JPH08136356A

JPH08136356A - 温度検知装置及び方法並びにこれを用いた半導体温度調節システム

Info

Publication number: JPH08136356A
Application number: JP6273291A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Akagawa; 圭一赤川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-11-08
Filing date: 1994-11-08
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】構成が簡単で安価であるという特徴を損なう
ことなく、ノイズの多い環境下においてもオフセットが
少なくかつ安定した温度検知信号を得る。【構成】温度検知装置２１は、ＰＮダイオード２と、
ＰＮダイオード２に一定値の順方向電流を流す定電流源
２３と、ＰＮダイオード２の両端間の電圧を計測する電
圧計４とを備える。定電流源２３によりＰＮダイオード
２に流される順方向電流の値を、ＰＮダイオード２の順
方向電流電圧特性の指数関数領域と該指数関数領域をは
ずれる領域との間の境界付近の順方向電流の値以上にす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＰＮダイオードの順方
向電流電圧特性の温度依存性を利用した温度検知装置及
び方法並びにこれを用いた半導体温度調節システムに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＰＮダイオードは、図５乃至図７に示す
ように、順方向電流電圧特性が温度によって大きく変化
する。例えば、シリコンダイオードでは、シリコンダイ
オードの温度が１゜Ｃ変化すると、シリコンダイオード
の両端間の電圧は約２．３ｍＶ変化する。

【０００３】図５は、ＰＮダイオードの一つであるゲル
マニウムダイオードの低電流領域の順方向電流電圧特性
の一例を示す図である。図６は、ＰＮダイオードの一つ
であるシリコンダイオードの低電流領域の順方向電流電
圧特性の一例を示す図である。図７は、ＰＮダイオード
の一つであるガリウムヒ素ダイオードの低電流領域の順
方向電流電圧特性の一例を示す図である。

【０００４】図５乃至図７において、縦軸は順方向電流
Ｉ_Fを示し、横軸は順方向電圧｜Ｖ_F｜を示し、温度をパ
ラメータとしている。なお、図５乃至図７中の破線は、
ｅ^q| ^VF|/kTとｅ^q|VF|/2kTに依存する関数の勾配を表し
ている。ここで、ｑは電子の電荷量、ｋはボルツマン定
数、Ｔは絶対温度を示す。

【０００５】さらに、図８は、ゲルマニウムダイオー
ド、シリコンダイオード及びガリウムヒ素ダイオードの
２５゜Ｃにおける高電流領域の順方向電流電圧特性の一
例を示す図である。なお、図８中の破線は、ｅ^q|VF|/kT
とｅ^q|VF|/2kTに依存する関数の勾配を表している。

【０００６】図８中、点Ａはゲルマニウムダイオードの
順方向電流電圧特性の指数関数領域と該指数関数領域を
はずれる領域との境界を示し、Ａ点より順方向電流が小
さい領域が指数関数領域となっている。また、図８中、
Ｂ点はシリコンダイオードの順方向電流電圧特性の指数
関数領域と該指数関数領域をはずれる領域との境界を示
し、Ｃ点はガリウムヒ素ダイオードの順方向電流電圧特
性の指数関数領域と該指数関数領域をはずれる領域との
境界を示している。

【０００７】図８に示すように、各ＰＮダイオードにお
いて、それぞれＡ点、Ｂ点及びＣ点より大きい順方向電
流を流すと、順方向電圧の増加に対する順方向電流の増
加の量が小さくなって指数関数領域をはずれてしまい、
順方向電流電圧特性の非線形性が弱くなる。この理由
は、ＰＮダイオードが内部抵抗を有しているので、順方
向電流が大きくなるとその内部抵抗による電圧降下が順
方向電流電圧特性に現れてくるからである。すなわち、
理想的なＰＮダイオードは順方向電流電圧特性がどの電
流値でも指数関数特性を示すが、実際のＰＮダイオード
には必ず内部抵抗があるので、図８に示すように、ゲル
マニウムダイオードであれシリコンダイオードであれガ
リウムヒ素ダイオードであれ、高電流領域での順方向電
流電圧特性は、指数関数特性からはずれてくるのであ
る。

【０００８】なお、図５乃至図８に示された特性は、マ
グロウヒル出版株式会社から発行された著者がＡ．Ｓ．
グローブで監訳が垂井康夫である「半導体デバイスの基
礎」と題する書籍に掲載されたものである。

【０００９】従来から、以上説明したＰＮダイオードの
順方向電流電圧特性の温度依存性を利用した温度検知装
置が提供されている。

【００１０】図９は、ＰＮダイオードを用いた従来の温
度検知装置１を示す回路図である。この温度検知装置１
は、ＰＮダイオード２と、該ＰＮダイオード２に低レベ
ルの一定値の順方向電流を流す定電流源３と、ＰＮダイ
オード２の両端の電圧を計測する電圧計４とから構成さ
れている。なお、電圧計４は、ＰＮダイオード２又は定
電流源３の両端に接続されている。

【００１１】そして、定電流源３は、前述した図５乃至
図７からわかるようにＰＮダイオードに低レベルの順方
向電流を流した場合十分な温度検知感度（温度変化に対
するＰＮダイオードの順方向電圧の変化量）が得られる
ことから、ＰＮダイオード２の指数関数領域内の順方向
電流である低レベルの順方向電流をＰＮダイオード２に
流すようにされている。

【００１２】この温度検知装置１を使用する際には、温
度を測定すべき被検物５に熱的に接触させる。これによ
り、電圧計４からＰＮダイオード２の両端の電圧の値を
示す温度検知信号が出力され、被検物５の温度が検知さ
れる。

【００１３】このような温度検知装置１は、熱電対を用
いた温度検知装置に比べて構成が簡単で安価であるとい
う特徴がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば、赤
外線固体撮像装置などの半導体装置は使用時に低い一定
の温度に厳密に保つ必要があるので、従来から、半導体
装置と、該半導体装置の温度を検知する温度検知装置
と、前記半導体装置の温度を調節する冷却器などの温度
調節器と、前記温度検知装置からの温度検知信号に基づ
いて前記半導体装置の温度が所定温度となるように前記
温度調節器を制御する制御器とを備えた半導体温度調節
システムが提供されている。

【００１５】そして、従来の半導体温度調節システムで
は、前記温度検知装置として熱電対を用いた温度検知装
置が使用されている。

【００１６】しかし、前述した図９に示すようなＰＮダ
イオード２を用いた温度検知装置１は前述したように熱
電対を用いた温度検知装置に比べて構成が簡単で安価で
あることから、本件発明者は、前記従来の半導体温度調
節システムにおいて、熱電対を用いた温度検知装置の代
わりに図９に示す温度検知装置１を使用してみた。すな
わち、本件発明者は、図１０に示す半導体温度調節シス
テムを作成した。

【００１７】図１０に示す半導体温度調節システムは、
半導体装置としての赤外線固体撮像装置１０と、ＰＮダ
イオード２が赤外線固体撮像装置１０に熱的に接触され
た図９に示した温度検知装置１と、赤外線固体撮像装置
１０の温度を調節する温度調節器としての冷却器１１
と、ＰＮダイオード２の両端の電圧を示す電圧計４から
の温度検知信号（計測結果）１６に基づいて赤外線固体
撮像装置１０の温度が所定温度（７７Ｋ）となるように
冷却器１１を制御する制御器１７とを備えている。赤外
線固体撮像装置１０は、駆動・読み出し回路１２から送
られる駆動信号１３により動作し、画像信号１４を駆動
・読み出し回路１２に送り返す。冷却器１１は、コール
ドヘッド１５を介して赤外線固体撮像装置１０を冷却す
る。なお、図１０に示す半導体温度調節システムでは、
ＰＮダイオード２としてシリコンダイオードを用いた。

【００１８】この半導体温度調節システムでは、まず、
冷却器１１を動作させ冷却を開始し、ＰＮダイオード２
に定電流源３から１μＡの一定直流電流を流し、制御部
１７が電圧計４の出力を温度検知信号１６としてモニタ
ーする。電圧計４が計測する電圧（ＰＮダイオード２の
両端の電圧）は室温（３００Ｋ）では４００〜５００ｍ
Ｖとなるが、赤外線固体撮像装置１０が７７Ｋまで冷却
されると９５０〜１０５０ｍＶになる。そこで、制御部
１７は、冷却器１１のパワーを下げて、赤外線固体撮像
装置１０が７７Ｋで一定となるように、すなわち、電圧
計４が計測する電圧が例えば１０００ｍＶで一定となる
ように、冷却器１１を制御する。

【００１９】次に、温度が一定になった所で、赤外線固
体撮像装置１０の駆動と読み出しを行うための駆動・読
み出し回路１２の電源を入れると、システムとしての動
作が開始する。

【００２０】しかし、図１０に示す半導体温度調節シス
テムでは、以下に説明する２つの問題点が発生した。

【００２１】まず、第１の問題点は、駆動・読み出し回
路１２の電源を入れ、赤外線固体撮像装置１０を動作さ
せると、電圧計４が計測した電圧が９００ｍＶ程度まで
低下してしまう現象が起こることである。すなわち、温
度検知信号１６に１００ｍＶ程度のオフセットが発生し
てしまうという問題点である。

【００２２】さらに、第２の問題点は、赤外線固体撮像
装置１０を動作し続けると、９００ｍＶに低下した電圧
計４が計測する電圧が時間とともに変動し不安定になる
ことである。

【００２３】このように、図１０に示す半導体温度調節
システムでは、温度検知信号１６にオフセットが発生し
かつ不安定であり、温度検知装置１が正常に作動しなか
った。このため、赤外線固体撮像装置１０を厳密に７７
Ｋに保つことができず、システム全体として正常に動作
しなかった。すなわち、図９に示す従来の温度検知装置
１は半導体温度調節システムにおける温度検知装置とし
て用いることができなかった。

【００２４】本件発明者による研究の結果、図１０に示
す半導体温度調節システムにおいて温度検知装置１が正
常に作動しない原因が、赤外線固体撮像装置１０が発す
る電気的なノイズ（電源やグランドを回ってくるノイズ
や空中を電磁波として飛び込んでくるノイズ等であって
ＰＮダイオード２に乗るもの）であることが判明した。

【００２５】本発明は、前記事情に鑑みてなされたもの
で、ＰＮダイオードを用いた温度検知装置がそもそも有
していた特徴である構成が簡単で安価であるという特徴
を損なうことなく、ノイズの多い環境下においてもオフ
セットが少なくかつ安定した温度検知信号を得ることが
できる、ＰＮダイオードを用いた温度検知装置及び方法
を提供すること、並びに、これを用いた半導体温度調節
システム及び方法を提供することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による温度検知装置は、ＰＮダ
イオードと、該ＰＮダイオードに一定値の順方向電流を
流す定電流源と、前記ＰＮダイオードの両端間の電圧を
計測する計測手段とを備え、前記定電流源により前記Ｐ
Ｎダイオードに流される順方向電流の値を、前記ＰＮダ
イオードの順方向電流電圧特性の指数関数領域と該指数
関数領域をはずれる領域との間の境界付近の順方向電流
の値以上にしたものである。

【００２７】本発明の第２の態様による温度検知装置
は、前記第１の態様による温度検知装置において、前記
定電流源により前記ＰＮダイオードに流される順方向電
流の値を、前記ＰＮダイオードの順方向電流電圧特性の
指数関数領域と該指数関数領域をはずれる領域との間の
境界付近の順方向電流の値の１０倍以下にしたものであ
る。

【００２８】本発明の第３の態様による温度検知装置
は、ＰＮダイオードと、該ＰＮダイオードに一定値の順
方向電流を流す定電流源と、前記ＰＮダイオードの両端
間の電圧を計測する計測手段とを備え、前記ＰＮダイオ
ードの順方向の内部抵抗値と前記定電流源により前記Ｐ
Ｎダイオードに流される順方向電流の値との積を１ｍＶ
以上にしたものである。

【００２９】本発明の第４の態様による温度検知装置
は、前記第３の態様による温度検知装置において、前記
ＰＮダイオードの順方向の内部抵抗値と前記定電流源に
より前記ＰＮダイオードに流される順方向電流の値との
積を１０ｍＶ以下にしたものである。

【００３０】本発明の第５の態様による温度検知装置
は、ＰＮダイオード及び抵抗とからなる直列回路と、該
直列回路に一定値の順方向電流を流す定電流源と、前記
直列回路の両端間の電圧を計測する計測手段とを備え、
前記定電流源により前記直列回路に流される順方向電流
の値を、前記直列回路の順方向電流電圧特性の指数関数
領域と該指数関数領域をはずれる領域との間の境界付近
の順方向電流の値以上の値にしたものである。

【００３１】本発明の第６の態様による温度検知装置
は、前記第５の態様による温度検知装置において、前記
定電流源により前記直列回路に流される順方向電流の値
を、前記直列回路の順方向電流電圧特性の指数関数領域
と該指数関数領域をはずれる領域との間の境界付近の順
方向電流の値の１０倍以下にしたものである。

【００３２】本発明の第７の態様による温度検知装置
は、ＰＮダイオードと抵抗とからなる直列回路と、該直
列回路に一定値の順方向電流を流す定電流源と、前記直
列回路の両端間の電圧を計測する計測手段とを備え、前
記直列回路の順方向の抵抗値と前記定電流源により前記
直列回路に流される順方向電流の値との積を１ｍＶ以上
にしたものである。

【００３３】本発明の第８の態様による温度検知装置
は、前記第７の態様による温度検知装置において、前記
直列回路の順方向の抵抗値と前記定電流源により前記直
列回路に流される順方向電流の値との積を１０ｍＶ以下
にしたものである。

【００３４】本発明の第９の態様による温度検知装置
は、前記第１乃至第８のいずれかの態様による温度検知
装置において、前記ＰＮダイオードをゲルマニウムダイ
オード又はシリコンダイオード又はガリウムヒ素ダイオ
ードとしたものである。

【００３５】本発明の第１０の態様による半導体温度調
節システムは、前記第１乃至第９のいずれかの態様によ
る温度検知装置と、半導体装置と、該半導体装置の温度
を調節する温度調節手段と、前記計測手段による計測結
果に基づいて前記半導体装置の温度が所定温度となるよ
うに前記温度調節手段を制御する制御手段とを備え、前
記ＰＮダイオードを前記半導体装置に熱的に接触させた
ものである。なお、前記温度調節手段としては、用途に
応じて、冷却手段であってもよいし、加熱手段であって
もよいし、その両方の手段から構成されていてもよい。

【００３６】本発明の第１１の態様による半導体温度調
節システムは、前記第１０の態様による半導体温度調節
システムにおいて、前記ＰＮダイオードを前記半導体装
置を構成する基板上に形成したものである。もっとも、
前記ＰＮダイオードは必ずしも前記基板上に形成しなく
てもよい。

【００３７】本発明の第１２の態様による半導体温度調
節システムは、前記第１０又は第１１の態様による半導
体温度調節システムにおいて、前記半導体装置を赤外線
固体撮像装置とし、前記温度調節手段を冷却器としたも
のである。

【００３８】本発明の第１３の態様による温度検知方法
は、温度を測定すべき被検物にＰＮダイオードを熱的に
接触させ、該ＰＮダイオードに一定値の順方向電流を流
し、前記ＰＮダイオードの両端間の電圧を計測する温度
検知方法において、前記ＰＮダイオードに流す順方向電
流の値を、前記ＰＮダイオードの順方向電流電圧特性の
指数関数領域と該指数関数領域をはずれる領域との間の
境界付近の順方向電流の値以上、前記ＰＮダイオードの
順方向電流電圧特性の指数関数領域と該指数関数領域を
はずれる領域との間の境界付近の順方向電流の値の１０
倍以下にしたものである。

【００３９】本発明の第１４の態様による温度検知方法
は、温度を測定すべき被検物にＰＮダイオードを熱的に
接触させ、該ＰＮダイオードに一定値の順方向電流を流
し、前記ＰＮダイオードの両端間の電圧を計測する温度
検知方法において、前記ＰＮダイオードの順方向の内部
抵抗値と前記ＰＮダイオードに流す順方向電流の値との
積を１ｍＶ以上１０ｍＶ以下にしたものである。

【００４０】

【作用】本件発明者は、図１０に示す半導体温度調節シ
ステムにおいて前記第１の問題点である温度検知信号１
６にオフセットの発生する原因を調べたところ、前述し
たように、赤外線固体撮像装置１０が発する電気的なノ
イズが問題であることを突き止めた。

【００４１】そのメカニズムについて、図１１を用いて
説明する。図１１は、室温（３００Ｋ）付近でのＰＮダ
イオードであるシリコンダイオードの順方向電流電圧特
性をリアルスケールで描いたものである。

【００４２】例えば、１μＡの一定値の順方向電流（指
数関数領域内の順方向電流）を流す定電流源を前記シリ
コンダイオードに接続すると、動作点は図１１中の点Ｐ
となる。このときのシリコンダイオードの両端の電圧
（順方向電圧）はＶｓ（約４４０ｍＶ）となる。ここで
前記シリコンダイオードの両端に振幅がＶｎ（図１１に
示す例では、約４０ｍＶ）のノイズが乗ると、前記定電
流源の代わりに電圧源を接続したと仮定した場合には、
動作範囲が図１１中の点Ｑから点Ｒまでとなり、よって
振幅Ｉｎのノイズ電流が現れる。通常はノイズ電圧に直
流成分はないが、図１１に示すようにダイオードの順方
向電流電圧特性は指数関数領域で非線形性が非常に強い
ため、ノイズの乗った電流波形の中心Ｉ₀はノイズのな
いときの順方向電流Ｉｓと大きくずれてくる。すなわ
ち、前記定電流源の代わりに電圧源を前記シリコンダイ
オードに接続したと仮定した場合に、ノイズが乗ると、
順方向電流の直流成分が大きく変わってしまうのであ
る。

【００４３】ところが、このダイオードは定電流源に接
続されているので、電流の直流成分が変わることは許さ
れない。よって、定電流源の両端の電圧（すなわち、ダ
イオードの順方向電圧）が下がり、動作点Ｐが低い電圧
の方向に移動し、移動後のＩ ₀が１μＡとなる所でバラ
ンスする。これが温度検知信号１６にオフセットの発生
するメカニズムである。

【００４４】また、ノイズが原因で温度検知信号１６に
オフセットが発生するので、オフセットの量は全体のシ
ステムのコンディションや周囲のノイズ環境の影響を受
け易く、それが前記第２の問題点である温度検知信号１
６の不安定性の発生原因である。

【００４５】そして、以上説明したメカニズムは、シリ
コンダイオードに限らず、ゲルマニウムダイオードやガ
リウムヒ素ダイオードなどの他のＰＮダイオードにおい
ても同様である。

【００４６】本件発明者は、このようなメカニズムの究
明の下に、ＰＮダイオードでは、既に図８に関連して説
明したように順方向電流電圧特性が指数関数領域をはず
れる領域を有していることに着目し、定電流源によりＰ
Ｎダイオードに流す順方向電流の値を大きくして動作点
を前記指数関数領域をはずれる領域に移すことによっ
て、半導体温度調節システムのようなノイズの多い環境
下においてもオフセットが少なく安定した温度検知信号
（ＰＮダイオードの両端の電圧に相当）を得ることに成
功した。

【００４７】ここで、定電流源によりＰＮダイオードに
流す順方向電流の値を大きくして動作点を前記指数関数
領域をはずれる領域に移すことによって、半導体温度調
節システムのようなノイズの多い環境下においてもオフ
セットが少なく安定した温度検知信号を得ることができ
る理由について、図１２を参照して説明する。

【００４８】図１２は、室温（３００Ｋ）付近での図１
１と同一のＰＮダイオードの順方向電流電圧特性の高電
流領域の特性を示す図である。このダイオードは、順方
向電流Ｉ_Fが１００μＡである点付近から指数関数特性
をはずれていくものである。

【００４９】このダイオードに、例えば１ｍＡの一定値
の順方向電流（指数関数領域をはずれた領域内の順方向
電流）を流す定電流源を接続すると、動作点は図１２中
の点Ｐ’となる。このときのダイオードの両端の電圧
（順方向電圧）はＶｓ’（約６８０ｍＶ）となる。ここ
で前記ダイオードの両端に振幅がＶｎ’（図１２に示す
例では、約４０ｍＶであり、図１１中のＶｎと等し
い。）のノイズが乗ると、前記定電流源の代わりに電圧
源を接続したと仮定した場合には、動作範囲が図１２中
の点Ｑ’から点Ｒ’までとなり、よって振幅Ｉｎ’のノ
イズ電流が現れる。ここでノイズ電流波形の中心Ｉ₀’
は、ノイズのないときの電流値Ｉｓ’とずれてくる。し
かし、そのずれは、ダイオードの順方向電流電圧特性は
指数関数領域に比べて指数関数領域をはずれた領域では
非線形性が弱いため、図１１中のＩ₀とＩｓとの間のず
れに比べて極わずかである。

【００５０】ところで、このダイオードは定電流源に接
続されているので、電流の直流成分が変わることは許さ
れない。よって、定電流源の両端の電圧（すなわち、ダ
イオードの順方向電圧）が下がり、動作点Ｐ’が低い電
圧の方向に移動し、移動後のＩ₀’が１ｍＡとなる所で
バランスする。しかし、前述したように図１２中の
Ｉ₀’とＩｓ’との間のずれが図１１中のＩ₀とＩｓとの
間のずれに比べて極わずかであるので、動作点Ｐ’が低
い電圧の方向に移動する移動量も極わずかとなる。

【００５１】したがって、定電流源によりＰＮダイオー
ドに流す順方向電流の値を大きくして動作点を前記指数
関数領域をはずれる領域に移すことによって、ノイズに
よる温度検知信号（ダイオードの両端の電圧に相当）の
オフセットの発生は大幅に減少し、よって、ノイズの影
響を受け難くなるので温度検知信号の不安定性も大幅に
改善されるのである。

【００５２】本発明は、以上説明した原理に基づくもの
である。

【００５３】本発明の第１、２、１３の態様によれば、
定電流源によりＰＮダイオードに流される順方向電流の
値を、ＰＮダイオードの順方向電流電圧特性の指数関数
領域と該指数関数領域をはずれる領域との間の境界付近
の順方向電流の値以上にしているので、前述した原理に
より、ノイズの多い環境下においてもオフセットが少な
くかつ安定した温度検知信号（計測手段による計測結
果）を得ることができる。また、従来に比べて特別な部
品等を要しないので、構成が簡単で安価であるという特
徴を損なうことがない。

【００５４】ＰＮダイオードの順方向電流を大きくし過
ぎると温度検知感度（温度変化に対するＰＮダイオード
の順方向電圧の変化量）の低下の度合いが大きくなって
しまうので、本発明の第２、１３の態様のように、定電
流源によりＰＮダイオードに流される順方向電流の値
を、ＰＮダイオードの順方向電流電圧特性の指数関数領
域と該指数関数領域をはずれる領域との間の境界付近の
順方向電流の値の１０倍以下にすることが望ましい。

【００５５】本発明の第３、４、１４の態様は、ＰＮダ
イオードの順方向電流電圧特性の指数関数領域と該指数
関数領域をはずれる領域との間の境界付近の順方向電流
の値が、実験的にはＰＮダイオード順方向の内部抵抗値
との積が１ｍＶとなるものであったことに基づくもので
あり、本発明の第１、２、１３の態様と同様である。

【００５６】付言すると、本発明の第４、１４の態様
は、ＰＮダイオードの順方向電流電圧特性の指数関数領
域と該指数関数領域をはずれる領域との間の境界付近の
順方向電流の値が、実験的にはＰＮダイオード順方向の
内部抵抗値との積が１ｍＶとなるものであったことに従
い、本発明の第２、１３の態様と同様に温度検知感度の
低下の度合いが大きくならないようにするためには、Ｐ
Ｎダイオードの順方向の内部抵抗値とＰＮダイオードに
流す順方向電流との積を前記１ｍＶの１０倍である１０
ｍＶ以下にすることが望ましいことによるものである。

【００５７】ＰＮダイオード及び抵抗からなる直列回路
は、内部抵抗の大きいＰＮダイオードの単体と実質的に
等価である。よって、本発明の第５〜８の態様について
も、本発明の第１〜４の態様と同様である。

【００５８】本発明の第１０〜１２の態様によれば、本
発明の第１〜９のいずれかの態様が用いられているの
で、温度検知にＰＮダイオードが用いられているにもか
かわらず、半導体装置の温度を厳密に一定に保つことが
できる。

【００５９】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の
温度検知装置及び方法並びにこれを用いた半導体温度調
節システム及び方法について説明する。

【００６０】図１は、本発明の一実施例による温度検知
装置２１を示す回路図である。なお、図１において、図
９に示す従来の温度検知装置１と同一構成要素には同一
符号を付している。

【００６１】この温度検知装置１は、ＰＮダイオード２
と、該ＰＮダイオード２に高レベルの一定値の順方向電
流を流す定電流源２３と、ＰＮダイオード２の両端の電
圧を計測する電圧計４とから構成されている。

【００６２】前記ＰＮダイオード２は、ゲルマニウムダ
イオード、シリコンダイオード又はガリウムヒ素ダイオ
ードであってもよいし、その他のＰＮダイオードであっ
てもよい。また、電圧計４の代わりに、ＰＮダイオード
２の両端の電圧を計測する他の計測手段を採用してもよ
い。

【００６３】そして、定電流源２３は、ＰＮダイオード
２の指数関数領域と該指数関数領域をはずれる領域との
間の境界付近の順方向電流の値以上の値の高レベルの順
方向電流をＰＮダイオード２に流すようにされている。

【００６４】ＰＮダイオード２の指数関数領域と該指数
関数領域をはずれる領域との間の境界は、ＰＮダイオー
ド２の室温（３００Ｋ付近）での順方向の内部抵抗をＲ
i_（Ω）とすると、実験的に、次式（１）で示す順方向
電流Ｉ_F1（Ａ）にほぼ対応することが判明した。

【００６５】Ｉ_F1＝１／（１０００×Ｒ_i） …（１）したがって、具体的には、定電流源２３が、前記順方向
電流Ｉ_F1の値以上の順方向電流をＰＮダイオード２に流
すように設定しておけばよい。

【００６６】換言すると、ＰＮダイオード２の順方向の
内部抵抗値と定電流源２３によりＰＮダイオード２に流
される順方向電流の値との積を１ｍＶ以上にしておけば
よい。

【００６７】なお、定電流源２３によりＰＮダイオード
２に流される順方向電流を大きくし過ぎると、ＰＮダイ
オード２の温度変化に対する電圧計４の出力の変化、す
なわち、温度検知感度が小さくなってしまうので、定電
流源２３によりＰＮダイオード２に流される順方向電流
の値を、ＰＮダイオード２の順方向電流電圧特性の指数
関数領域と該指数関数領域をはずれる領域との間の境界
付近の順方向電流の値の１０倍以下にすることが望まし
い。

【００６８】具体的には、定電流源２３が、前記順方向
電流Ｉ_F1の値の１０倍以下の値の順方向電流をＰＮダイ
オード２に流すように設定しておくことが望ましい。換
言すると、ＰＮダイオード２の順方向の内部抵抗値と定
電流源２３によりＰＮダイオード２に流される順方向電
流の値との積を１０ｍＶ以下にすることが望ましい。

【００６９】この温度検知装置２１を使用する際には、
温度を測定すべき被検物５に熱的に接触させる。これに
より、電圧計４からＰＮダイオード２の両端の電圧の値
を示す温度検知信号が出力され、被検物５の温度が検知
される。

【００７０】以上説明した温度検知装置２１によれば、
既に図１２に関連して説明した原理により、ノイズの多
い環境下においてもオフセットが少なくかつ安定した温
度検知信号（本例では、電圧計４の出力）を得ることが
できる。また、従来に比べて特別な部品等を要しないの
で、構成が簡単で安価であるという特徴を損なうことが
ない。

【００７１】次に、前述した図１に示す温度検知装置２
１を用いて構成した半導体温度調節システムの一例につ
いて説明する。図２はこの半導体温度調節システムの構
成を示す図である。なお、図２において、図１０に示す
構成要素と同一の構成要素には同一符号を付している。

【００７２】図２に示す半導体温度調節システムは、半
導体装置としての赤外線固体撮像装置１０と、ＰＮダイ
オード２が赤外線固体撮像装置１０に熱的に接触された
図１に示した温度検知装置２１と、赤外線固体撮像装置
１０の温度を調節する温度調節器としての冷却器１１
と、ＰＮダイオード２の両端の電圧を示す電圧計４から
の温度検知信号（計測結果）１６に基づいて赤外線固体
撮像装置１０の温度が所定温度（例えば７７Ｋ）となる
ように冷却器１１を制御するインバーター等からなる制
御器１７とを備えている。赤外線固体撮像装置１０は、
駆動・読み出し回路１２から送られる駆動信号１３によ
り動作し、画像信号１４を駆動・読み出し回路１２に送
り返す。冷却器１１は、コールドヘッド１５を介して赤
外線固体撮像装置１０を冷却する。

【００７３】なお、本例では、半導体装置が赤外線固体
撮像装置１０となっているが、半導体装置としては、赤
外線固体撮像装置１０の代わりに所定温度に冷却する必
要がある可視光固体撮像装置などの他の半導体装置であ
ってもよい。また、本例では、温度調節器として冷却器
１１が用いられているが、所定の半導体装置を周囲温度
に対して高い所定温度に保つ必要がある場合には温度調
節器として加熱器を用いればよいし、必要に応じて温度
調節器として冷却器及び加熱器の双方を備えたものを用
いてもよい。さらに、ＰＮダイオード２は、赤外線固体
撮像装置１０に熱的に接触させればよく、赤外線固体撮
像装置１０と別個に構成してもよいが、ＰＮダイオード
２を赤外線固体撮像装置１０を構成する基板上に形成す
ると、赤外線固体撮像装置１０を製造する際に併せてＰ
Ｎダイオード２も製造することができるとともに、該Ｐ
Ｎダイオード２が自動的に赤外線固体撮像装置１０に熱
的に接触することになるので、便利である。

【００７４】この半導体温度調節システムでは、まず、
冷却器１１を動作させ冷却を開始し、ＰＮダイオード２
に定電流源３から例えば１ｍＡの一定直流電流を流し、
制御部１７が電圧計４の出力を温度検知信号１６として
モニターする。制御部１７は、電圧計４が計測する電圧
が例えば７７Ｋに相当する値で一定となるように、冷却
器１１を制御する。

【００７５】次に、温度が一定になった所で、赤外線固
体撮像装置１０の駆動と読み出しを行うための駆動・読
み出し回路１２の電源を入れると、システムとしての動
作が開始する。

【００７６】この半導体温度調節システムによれば、温
度検知装置として図１に示す温度検知装置２１が用いら
れているので、赤外線固体撮像装置１０から発した電気
的なノイズがＰＮダイオード２に乗るが、温度検知装置
２１から前述したようにオフセットが少なくかつ安定し
た温度検知信号１６が得られる。このため、半導体装置
の温度を厳密に一定に保つことができる。

【００７７】さて、本件発明者は、図２に示す半導体温
度調節システムにおいて、赤外線固体撮像装置１０とし
て転送部にＣＣＤが採用された赤外線固体撮像装置１０
を用い、ＰＮダイオード２として室温（３００Ｋ付近）
における順方向の内部抵抗値が約１０Ωのシリコンダイ
オードを用いて実験を行い、図３に示す実験結果を得
た。

【００７８】図３は、ＰＮダイオード２の順方向電流と
温度検知信号１６のオフセット（前記ＣＣＤ動作時と停
止時のＰＮダイオード２の順方向電圧の差）との関係
（図３中の破線）、及び、ＰＮダイオード２の順方向電
流と温度検知感度（温度変化に対するＰＮダイオードの
順方向電圧の変化量）との関係（図３中の実線）を示す
図である。なお、図３中の左右方向の矢印は、当該特性
曲線に対応する縦軸を示す。

【００７９】実験に用いたシリコンダイオードの内部抵
抗は前述したように約１０Ωのものであり、式（１）よ
り前記境界の順方向電流Ｉ_F1は１００μＡとなり、ダイ
オードに流す順方向電流としては１００μＡから１ｍＡ
の間が最適となるはずである。実際の結果も、図３に示
すようにオフセットが２０ｍＶ以下となっているととも
に温度検知感度が１．８〜２．１（ｍＶ／Ｋ）となって
おり、良好な特性と言える。

【００８０】ところで、定電流源２３がＰＮダイオード
２の指数関数領域と該指数関数領域をはずれる領域との
間の境界付近の順方向電流の値以上の値の高レベルの順
方向電流をＰＮダイオード２に流すように設定するため
には、定電流源２３が流す電流の値を従来の定電流源３
が流す電流の値より大きくしてもよいし、それに代えて
又はそれに加えて、ＰＮダイオード２の内部抵抗値を従
来に比べて大きくしてもよい。なお、ＰＮダイオード２
の内部抵抗値を大きくするためには、例えば、その不純
物濃度を下げればよい。

【００８１】また、ＰＮダイオード及び抵抗からなる直
列回路は、内部抵抗の大きいＰＮダイオードの単体と実
質的に等価であるので、本発明では、例えば、図１及び
図２に示す構成においてＰＮダイオード２に直列に抵抗
を挿入してもよい。この場合、挿入した抵抗はできるだ
けＰＮダイオード２の近くに配置することが望ましい。

【００８２】図１に示す構成においてＰＮダイオード２
に直列に抵抗２４を挿入した例を、図４に示す。なお、
図４において、図１と同一構成要素には同一符号を付
し、その説明は省略する。

【００８３】この場合、「ＰＮダイオード２の内部抵抗
値」を「ＰＮダイオード２及び抵抗２４からなる直列回
路の順方向の抵抗値」と読み代えて、図１に関連して既
に説明した定電流源２３による順方向電流の値の設定方
法を適用すれば良いことは、明らかである。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来の温度検知装置と比べて新たな部品等を追加するこ
となく、安価にノイズによる温度検出信号のオフセット
の発生や不安定性を大幅に改善することができる。

【００８５】さらに、本発明によれば、所定の条件を満
たすようにすれば、温度変化に対する順方向電圧の変化
も従来と比べてさほど小さくなることはない。

【００８６】また、赤外線固体撮像装置のようにノイズ
の発生が多く、かつ厳密な温度コントロールを必要と
し、温度検知装置の出力で冷却器にフィードバック制御
をかける場合などには、本発明を適用することは非常に
有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による温度検知装置を示す回
路図である。

【図２】本発明の他の実施例による半導体温度調節シス
テムの構成を示す図である。

【図３】図２に示す半導体温度調節システムにおける、
順方向電流に対する温度検知信号のオフセット及び温度
検知感度の関係の実験結果を示す図である。

【図４】本発明の更に他の実施例による温度検知装置を
示す回路図である。

【図５】ゲルマニウムダイオードの低電流領域の順方向
電流電圧特性の一例を示す図である。

【図６】シリコンダイオードの低電流領域の順方向電流
電圧特性の一例を示す図である。

【図７】ガリウムヒ素ダイオードの低電流領域の順方向
電流電圧特性の一例を示す図である。

【図８】各種ダイオードの高電流領域の順方向電流電圧
特性の一例を示す図である。

【図９】ＰＮダイオードを用いた従来の温度検知装置を
示す回路図である。

【図１０】本発明を発明する過程で本件発明者が作成し
た半導体温度調節システムの構成を示す図である。

【図１１】従来の温度検知装置の動作の説明図である。

【図１２】本発明による温度検知装置の動作原理の説明
図である。

【符合の説明】２ＰＮダイオード４電圧計５被検物１０赤外線固体撮像装置１１冷却器１２駆動・読み出し回路１６温度検知信号１７制御器２１温度検知装置２３定電流源２４抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＰＮダイオードと、該ＰＮダイオードに
一定値の順方向電流を流す定電流源と、前記ＰＮダイオ
ードの両端間の電圧を計測する計測手段とを備えた温度
検知装置において、前記定電流源により前記ＰＮダイオ
ードに流される順方向電流の値が、前記ＰＮダイオード
の順方向電流電圧特性の指数関数領域と該指数関数領域
をはずれる領域との間の境界付近の順方向電流の値以上
であることを特徴とする温度検知装置。
【請求項２】前記定電流源により前記ＰＮダイオード
に流される順方向電流の値が、前記ＰＮダイオードの順
方向電流電圧特性の指数関数領域と該指数関数領域をは
ずれる領域との間の境界付近の順方向電流の値の１０倍
以下であることを特徴とする請求項１記載の温度検知装
置。
【請求項３】ＰＮダイオードと、該ＰＮダイオードに
一定値の順方向電流を流す定電流源と、前記ＰＮダイオ
ードの両端間の電圧を計測する計測手段とを備えた温度
検知装置において、前記ＰＮダイオードの順方向の内部
抵抗値と前記定電流源により前記ＰＮダイオードに流さ
れる順方向電流の値との積が１ｍＶ以上であることを特
徴とする温度検知装置。
【請求項４】前記ＰＮダイオードの順方向の内部抵抗
値と前記定電流源により前記ＰＮダイオードに流される
順方向電流の値との積が１０ｍＶ以下であることを特徴
とする請求項３記載の温度検知装置。
【請求項５】ＰＮダイオード及び抵抗とからなる直列
回路と、該直列回路に一定値の順方向電流を流す定電流
源と、前記直列回路の両端間の電圧を計測する計測手段
とを備えた温度検知装置において、前記定電流源により
前記直列回路に流される順方向電流の値が、前記直列回
路の順方向電流電圧特性の指数関数領域と該指数関数領
域をはずれる領域との間の境界付近の順方向電流の値以
上の値であることを特徴とする温度検知装置。
【請求項６】前記定電流源により前記直列回路に流さ
れる順方向電流の値が、前記直列回路の順方向電流電圧
特性の指数関数領域と該指数関数領域をはずれる領域と
の間の境界付近の順方向電流の値の１０倍以下であるこ
とを特徴とする請求項５記載の温度検知装置。
【請求項７】ＰＮダイオードと抵抗とからなる直列回
路と、該直列回路に一定値の順方向電流を流す定電流源
と、前記直列回路の両端間の電圧を計測する計測手段と
を備えた温度検知装置において、前記直列回路の順方向
の抵抗値と前記定電流源により前記直列回路に流される
順方向電流の値との積が１ｍＶ以上であることを特徴と
する温度検知装置。
【請求項８】前記直列回路の順方向の抵抗値と前記定
電流源により前記直列回路に流される順方向電流の値と
の積が１０ｍＶ以下であることを特徴とする請求項７記
載の温度検知装置。
【請求項９】前記ＰＮダイオードがゲルマニウムダイ
オード又はシリコンダイオード又はガリウムヒ素ダイオ
ードであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか
に記載の温度検知装置。
【請求項１０】請求項１乃至９のいずれかに記載の温
度検知装置と、半導体装置と、該半導体装置の温度を調
節する温度調節手段と、前記計測手段による計測結果に
基づいて前記半導体装置の温度が所定温度となるように
前記温度調節手段を制御する制御手段とを備え、前記Ｐ
Ｎダイオードが前記半導体装置に熱的に接触されること
を特徴とする半導体温度調節システム。
【請求項１１】前記ＰＮダイオードが前記半導体装置
を構成する基板上に形成されたことを特徴とする請求項
１０記載の半導体温度調節システム。
【請求項１２】前記半導体装置が赤外線固体撮像装置
であり、前記温度調節手段が冷却器であることを特徴と
する請求項１０又は１１記載の半導体温度調節システ
ム。
【請求項１３】温度を測定すべき被検物にＰＮダイオ
ードを熱的に接触させ、該ＰＮダイオードに一定値の順
方向電流を流し、前記ＰＮダイオードの両端間の電圧を
計測する温度検知方法において、前記ＰＮダイオードに
流す順方向電流の値を、前記ＰＮダイオードの順方向電
流電圧特性の指数関数領域と該指数関数領域をはずれる
領域との間の境界付近の順方向電流の値以上、前記ＰＮ
ダイオードの順方向電流電圧特性の指数関数領域と該指
数関数領域をはずれる領域との間の境界付近の順方向電
流の値の１０倍以下にしたことを特徴とする温度検知方
法。
【請求項１４】温度を測定すべき被検物にＰＮダイオ
ードを熱的に接触させ、該ＰＮダイオードに一定値の順
方向電流を流し、前記ＰＮダイオードの両端間の電圧を
計測する温度検知方法において、前記ＰＮダイオードの
順方向の内部抵抗値と前記ＰＮダイオードに流す順方向
電流の値との積を１ｍＶ以上１０ｍＶ以下にしたことを
特徴とする温度検知方法。