が始まると再び低下するからである。第
２に、電極面積が著しく異なる結果として半導体
素子の内部抵抗は電流の方向に依存することであ
る。電流方向に対する内部抵抗のかかる依存性は
真性導通が始まると著しく増大する。

殴州特許出願EP第0028387号は、半導体本体の
上側に少くとも２個の金属接点を設け、上側とは
反対側の表面に金属被覆を設けてなる温度センサ
を開示している。かかる半導体素子では、上側に
おける金属接点を接続部として用いる。電流伝搬
ラインは一方の金属接点から半導体本体を通つて
金属被覆まで延在し、またこの金属被覆から半導
体本体を通つて他方の金属接点まで延在する。こ
のことは、電流伝搬ラインが半導体本体内を通つ
て両方向に延在していて、電流方向に対する半導
体本体の内部抵抗の依存性が低下することを意味
する（前記殴州出願の第５図参照）。しかし、こ
の場合でも、抵抗の非対称性、従つて測定誤差は
真性導通が始まると著しく増大する。

西独国特許出願第3041818号は真性導通が始ま
る温度より高い温度用の半導体デバイスを開示し
ており、このデバイスは半導体本体に表面積の著
しく異なる２個の電極を設けたものである。しか
も、この半導体デバイスを流れる電流の大きさお
よび方向は、半導体本体中に、ほとんどすべての
少数電荷キヤリヤが負電位にある電極まで搬送さ
れ、従つてこれに相当する分量の多数電荷キヤリ
ヤが半導体本体中に残留し、これにより真性導通
が著しく相殺されるような電界強さ分布が得られ
るように選定されている。この極性のために、真
性導通が著しい高い温度で始まり、従つて外因性
導通が優勢である範囲が高温領域に向け拡大され
る。この範囲では半導体素子の抵抗特性は温度と
共に一層上昇し、半導体デバイスの測定範囲は高
温領域に向け拡大される。

かかる半導体デバイスにおいて電流方向に対す
る抵抗特性の依存性が大きいことは、特に温度測
定範囲の上部において欠点となる。

上述の種類の既知の温度センサは数百Ω〜数キ
ロΩの範囲の内部抵抗を有しているので、通常の
測定および信号処理用半導体回路に用いるのに適
している。既知の回路装置では半導体回路は常に
直流電圧または直流電流によつて動作する。かか
る動作方法の場合には、電流方向に対する内部抵
抗の依存性は測定誤差の原因となり、回路設計に
関する可能性を制約する。殴州特許出願EP第
0028387号に記載されている温度センサはこれら
の欠点を消滅していない。電流方向に対する内部
抵抗の依存性は真性導通が始まる温度より低い温
度範囲においてのみ比較的小さいが、半導体本体
は簡単な装置であるにも拘らず著しく大きくな
る。かかる特別な設計は半導体素子の熱的慣性が
大きくなる原因となるほか、すべての目的に不適
当なケーシング構造になる。

本発明の目的は真性導通の結果として半導体素
子の導電性が既に電流方向に依存している温度に
おいても高い測定感度を有する簡単で、精確に動
作しかつ安価な測定装置を提供するにある。

本発明においては、冒頭に記載した種類の回路
装置において、前記信号源が交流電流源または交
流電圧源であつて、前記測定デバイスが半導体の
導電性の差従つて供給信号の極性に依存する半導
体温度を測定するためのものであることを特徴と
する温度測定用回路装置により、本発明の目的を
達成する。

信号源からの交流電気信号は零点に対し少くと
ほぼ対称的である波形を有しているのが適当であ
る。

本発明の他の例では、回路装置は半導体素子に
交流電流を供給する信号源および供給交流電流の
結果として半導体素子の両端間に生ずる電圧を検
出する測定デバイスを具える。あるいはまた、こ
の回路装置は半導体素子に交流電圧を印加する信
号源および半導体素子中に生ずる電流を検出する
測定デバイスを具えることができる。

本発明のさらに他の例では、半導体素子をイン
ピーダンス好ましくはキヤパシタンスと直列回路
に配置し、信号源をこの直列回路に接続し、測定
デバイスをインピーダンスと並列に配置する。

本発明の回路装置では、好ましくは高インピー
ダンスを有し、かつそのドーピング濃度がほぼ
10¹³〜10¹⁶原子／cm³のドーピング原子の範囲内に
ある材料の半導体素子を用いるのが適当である。
かかる材料では、現在の用途にとつて最も興味の
ある温度範囲において２通りの電流導通機構：不
純物の消耗を伴う外因性導通および真性導通が有
利である。比較的低い温度では外因性導通が優勢
であつて、これは半導体材料の導電性が電荷キヤ
リヤの易動度のみに依存し、易動度は温度の上昇
に伴なつて低下するからである。この結果半導体
材料の比抵抗は温度の上昇に伴つて増大する。比
較的高い温度では真性導通が優勢であつて、これ
は電荷キヤリヤの密度が温度の上昇に伴つて増大
するからである。この結果半導体材料の比抵抗は
温度の上昇に伴つて減少する。

特定のドーピング濃度の場合には、例えばケイ
素は約−200℃〜約＋800℃の温度範囲において上
述したような性質を示し、外因性導通範囲と真性
導通範囲との間の移動点はドーピング濃度に依存
して約＋100℃と約＋300℃との間にある。

しかし、真性導通により生ずる抵抗は、電極下
の接続面積が充分な分量の電荷キヤリヤを生成す
る場合にのみ、得ることができる。かかる電荷キ
ヤリヤの生成は半導体材料中および電極面積から
の電荷キヤリヤ発生速度に依存する。電荷キヤリ
ヤの発生速度は温度が上昇するにつれて高くな
る。他方、半導体素子に比較的大きな電流が流れ
る場合には、小電流の場合より高い発生速度が必
要になる。この場合に用いる大きさの異なる電極
を設けた半導体素子においては、この結果電流方
向に依存する内部抵抗の変動が温度の関数とな
り、この際さらに半導体素子を通る電流が増大す
るにつれて抵抗の変動が増大する。

半径方向の拡大する抵抗の原理に従つて動作す
る半導体素子により温度を測定するためのすべて
の既知回路装置では、外因性導通範囲を測定範囲
として利用する。内部抵抗の電流方向に対する依
存性は既に外因性導通範囲において僅かな程度起
つているが、かかる依存性は半導体素子の使用可
能な範囲およびその測定精度を限定する。本発明
においては、異なる電流方向における半導体素子
の内部抵抗のこのような差を利用して測定値を得
る。温度と測定デバイスによつて検出される電気
測定量との関係を明確にするには、二つの電流方
向における内部抵抗の特性が異なる傾斜を持つて
いる必要がある、即ち半導体素子の温度係数は電
流方向に依存性である。特に、温度係数の符号も
電流方向に依存性である。外因性導通範囲におけ
る内部抵抗の電流方向依存性は小さく、かつ真性
導通が始まる点で有用な測定信号のみを供給する
ので、温度の関数である測定信号の変動は明確な
限界値を示す。この限界値は半導体素子のドーピ
ング濃度に依存しており、しかも半導体素子に強
さの異なる電流を用いることによつて移行させる
ことができる。

原則として、任意の波形および周波数の交流電
気信号を使用して内部抵抗の電流方向移存性を評
価することができる。少くともほぼ対称の波形、
例えば正弦波、方形波または三角波は測定信号の
評価を著しく簡単にする。

交流電圧源を利用して光を測定または検出する
ための感光性素子を付勢する測定装置はそれ自体
既知である。しかし、この素子は整流器として作
用し、光が測定に寄与しないブロツキング状態を
有する。本発明の回路装置では、導電性が電流方
向依存性になる限界値より高い点で温度を測定す
る。光測定装置の一例は米国特許第2054836号明
細書に記載されている。

本発明は、使用する半導体素子の真性導通範囲
における正確な温度測定を可能にする回路装置を
提供するという利点を有する。従つて、半径方向
の拡大する抵抗の原理に従つて動作する温度測定
素子の動作範囲は高温領域に向けて著しく延長さ
れる、例えば従来設計のＮ―ドーブケイ素半導体
素子の場合には約150℃から300℃を越えるまで延
長される。さらに、測定デバイスにより温度の関
数として検出される信号の変動は、直流電圧また
は直流電流により通常の方法で駆動した際の半導
体素子の温度係数より大きい。しかし、多くの用
途において測定信号のかかる限界特性は有利であ
る（「FUNKSCHAU」，1978，第14巻，第679〜
682頁参照）。従つて本発明は簡単な追加サーキツ
トリを具える簡単な半導体素子を用いた温度測定
装置を提供し、この装置は正確に動作し、調節が
容易で、従つて多量生産される製品、例えば自動
車、家庭用器具等における測定の仕事に対する安
価な解決を提供する。狭い許容範囲で半導体素子
を安価に製造できるので、測定精度に課せられる
必要条件が厳しくない場合には回路装置を調節す
る必要はない。

本発明を図面を参照して例について説明する。

第１図は内部抵抗が温度の関数として変動する
状態を示す。曲線の左手の上昇する部分は外因性
導通範囲を示す。電流の大きさおよび方向に依存
して異なる温度で真因性導通が始まり、温度の上
昇に伴なつて内部抵抗が低下する。電流方向によ
る内部抵抗の差は電流の増大に伴なつて増大し、
かつまたその時その時の電流方向において真性導
通が始まる温度は電流の増大に伴なつて常に互に
著しく異なる。従つて回路装置の測定範囲および
感度を電流によつて直接調節することができる。

第２図は本発明の回路装置の原理を示す図であ
る。直列に配置した温度依存性半導体素子とキヤ
パシタンスとをAC発生器の出力端子に接続する。
AC発生器は正弦波電圧を印加する。オシロスコ
ープおよび電圧計をキヤパシタンスと並列に配置
する。電圧計はキヤパシタンスの両端間の電圧、
即ちその直流成分の算術平均を示す。

第３図は直流電圧が半導体素子の温度の関数と
して変動する状態を示す。外因性導通範囲では、
半導体素子の内部抵抗は小変動を除けば電流方向
とは無関係で、キヤパシタンスの両端間の電圧降
下は直流成分の存在しない正弦波である。真性導
通が高温領域に向けて始まる点で、抵抗の電流方
向依存性によつてキヤパシタンスの両端間の電圧
が変形し、直流成分を生成する。この直流成分は
温度が上昇するにつれて急激に増大する。

第２図について説明した本発明の回路装置は、
例えば、次の部品を使用して組立てた。

AC発生器は1.8Vのピーク値および500Hzの周
波数を有する正弦波電圧をその出力端子で生ず
る。温度依存性半導体素子はバルボ（Valvo）素
子、タイプKTY83である。キヤパシタンスは
4.7μFである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一例に用いる半導体素子
の内部抵抗と温度との関係を示すグラフ、第２図
は本発明装置の原理を示す回路図、第３図は測定
器Ｖの電圧の読みと温度との関係を示すグラフで
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導電性が温度依存性である半導体素子を具
   え、前記半導体素子にはプレーナ電極とその反対
   側にほぼ針状の電極とを設け、かつ前記半導体素
   子は限界温度を持つていてその温度より高い温度
   ではその導電性が電流方向に依存し、さらに前記
   電極に接続された信号源および測定デバイスを具
   えた温度測定用回路装置において、 前記信号源を交流電流源または交流電圧源と
   し、前記測定デバイスが半導体の導電性の差従つ
   て供給信号の極性に依存する半導体温度を測定す
   るためのものである ことを特徴とする温度測定用回路装置。 ２ 信号源からの交流電気信号は零点に対し少く
   ともほぼ対称的な波形を有している特許請求の範
   囲の第１項に記載の装置。 ３ 半導体素子に交流電流を供給する信号源およ
   び供給交流電流の結果として半導体素子の両端間
   に生ずる電圧を検出する測定デバイスを具えた特
   許請求の範囲第１項または第２項に記載の装置。 ４ 半導体素子に交流電圧を印加する信号源およ
   び前記交流電圧の結果として半導体素子中に生ず
   る電流を検出する特許請求の範囲第１項または第
   ２項に記載の装置。 ５ 半導体素子をインピーダンス好ましくはキヤ
   パシタンスと直列回路に配置し、信号源をこの直
   列回路に接続し、測定デバイスをインピーダンス
   と並列に配置した特許請求の範囲第４項に記載の
   装置。 ６ 特許請求の範囲の第１〜５項のいずれか一つ
   の項に記載の回路装置用の半導体素子において、 これより高い温度では半導体素子の導電性が電
   流方向に依存するという限界温度が温度測定範囲
   の下限に相当するような構造および／または組成
   を有することを特徴とする半導体素子。 ７ 限界温度が半導体素子における電流の大きさ
   によつて決まる特許請求の範囲の第６項に記載の
   半導体素子。