JPH11287713A

JPH11287713A - 温度測定装置、熱型赤外線イメ―ジセンサ及び温度測定方法

Info

Publication number: JPH11287713A
Application number: JP11022863A
Authority: JP
Inventors: Mitsuteru Kimura; 光照木村
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 1999-10-19
Anticipated expiration: 2019-01-29
Also published as: JP3366590B2

Abstract

(57)【要約】【目的】バイポーラトランジスタをサーミスタと等価
的に考え、サーミスタ定数（Ｂ定数）を微細に調整でき
るようにする。【構成】バイポーラトランジスタ１０は、コレクタ・
ベース間電圧Ｖｃが逆方向に、エミッタ・ベース間電圧
Ｖｅが順方向にバイアスされるように、電源Ｖｃｃが負
荷抵抗ＲＬを介して印加される。安定化電源１００から
の電圧Ｖｚを、抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｋを用い、エミッタ
・ベース間電圧Ｖｅが順方向バイアスで微細に変化でき
るようにする。バイポーラトランジスタ１０のエミッタ
−ベース間の障壁高さが、コレクタ抵抗をサーミスタと
考えたときのサーミスタ定数（Ｂ定数）に対応すること
を利用し、エミッタ−ベース電圧を調整して、所望のＢ
定数が得られるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度測定装置、熱
型赤外線イメージセンサ及び温度測定方法に係る。本発
明は、特に、バイポーラトランジスタ又はバイポーラト
ランジスタとして動作させるＭＯＳトランジスタをサー
ミスタとみなした温度センサ及び温度の測定方法に関す
る。さらに、本発明は、集積回路の温度分布の検出、フ
ローセンサ、ピラニー真空計、熱型赤外線センサ、熱型
赤外線温度計、熱型赤外線イメージセンサなどの温度セ
ンサ部に用いられるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、温度センサとしては、サーミ
スタが知られている。サーミスタ抵抗の温度依存性は、
サーミスタ定数（Ｂ定数）で決まる。Ｂ定数は、サーミ
スタ抵抗Ｒの温度（Ｔ）依存性を表現するときの定数で
あり、以下の式で表現される。ここで、抵抗Ｒoは、温度Ｔ＝Ｔoのときの抵抗、抵抗Ｒ
inは、温度Ｔが無限大のときの抵抗である。このこと
は、Ｂ定数、抵抗Ｒo及びＲinは、サーミスタによって
定まり、サーミスタ抵抗Ｒ（Ｔ）は、温度Ｔの逆数を横
軸にとると、片対数グラフ上で直線となることを意味す
る。従って、Ｂ定数は、Ｋの単位を持ち、普通のサーミ
スタは、４０００Ｋ程度で、大きい方が高感度となる。

【０００３】ここで、例えば、不良になったサーミスタ
を交換するときに、従来、Ｂ定数が全く一致するサーミ
スタを手に入れることが困難で、Ｂ定数の近いサーミス
タを選択し、これに直列や並列に抵抗を接続して、元の
サーミスタに近似させるようにしていた。実際のサーミ
スタのＢ定数を回路的に一致させる方式として、本出願
人は、サーミスタの温度補償方式を発明した（特願平１
−３２４６８３）。そこでは、４つのサーミスタをホイ
ートストンブリッジ状に組み、ＯＰアンプを用いて、Ｂ
定数の等価的な一致をさせていた。

【０００４】また、従来より、半導体のｐｎ接合を利用
した温度センサが開発されており、これはダイオード温
度センサと呼ばれている。ダイオード温度センサは、ｐ
ｎ接合ダイオードの順方向立ち上がり電圧の温度依存
性、すなわち一定電流を流したときの順方向電圧Ｖｆ
は、そのときの温度（絶対温度）Ｔに比例すること利用
したものである。

【０００５】また、半導体のｐｎ接合を利用した温度セ
ンサには、この他に、トランジスタ温度センサと呼ばれ
ているものがある。トランジスタ温度センサは、ダイオ
ード温度センサと同様に、バイポーラトランジスタのエ
ミッタとベース間は、ｐｎ接合となっているので、順方
向のエミッタ・ベース間電圧Ｖｅがコレクタ電流を一定
とした場合には、ほぼ温度Ｔに比例するということを利
用したものである。

【０００６】また、本出願人は、ショットキ接合温度セ
ンサを発明し、ショットキバリアダイオードの逆方向バ
イアスを指定したときの逆方向電流の温度依存性は、丁
度、サーミスタの温度依存性と似ており、サーミスタと
して使用できることを示した（特願平３−２８４２６６
参照）。また、ショットキバリアダイオードの障壁高さ
が等価的なサーミスタのＢ定数に対応すること、ショッ
トキバリアダイオードの障壁高さは、半導体の種類とシ
ョットキ金属の種類とが決定されればほぼ定まることか
ら、ショットキバリアダイオードを作成すればＢ定数が
確定するという特徴があることを示し、ショットキバリ
アサーミスタと名付け提案した（例えば、Ｓｃｈｏｔｔ
ｋｙＢａｒｒｉｅｒＴｈｅｒｍｉｓｔｏｒ；１１ｔ
ｈＳｅｎｓｏｒＳｙｍｐ．１９９２、参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
温度センサとしてのサーミスタにおいては、サーミスタ
の互換性が問題になっていた。例えば、Ｂ定数の近いサ
ーミスタを選択し、これに直列や並列に抵抗を接続し
て、元のサーミスタに近似させるような場合、抵抗値の
指数関数的温度依存性を持つサーミスタに、温度依存性
のほとんどない抵抗を接続しても、本質的に異なるもの
となる。また、本出願人の上述の発明であるサーミスタ
の温度補償方式は、最低３個のＯＰアンプを必要とし、
２個のサーミスタのＢ定数を一致させるのに、他に２個
のサーミスタを必要とするなど、問題もあった。

【０００８】また、従来のダイオード温度センサ及びト
ランジスタ温度センサにおいては、それぞれ一定電流を
流すようにした状態でのｐｎ接合の順方向電圧ＶｆとＶ
ｅの温度依存性を利用したもので、その出力は絶対温度
Ｔに比例するという利点があるが、例えばシリコン半導
体を用いたときには、順方向立ち上がり電圧自体、高々
０．６５Ｖ程度なので、温度変化による順方向電圧Ｖｆ
又はＶｅの変化分となる温度センサ自体の出力電圧は極
めて小さいという問題があった。

【０００９】また、ショットキバリアサーミスタにおい
ても、実際には、半導体の種類とショットキ金属の種類
とが決まっても、ショットキバリアダイオードの作成温
度の違い、逆方向のリーク電流の違い、動作逆方向印加
電圧の違いにより微妙にＢ定数がことなること、ショッ
トキバリアダイオードであるショットキバリアサーミス
タに印加する電圧が指定されてしまい大きな電圧を印加
できないので、出力が小さくＳＮが小さくなってしまう
ことなどの問題があった。

【００１０】本発明は、トランジスタ温度センサの一種
であるが、１個のトランジスタ温度センサを１個のサー
ミスタと等価的に考えることができるように構成し、そ
の等価的なＢ定数が微細に調整することができるように
すると共に、大きな電圧をも印加でき、大きな出力が得
られるようにしたトランジスタサーミスタを提供するこ
とを目的とする。また、本発明は、それを利用した各種
のデバイスを提供することを目的とする。

【００１１】なお、ここでトランジスタサーミスタと
は、トランジスタをサーミスタとして扱ったデバイスを
意味する。また、Ｂ定数は、例えば、半導体の活性化エ
ネルギーに対応すると考えられ、トランジスタサーミス
タは、この考え方を、例えば、ｐｎ接合のエミッタ−ベ
ース間のポテンシャル障壁による活性化エネルギー（ポ
テンシャル差）に対応させたものと考えることができ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の解決手段
によると、第１の電圧を出力するバイアス回路と、前記
バイアス回路の出力が、順方向バイアス電圧としてエミ
ッタ−ベース間に印加され、コレクタに第２の電圧が印
加され、コレクタ電流を出力とするトランジスタとを備
え、前記トランジスタのコレクタ電圧に対するコレクタ
電流の温度依存性が、前記トランジスタのコレクタ抵抗
をサーミスタとみなしたときの電流の温度依存性に相当
するように前記トランジスタを用い、また、前記バイア
ス回路の出力電圧値を調整することで順方向バイアス電
圧を調節し、順方向バイアス電圧により前記トランジス
タのエミッタ−ベース間の電位障壁高さを調節すること
により、前記トランジスタのコレクタ抵抗についての温
度依存性を表すサーミスタ定数を所望の値に調節できる
ようにした温度測定装置を提供する。

【００１３】本発明の第２の解決手段によると、第１の
電圧を出力するバイアス回路と、前記バイアス回路の出
力が、バイアス電圧としてソース−ゲート間に印加さ
れ、ドレインに第２の電圧が印加され、ドレイン電流を
出力とするＭＯＳ型又はその他の電界効果トランジスタ
とを備え、前記電界効果トランジスタをそのサブスレシ
ョールドにおいてバイポーラトランジスタに相当するよ
うに動作させ、前記電界効果トランジスタのゲート電圧
に対するドレイン電流の温度依存性が、前記電界効果ト
ランジスタのドレイン抵抗をサーミスタとみなしたとき
の電流の温度依存性に相当するように前記電界効果トラ
ンジスタを用い、また、前記バイアス回路の出力電圧値
を調整することでバイアス電圧又はチャンネル形成領域
の電圧を調節し、バイアス電圧により前記電界効果トラ
ンジスタのソース−ドレイン間の電位障壁高さを調節す
ることにより、前記電界効果トランジスタのドレイン抵
抗についての温度依存性を表すサーミスタ定数を所望の
値に調節できるようにした温度測定装置を提供する。

【００１４】本発明の第３の解決手段によると、上述の
ような温度測定装置を複数個マトリックス状に配列形成
し、各々の前記温度測定装置の出力を読み出すようにし
た熱型赤外線イメージセンサを提供する。

【００１５】本発明の第４の解決手段によると、バイア
ス回路から第１の電圧を出力し、前記バイアス回路の出
力を、トランジスタの順方向バイアス電圧としてエミッ
タ−ベース間に印加し、コレクタに第２の電圧を印加
し、コレクタ電流を出力とし、前記トランジスタのコレ
クタ電圧に対するコレクタ電流の温度依存性が、前記ト
ランジスタのコレクタ抵抗をサーミスタとみなしたとき
の電流の温度依存性に相当するように前記トランジスタ
を用い、前記バイアス回路の出力電圧値を調整すること
で順方向バイアス電圧を調節し、順方向バイアス電圧に
より前記トランジスタのエミッタ−ベース間の電位障壁
高さを調節することにより、前記トランジスタのコレク
タ抵抗についての温度依存性を表すサーミスタ定数を所
望の値に調節できるようにした温度測定方法を提供す
る。

【００１６】本発明の第５の解決手段によると、バイア
ス回路から第１の電圧を出力し、前記バイアス回路の出
力を、ＭＯＳ型又はその他の電界効果トランジスタのバ
イアス電圧としてソース−ゲート間に印加し、ドレイン
に第２の電圧を印加し、ドレイン電流を出力とし、前記
電界効果トランジスタをそのサブスレショールドにおい
てバイポーラトランジスタに相当するように動作させ、
前記電界効果トランジスタのゲート電圧に対するドレイ
ン電流の温度依存性が、前記電界効果トランジスタのド
レイン抵抗をサーミスタとみなしたときの電流の温度依
存性に相当するように前記電界効果トランジスタを用
い、前記バイアス回路の出力電圧値を調整することでバ
イアス電圧又はチャンネル形成領域の電圧を調節し、バ
イアス電圧により前記電界効果トランジスタのソース−
ドレイン間の電位障壁高さを調節することにより、前記
電界効果トランジスタのドレイン抵抗についての温度依
存性を表すサーミスタ定数を所望の値に調節できるよう
にした温度測定方法を提供する。

【００１７】

【発明の実施の形態】（１）動作原理及び概要本発明に係わるトランジスタサーミスタは、バイポーラ
トランジスタの所定のコレクタ電圧に対するコレクタ電
流の温度依存性が、丁度、該バイポーラトランジスタを
サーミスタとみなしたときの温度依存性と一致すること
を利用している。

【００１８】サーミスタのＢ定数は、トランジスタサー
ミスタにおいては、バイポーラトランジスタのエミッタ
とベース間の電位障壁高さに対応している。そこで本発
明は、順方向のエミッタ・ベース間電圧Ｖｅを調節する
事によりエミッタとベース間の電位障壁高さを調節し
て、所望のＢ定数に調節できるようにしたトランジスタ
サーミスタを提供するものである。

【００１９】バイポーラトランジスタのコレクタ電流Ｉ
ｃは、室温（Ｔ＝３００Ｋ）付近で、Ｖｅ、Ｖｃ＞０．
１Ｖならば、非常によい近似式として次式のように表さ
れる。Ｉｃ＝Ｉ_０ｅｘｐ｛−ｑ（Ｖｄ−Ｖｅ）／ｎｋＴ｝ここで、Ｉ_０は温度Ｔが無限大の時のコレクタ電流に相
当し、Ｖｄはエミッタ・ベースｐｎ接合の拡散電位であ
り、ｑ、ｋとｎはそれぞれ電荷素量、ボルツマン定数と
理想係数である。理想係数ｎは、単結晶の特性の優れた
バイポーラトランジスタでは１であるのに対して、多結
晶半導体を用いたバイポーラトランジスタのときには、
理想的トランジスタからずれ、ｎは例えば、１．１から
１．７程度の範囲の作成時に決まる定数となる。また、
（Ｖｄ−Ｖｅ）は、エミッタとベース間の電位障壁高さ
である。

【００２０】さらに、コレクタ電圧Ｖｃを固定したとき
のコレクタ抵抗Ｒｃは、Ｒｃ＝Ｖｃ／Ｉｃ＝Ｒ_０ｅｘｐ｛ｑ（Ｖｄ−Ｖｅ）／ｎｋＴ｝＝Ｒ_０ｅｘｐ｛Ｂ／Ｔ｝と表される。ここで、Ｒ_０（＝Ｖｃ／Ｉ_０）は温度Ｔが
無限大の時のコレクタ抵抗Ｒｃに相当し、ｑ（Ｖｄ−Ｖ
ｅ）／ｎｋをサーミスタのＢ定数と考えると、Ｒｃは、
負の温度係数（Negative Temperature Coefficient, NT
C）のサーミスタ（ＮＴＣサーミスタ）と同等に扱うこ
とができることがわかる。

【００２１】実際には、コレクタ電流Ｉｃには、温度に
鈍感な微小なベース・コレクタ逆方向リーク電流Ｉ
_ＣＥＯが含まれるが、一般にはこれが無視できる程度に
小さいので、上述の式でＩｃはそのままでよいが、も
し、無視できない程度に大きいときには、温度依存性を
考慮してＩｃの代わりに、（Ｉｃ−Ｉ_ＣＥＯ）とすれば
よい。

【００２２】以上のように考えると、エミッタとベース
間の電位障壁高さ（Ｖｄ−Ｖｅ）はボルツマン定数ｋを
除けばサーミスタのＢ定数に対応していることがわか
る。そして、拡散電位Ｖｄはバイポーラトランジスタを
作成すれば決定されてしまうが、エミッタ・ベース間電
圧Ｖｅを調節する事によりエミッタとベース間の電位障
壁高さを調節して、所望のＢ定数に調節できるようにで
きるトランジスタサーミスタが提供できることがわか
る。

【００２３】上述した従来のトランジスタ温度センサで
は、定電流回路を設けるようにしてバイポーラトランジ
スタに一定のコレクタ電流を流し、エミッタとベース間
ｐｎ接合の順方向電圧であるエミッタ・ベース間電圧Ｖ
ｅの温度による変化を測定するもので、ただ、その出力
電圧は絶対温度Ｔに比例するというメリットがあるが極
めて小さいので、別に設けた増幅回路により増幅して温
度に比例する出力を得るようにすることが一般的であ
る。これに対し、本発明のトランジスタサーミスタで
は、通常のバイポーラトランジスタのように、エミッタ
とベース間に順方向バイアス、ベースとコレクタ間には
逆方向バイアスが印加されるように回路を組むが、エミ
ッタとベース間の順方向バイアス電圧を定電圧電源から
分圧するなどして所望の順方向エミッタ・ベース電圧Ｖ
ｅに調節できるような回路とし、そのエミッタ・ベース
電圧Ｖｅの調節によりサーミスタとみなされるコレクタ
抵抗Ｒｃが所望のＢ定数を有するようにするものであ
る。このときベースとコレクタ間のｐｎ接合が逆方向バ
イアスなのでコレクタ抵抗Ｒｃが非常に大きくなり、コ
レクタ抵抗Ｒｃより十分に小さいが、一般には大きな抵
抗とみなされる例えば１００ｋΩ程度の負荷抵抗ＲＬで
もコレクタ抵抗Ｒｃに直列接続できる、すなわち本発明
によると、トランジスタの増幅機構が使えるので、大き
な出力を得ることができるという利点がある。

【００２４】また、本発明においては、ＭＯＳトランジ
スタもそのサブスレショールドにおいては、バイポーラ
トランジスタとして動作させることができることに注目
した。したがって、本発明は、ＭＯＳトランジスタのソ
ース、チャンネル、ドレインを、それぞれバイポーラト
ランジスタのエミッタ、ベース、コレクタに対応させ
て、バイポーラトランジスタとして扱うことにより、や
はり所望のＢ定数に調節できるようにしたトランジスタ
サーミスタを提供するのである。このような場合、バイ
ポーラトランジスタとしてのエミッタ・ベース間電圧Ｖ
ｅは、ＭＯＳトランジスタのゲート電圧Ｖｇもしくは基
板（チャンネル領域を形成している領域）の電圧Ｖｓで
調節することができる。したがって、ＭＯＳトランジス
タもサブスレショールド領域においてはバイポーラトラ
ンジスタのトランジスタサーミスタとなり得る。

【００２５】このようにＭＯＳトランジスタをそのサブ
スレショールドにおいてバイポーラトランジスタとして
動作させたときには、ドレイン電流ＩＤは、Ｉ_Ｄ＝Ｉ_０Ｄｅｘｐ｛ｑ（Ｖｇ−Ｖ_Ｔ）／ｎｋＴ｝と表される。ここで、Ｉ_０Ｄは温度Ｔが無限大の時のド
レイン電流に相当し、Ｖ _Ｔはスレショールド電圧であ
る。このときも、ｑ（Ｖｇ−Ｖ_Ｔ）／ｎｋをサーミスタ
のＢ定数と考えると、上述のように、ＭＯＳトランジス
タもそのサブスレショールドにおいては、ＮＴＣサーミ
スタと同等に扱うことができることがわかる。

【００２６】また、本発明に係わるトランジスタサーミ
スタは、バイポーラトランジスタの作成時に所定のエミ
ッタ・ベース間電圧Ｖｅになるように、供給電源電圧の
抵抗等の分担を利用してバイアス回路を集積形成するこ
とができる。そして、本発明は、できあがったときには
無調整で所望のエミッタ・ベース間電圧Ｖｅが得られ、
従って所望のＢ定数が得られるようにしたバイポーラト
ランジスタを提供することができる。

【００２７】また、本発明に係わるトランジスタサーミ
スタによっては、薄膜ＳＯＩ基板やマイクロエアブリッ
ジ構造にした熱形赤外線センサ等に用いる薄膜半導体層
にバイポーラトランジスタを形成するときには、薄膜の
ため通常の厚み方向（縦方向）へエミッタ領域、ベース
領域、コレクタ領域が順次並ぶように形成する事は困難
で、これらを横方向に並ぶように形成することが望まし
い。エミッタ領域からベース領域に注入されたほとんど
のキャリアが横方向に流れ、コレクタ領域に到達するよ
うにした。

【００２８】また、本発明においては、絶縁基板上にも
バイポーラトランジスタが作成できるように、多結晶シ
リコン薄膜にトランジスタサーミスタを作成することが
できる。また、本発明は、同一基板に複数のトランジス
タサーミスタを形成することができる。この場合、複数
のトランジスタサーミスタのＢ定数をそれぞれのバイポ
ーラトランジスタのＶｅの調節により同一になるように
設定することができる。例えば、同一のシリコン基板上
に形成した２個のマイクロエアブリッジと基板自体に、
それぞれトランジスタサーミスタを形成し、それぞれ同
一のＢ定数に調整させて、２個のマイクロエアブリッジ
上の一方のトランジスタサーミスタを赤外線受光センサ
等、他方を温度補償素子等として用い、基板のトランジ
スタサーミスタを基板の温度モニター用等に使用するこ
とができる。このようにすれば、大きな周囲温度変化が
あっても、精密なターゲットの温度計測ができることに
なる。

【００２９】また、ＬＳＩ基板等の平面の温度分布を調
べることもできる。Ｂ定数を一致させた複数のトランジ
スタサーミスタを縦接に配列して、バイポーラトランジ
スタアレーを構成することもできる。

【００３０】また、本発明のトランジスタサーミスタ
は、同一基板に定電圧電源回路を集積化し、その該定電
圧電源回路からの電圧を利用することにより、バイポー
ラトランジスタのエミッタ・ベース間電圧Ｖｅの調節用
とすることもできる。サーミスタの温度依存性を決定す
るＢ定数を所望の一定値にするためには、作成したバイ
ポーラトランジスタの拡散電位Ｖｄに応じて、エミッタ
・ベース間電圧Ｖｅを特定の一定値にする必要がある。
このため、周囲の温度変化、電源電圧や負荷の変動等に
影響されない一定のエミッタ・ベース間電圧Ｖｅを印加
しなければならない。そのためには、例えば、シリコン
（Ｓｉ）基板を用いたときには、一定電圧を作るツエナ
−ダイオードや各種抵抗をこの同一のＳｉ基板にトラン
ジスタサーミスタとなるバイポーラトランジスタと一緒
に集積化しておくと便利である。一般にツエナ−ダイオ
ードの一定電圧は例えば６Ｖ程度であるのに対し、所望
のＢ定数を得るためのエミッタ・ベース間電圧Ｖｅは例
えば０．５０Ｖ程度である。そこで、電圧を調整するた
めに、例えば、ツエナ−ダイオードからの一定電圧を抵
抗分割するなどして、変動しにくいエミッタ・ベース間
電圧Ｖｅを作り印加するようにすればよい。また、複数
のトランジスタサーミスタがある時には、このような１
個の定電圧回路から各トランジスタサーミスタの所望の
エミッタ・ベース間電圧Ｖｅになるように分割分担して
やればよい。なお、共通端子を有しない複数のトランジ
スタサーミスタに対しては、電気的に絶縁分離した複数
の定電圧回路を設けるようにしてもよい。

【００３１】また、本発明のトランジスタサーミスタ
は、バイポーラトランジスタを下部、上部又は横等に空
洞を有する薄膜状又は薄膜上に形成した場合である。こ
のような構成は、感温部となるバイポーラトランジスタ
を基板から熱分離すると共にその熱容量を小さくさせ
て、応答速度と感度の両方を増大させるためである。こ
こで、薄膜上に形成とは、必ずしも薄膜の上だけの意味
だけでなく、薄膜に接してその下部に形成されていても
良い。例えば、シリコンの単結晶にプレーナ型のトラン
ジスタサーミスタとなるバイポーラトランジスタを形成
しておき、その上にシリコン酸化膜などのＣＶＤ膜で覆
い、薄いシリコンの単結晶に形成したバイポーラトラン
ジスタをこのＣＶＤ膜で吊り下げる形になるように、そ
の下に空洞を設けても良い。

【００３２】さらに、本発明は、上述のトランジスタサ
ーミスタを組み合わせて温度を測定するようにした温度
測定方法に係わるものである。また、本発明のトランジ
スタサーミスタの応用デバイスの１つとして熱型赤外線
センサがある。これは、赤外線受光部としてトランジス
タサーミスタを作成して熱型赤外線センサを形成するも
のである。このような熱型赤外線センサを体温等の計測
用等に用いる、いわゆる赤外線温度計とする場合は、例
えば、シリコン基板上に形成した２個のマイクロエアブ
リッジと基板自体に、それぞれ薄膜サーミスタを形成
し、２個のマイクロエアブリッジの一方を赤外線受光
用、他方を周囲温度補償用にし、基板に形成したサーミ
スタは、基板温度のモニター用として用いることができ
る。体温程度の低い温度からの赤外線の受光量は極めて
少ないので、２個のマイクロエアブリッジの赤外線受光
用と周囲温度補償用のサーミスタに温度差は、例えば
０．１℃と極めて小さく、更にその温度差を３桁以上の
精度で精密に計測する必要がある。しかし、これらのサ
ーミスタにＢ定数の違いがあると、周囲温度の変化は例
えば０℃から３５℃というように極めて大きいので、周
囲温度の変化による２つのサーミスタ出力の変化が大き
く、大きな誤差になってしまう。よって、本発明のよう
に、２つのサーミスタのＢ定数の違いがなくなれば、２
つのサーミスタ出力の差は、体温などの被測定対象物か
らの赤外線の受光量だけの差になるので、誤差を極めて
小さくできる。

【００３３】また、本発明のトランジスタサーミスタの
他の応用デバイスとして、熱型赤外線イメージセンサが
ある。これは、トランジスタサーミスタの他、熱型赤外
線センサをマトリックス状に配列形成して、順次各該熱
型赤外線センサの出力を読み出すようにしたものであ
る。この場合、Ｘ−Ｙ平面上（水平ー垂直平面上）にそ
れぞれ熱型赤外線センサのアレーをマトリックス状に並
べ、この上に赤外線レンズ又は凹面鏡で、画像が結ばれ
るような光学系にしてあり、それぞれの熱型赤外線セン
サは画像の画素となるようにしてある。各バイポーラト
ランジスタには、所望のＢ定数に成るようにエミッタ・
ベース間電圧Ｖｅを安定化電源からそれぞれ分圧して印
加できるようにすることができる。このような構成とな
って、テレビジョンと同様に、赤外線画像表示を実現す
ることができる。

【００３４】さらに、本発明は、上述のトランジスタサ
ーミスタを組み合わせて温度を測定するようにした温度
測定方法に係わるものである。

【００３５】（２）トランジスタサーミスタ（温度測定
装置）以下、本発明のトランジスタサーミスタについて図面を
参照して詳細に説明する。図１は、本発明のトランジス
タサーミスタの基本回路図の一例である。このトランジ
スタサーミスタは、ｎｐｎトランジスタであるバイポー
ラトランジスタ１０を用いた概略図である。バイポーラ
トランジスタ１０は、通常動作のように負荷抵抗ＲＬを
介してコレクタＣとエミッタＥとの間に電源Ｖｃｃから
コレクタ・ベース間電圧Ｖｃが逆方向に、エミッタ・ベ
ース間電圧Ｖｅが順方向にバイアスされるように印加さ
れている。また、安定化電源１００からの電圧Ｖｚは、
抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｋの直列回路の両端に印加される。
抵抗Ｒｂのタップからの出力値を微細に変化させられる
ようにして、バイポーラトランジスタ１０のエミッタ・
ベース間電圧Ｖｅが順方向バイアスで、必要な分担電圧
が得られるようにしている。これにより、バイポーラト
ランジスタ１０がトランジスタサーミスタとして所望の
Ｂ定数に成るように調整される。

【００３６】このとき、例えば、電源Ｖｃｃは６Ｖ等、
安定化電源の電圧Ｖｚも同じく６Ｖ等に設定することが
できる。また、例えば、市販のｎｐｎトランジスタを用
い、エミッタ・ベース間電圧Ｖｅを０．３Ｖ、０．４
Ｖ、０．５Ｖにしたときは、Ｂ定数の値はそれぞれ、例
えば、１１２５０Ｋ、１０２５０Ｋ、８７５０Ｋとなっ
た。

【００３７】このようにエミッタ・ベース間電圧Ｖｅの
調整により、Ｂ定数の値を微細に調整することができ
る。これは丁度、コレクタ抵抗Ｒｃが負の温度係数を持
ったサーミスタ、すなわちＮＴＣサーミスタとみなさ
れ、そのＢ定数の値が微細に調整できることになる。コ
レクタ電流Ｉｃが温度Ｔの変化により変化し、負荷抵抗
ＲＬの電圧降下として出力が取り出される。コレクタ・
ベース間のｐｎ接合に対して、逆方向バイアスであるの
で、コレクタ抵抗が大きく、負荷抵抗ＲＬとして、例え
ば１００ｋΩ〜１ＭΩ等という大きな抵抗にすることも
できる。この出力インピーダンスが大きいということ
は、バイポーラトランジスタの本来の増幅機構である。
従って、例えば、負荷抵抗ＲＬが１ＭΩのときはコレク
タ電流が１μＡだけ変化したとすると、ＲＬの電圧降下
は１Ｖとなり、大きな出力電圧Ｖ_０の変化が得られる。
なお、同一のエミッタ・ベース間電圧Ｖｅの下でコレク
タ電流を大きくさせるには、接合面積を大きくすればよ
い。

【００３８】図２は、本発明のトランジスタサーミスタ
の他の基本回路図である。この回路は、本発明のトラン
ジスタサーミスタの図１に示した基本回路を変形して、
電源として安定化電源１００を１個だけ用いた場合の実
施の形態の概略図である。この回路では、１個の電源
（安定化電源１００）で済むので回路が簡便となる。図
１と同様に、抵抗Ｒｂの出力値を調整することにより、
Ｂ定数を微細に調整することができる。

【００３９】図３は、基板にバイポーラトランジスタを
形成したトランジスタサーミスタの横断面図である。こ
の図は、ｎ型のシリコン（Ｓｉ）基板１に、トランジス
タサーミスタとして用いるｎｐｎ型のバイポーラトラン
ジスタ１０を形成すると共に、安定化電源１００の電圧
基準となるツエナーダイオード３０と抵抗Ｒｋを形成し
てある。さらに、ここでは、抵抗Ｒｋは、図１及び２に
示したように、エミッタ・ベース間電圧Ｖｅを安定化電
源１００から分圧させるために用いるものである。

【００４０】抵抗Ｒｋは、拡散抵抗層４１、ｐ型層４
２、拡散抵抗用電極６５ａ及び６５ｂを備える。バイポ
ーラトランジスタ１０は、ｎ型エミッタ領域２０、ｐ型
ベース領域２１、ｎ型コレクタ領域２２、オーム性コン
タクト層２３、エミッタ電極６０、ベース電極６１、コ
レクタ電極６２を備える。また、ツエナーダイオード３
０は、ｎ型層３１、ｐ型層３２、電極６３及び６４を備
える。なお、酸化膜５０１は、形成されていても良い
し、形成されてなくても良い。なお、各図及びその説明
において、同一の符号は同一の構成要素を示す。

【００４１】このデバイスは、例えば、次のようにして
作成できる。先ず、ｎ型Ｓｉ基板１の表面を熱酸化し
て、０．５μｍ程度のシリコン酸化膜５０を成長させ
る。なお、このとき基板の下部の酸化膜５０１は、形成
されていても形成されていなくても良い。その後、公知
のフォトリソグラフィ技術を用いて、Ｓｉ基板１の表面
に窓開けして、例えば最初３μｍ深さ程度にｐ型不純物
（例えば、ホウ素）を熱拡散により添加し、ｐ型不純物
層であるツエナーダイオード３０のｐ型層３２、バイポ
ーラトランジスタ１０のｐ型のベース領域２１及び拡散
抵抗の絶縁分離用のｐ型層４２を形成する。つぎに、更
にＳｉ基板１を熱酸化して、必要な個所に窓開けして、
今度は例えば１μｍ深さ程度にｎ型不純物（例えば、リ
ン）を熱拡散により添加し、ｎ型不純物層であるツエナ
ーダイオード３０のｎ型層３１、バイポーラトランジス
タ１０のｎ型のエミッタ領域２０、コレクタ領域２２用
オーム性コンタクト層２３、及び拡散抵抗となるｎ型拡
散抵抗層４１を、イオン注入技術などで形成する。その
後、再度熱酸化して、電極用の窓開けをしたのち、配線
用の金属化を行い、配線や拡散抵抗用電極６５ａ、６５
ｂ、エミッタ電極６０、ベース電極６１、コレクタ電極
６２、ツエナーダイオード３０の電極６３、６４、さら
にパッド等を形成させる。ツエナーダイオード３０の逆
方向耐圧は、ほぼ、ｐｎ接合の両側の不純物密度で決ま
り、不純物密度が大きいほど、逆耐圧は小さくなる。例
えば一例として、６Ｖ程度の逆耐圧になるように設計す
ることができる。拡散抵抗値は、ｎ型拡散抵抗層４１の
不純物密度とその寸法で決まるので、所望の抵抗値にな
るように、拡散抵抗Ｒｋの抵抗値（例えば１ｋΩ）にな
るように設計する。電極としては、従来半導体デバイス
の電極材として用いられているＳｉ入りＡｌ等の真空蒸
着膜を用いることができる。

【００４２】図４は、同一基板に複数のｎｐｎ型のバイ
ポーラトランジスタを形成したトランジスタサーミスタ
の横断面図である。この図は、同一のｐ型のＳｉ基板１
に複数のｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ１０ａ、１
０ｂ、１０ｃ（一部）、・・・を形成したときの実施の
形態の横断面図の概略図である。

【００４３】バイポーラトランジスタ１０ａは、ｎ型エ
ミッタ領域２０ａ、ｐ型ベース領域２１ａ、ｎ型コレク
タ領域２２ａ、エミッタ電極６０ａ、ベース電極６１
ａ、コレクタ電極６２ａを備える。バイポーラトランジ
スタ１０ｂは、ｎ型エミッタ領域２０ｂ、ｐ型ベース領
域２１ｂ、ｎ型コレクタ領域２２ｂ、エミッタ電極６０
ｂ、ベース電極６１ｂ、コレクタ電極６２ｂを備える。
バイポーラトランジスタ１０ｃは、一部が示されてお
り、ｎ型エミッタ、ｐ型ベース、ｎ型コレクタ領域２２
ｃ、エミッタ電極、ベース電極６１ｃ、コレクタ電極を
備える。ここでは、同一のｐ型のＳｉ基板１に複数のｎ
ｐｎ型のバイポーラトランジスタを形成しているので、
互いにｎ型の各コレクタ領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃが
ｐ型基板との間でｐｎ接合による絶縁分離がなされてい
る。基板１上の各バイポーラトランジスタ１０ａ、１０
ｂ、１０ｃ、・・・の作成方法は、ほぼ上述の図３に示
したｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ１０の作成方法
と同様である。

【００４４】なお、本発明は、ｎｐｎ型及びｐｎｐ型の
いずれのタイプのトランジスタにも適用することができ
る。また、本発明は、トランジスタのエミッタとコレク
タとを逆転して使用し、エミッタをコレクタとして使用
するなど、適宜適用することができる。

【００４５】（３）複数個形成されたトランジスタサー
ミスタ図５は、複数個のトランジスタサーミスタを備えた回路
図である。３個のｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ１
０ａ、１０ｂ、１０ｃのエミッタ・ベース間電圧Ｖｅ
１、Ｖｅ２、Ｖｅ３を、それぞれバイアス調整用の抵抗
Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂ３で調節して、３個とも同一のＢ
定数になるようにした。ここでのトランジスタの個数は
一例であり、必要に応じて適宜設けることができる。電
源Ｅ_Ｂからの電圧は、ツエナーダイオード３０と抵抗Ｒ
ｚで分担され、逆方向バイアスされたツエナーダイオー
ド３０の電圧を安定化電源１００の電圧Ｖｚとした。例
えば、電源ＥＢの電圧を７Ｖとし、ツエナーダイオード
３０の電圧Ｖｚを６Ｖ、電圧分割用抵抗Ｒａ、Ｒｋをそ
れぞれ１０ｋΩ、２ｋΩとし、抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒ
ｂ３の元の値を共に２０ｋΩ、負荷抵抗ＲＬ１、ＲＬ
２、ＲＬ３を共に、１００ｋΩにして動作させることが
できる。

【００４６】図６は、複数のトランジスタサーミスタを
熱型赤外線センサに応用して、半導体基板に集積化した
場合の説明図である。上述の図５に示した３個のｎｐｎ
型のバイポーラトランジスタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの
内、２個のバイポーラトランジスタ１０ａ、１０ｂをそ
れぞれ各Ｓｉ基板に形成し、下部に空洞５を持つマイク
ロエアブリッジ上に薄膜状に形成した。一方のバイポー
ラトランジスタ１０ａを、赤外線受光用センサに、他方
のバイポーラトランジスタ１０ｂを外来の赤外線を遮光
するようにして補償用センサにした。また、残りの１個
のバイポーラトランジスタ１０ｃを、Ｓｉ基板１の温度
を計測するためにこの基板上に形成した。この例では、
外部電源ＥＢを除いて、ほとんどすべて半導体基板に集
積化した場合の例が示される。

【００４７】３個のｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、極めて薄くした単結晶Ｓｉ
（例えば、Ｓｉ基板の一部を残す場合やＳＯＩ技術によ
り形成する場合など）に形成したり、酸化シリコン膜上
の多結晶シリコン薄膜に形成したりできる。なお、３個
とも同一のプロセスで形成した方が特性が揃い、同一の
Ｂ定数にするのに容易となり好都合である。各抵抗Ｒ
ｚ、Ｒａ、Ｒｋ、ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３及び抵抗Ｒｂ
１、Ｒｂ２、Ｒｂ３を構成する固定部分の抵抗ｒ１２、
ｒ２２、ｒ３２として、上述したような半導体の拡散抵
抗を利用することができる。また、抵抗Ｒｂ１、Ｒｂ
２、Ｒｂ３を構成する可変調整部分の抵抗ｒ１１、ｒ２
１、ｒ３１として、Ｓｉ基板上の酸化シリコン膜上にニ
クロムなどの抵抗性金属薄膜でパターン形成し、レーザ
トリミング等でその値を微調整できるように形成するこ
とができる。これらのトランジスタやツエナーダイオー
ド３０、各抵抗や電極パッド５０１、５０２、５０３；
５１１、５１０を結ぶ配線中、配線４００、４０１、４
０３、４１１、４１２、４１３、４３０は、Ｓｉ基板上
の酸化シリコン膜等の絶縁膜上にアルミニウム（Ａ
ｌ）、金（Ａｕ）等で形成できる。また、これらの配線
と立体交差する配線３１０、３２０、３３１、３３２、
３３３は、低抵抗にした不純物拡散層の拡散抵抗、シリ
サイド、金属などのパターンニングを施した後、その表
面を電気的絶縁薄膜で覆い、絶縁させて立体交差するよ
うに形成することができる。なお、マイクロエアブリッ
ジ上のバイポーラトランジスタからなる赤外線受光用セ
ンサと補償用センサには、必要に応じ赤外線吸収膜を形
成することができ、これにより感度を上昇できる。

【００４８】（４）フローティング構造の温度センサつぎに、フローティング構造について説明する。フロー
ティング構造とは、空中に浮いた構造体であり、例え
ば、橋のような構造や、上、下又は横などに空隙・空洞
を有する構造をしているものをいう。フローティング構
造としては、例えば、両端支持のものはエアブリッジ型
と呼ばれ、一端支持の場合はカンチレバー型と呼ばれ、
また、周辺をぐるりと基板に支持されている構造はダイ
アフラム型と呼ばれる。空洞については、裏面又は表面
又は横面のいずれの面に形成されていても良い。また、
本発明におけるマイクロエアブリッジは、小さなエアブ
リッジを意味する。

【００４９】以下の説明では、フローティング構造を説
明するための横断面図の概要図を示す。ここでは、主
に、マイクロブリッジを対象として説明するが、本発明
は、これに限らず、フローティング構造として、上述し
た各型のような適宜の中に浮いた構造を採用することが
できる。そして、各図の平面図は、採用されたフローテ
ィング構造により適宜のものに決定される。

【００５０】図７は、トランジスタサーミスタとしての
バイポーラトランジスタを有するマイクロエアブリッジ
の第１の実施の形態の断面図である。Ｓｉ基板１に形成
したマイクロエアブリッジ６上に堆積した多結晶シリコ
ン薄膜からなるｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ１０
をトランジスタサーミスタとして利用したものである。
この構成は、上述の図６に示した赤外線センサやフロー
センサなどの温度センサとして使用できるものである。

【００５１】基板１には、絶縁膜５０及びシリコンオキ
シナイトライド膜５１が形成される。シリコンオキシナ
イトライド膜５１の一部は、空洞５を有するマイクロエ
アブリッジ６を構成する。マイクロエアブリッジ６に
は、バイポーラトランジスタ１０が形成される。バイポ
ーラトランジスタ１０は、ｎ型エミッタ領域２０、ｐ型
ベース領域２１、ｎ型コレクタ領域２２、エミッタ電極
６０、ベース電極６１、コレクタ電極６２を備える。な
お、絶縁膜５０１は、形成されていても形成されなくて
も良い。また、各図において、同一の符号は同一の構成
要素を示す。

【００５２】空洞５は、Ｓｉ基板１の裏面から異方性エ
ッチングにより形成した例で、もちろん、Ｓｉ基板１の
表面からマイクロエアブリッジ６を残すように形成する
こともできる。Ｓｉ基板１上に形成する絶縁膜５３は酸
化シリコン膜５０のほか、マイクロエアブリッジ６が歪
まないように熱膨張係数を合わせたシリコンオキシナイ
トライド膜５１を形成した方がよい。また、多結晶シリ
コン薄膜のバイポーラトランジスタ１０のコレクタ電極
６２、ベース電極６１及びエミッタ電極６０は各々絶縁
され、そのためＰＳＧなどの絶縁膜５２を形成してい
る。

【００５３】なお、赤外線センサとして利用するときに
は、マイクロエアブリッジ６上のバイポーラトランジス
タ１０上に、赤外線吸収膜を形成しておくとよい。この
ようにマイクロエアブリッジ６上にトランジスタサーミ
スタのバイポーラトランジスタ１０を形成することによ
り、高速応答で高感度の赤外線センサなどの温度センサ
が作成できる。

【００５４】図８は、トランジスタサーミスタとしての
バイポーラトランジスタを有するマイクロエアブリッジ
の第２の実施の形態の断面図である。図７に示したよう
なマイクロエアブリッジ６の断面の向きを変えて、マイ
クロエアブリッジ６の支えも見えるようなバイポーラト
ランジスタ１０を有するマイクロエアブリッジ６の断面
図である。この図は、図７に示した例とは異なり、マイ
クロエアブリッジ６の主体を例えば、異方性エッチング
に耐性のある高密度ホウ素添加Ｓｉとし、更に、この高
密度ホウ素添加Ｓｉはｐ型Ｓｉとなるので、これをバイ
ポーラトランジスタ１０のエミッタ領域２０又はコレク
タ領域２２として利用した場合の例である。ここでは、
トランジスタサーミスタとしてのバイポーラトランジス
タ１０のエミッタ領域２０やベース領域２１を、多結晶
シリコン薄膜を堆積させて、そこに形成した。これらの
作成工程は、公知の半導体プロセスで作成できる。

【００５５】なお、マイクロエアブリッジ６のバイポー
ラトランジスタ１０のコレクタ領域２２として利用して
いる高密度ホウ素添加Ｓｉは、低抵抗であって、マイク
ロヒータとしても機能させることもできる。また、別に
マイクロエアブリッジ６に発熱体としての薄膜ヒータ材
を更に形成し、マイクロヒータとして利用し、同じくそ
こに形成してあるトランジスタサーミスタと組み合わせ
て温度制御する事もできる。マイクロエアブリッジ６が
用いられているため、マイクロヒータの消費電力が極め
て小さくでき、高速応答の温度制御系が達成される。

【００５６】図９は、トランジスタサーミスタとしての
バイポーラトランジスタを有するマイクロエアブリッジ
の第３の実施の形態の断面図である。この図は、図８に
示したようなマイクロエアブリッジ６上のバイポーラト
ランジスタ１０であるが、ここでは、Ｓｉ基板１の一部
をマイクロエアブリッジ６に残し、そこにバイポーラト
ランジスタ１０を形成したときの横断面図を示す。

【００５７】バイポーラトランジスタ１０は、Ｓｉ基板
１の（１１１）面を使用し、異方性エッチング技術と組
み合わせて、Ｓｉ基板１の一部をマイクロエアブリッジ
６上（実際には、その下部に密着形成）に残すように形
成しても良いし、ＳＯＩ（Silicon on Insulater）基板
等を用いて形成しても良い。また、ここでは、マイクロ
エアブリッジ６の主体を酸化シリコン膜５０としてい
る。また、赤外線センサとして利用した場合、図示のよ
うに、金黒やニクロムなどの赤外線吸収膜５００を絶縁
膜５２を介して配置することもできる。

【００５８】図１０は、トランジスタサーミスタとして
のバイポーラトランジスタを有するマイクロエアブリッ
ジの第４の実施の形態の断面図である。この図は、Ｓｉ
基板１の上に空洞５を形成し、この空洞５の下部にあた
るＳｉ基板１に、ツエナーダイオード３０や、負荷抵抗
やバイアス分担用の抵抗などの拡散抵抗層４１ａ、４１
ｂ、４１ｃをＳｉ基板１とｐｎ接合による絶縁分離を施
して形成した場合の例を示している。

【００５９】抵抗Ｒａは、ｎ型層の拡散抵抗層４１ａ及
びｐ型層４２ａを備える。抵抗Ｒｂは、ｎ型層の拡散抵
抗層４１ｂ及びｐ型層４２ｂを備える。抵抗Ｒｃは、ｎ
型層の拡散抵抗層４１ｃ及びｐ型層４２ｃを備える。バ
イポーラトランジスタ１０は、ｎ型エミッタ領域２０、
ｐ型ベース領域２１、ｎ型コレクタ領域２２、エミッタ
電極６０、ベース電極６１、コレクタ電極６２を備え
る。また、ツエナーダイオード３０は、ｎ型層３１、ｐ
型層３２、電極６３及び６４を備える。エミッタ電極６
０は、拡散抵抗層４１ｃに接続され、ベース電極６１
は、拡散抵抗層４１ａに接続される。また、ｎ型コレク
タ領域２２は、拡散抵抗層４１ｂに接続される。なお、
酸化膜５０１は、形成されていても良いし、形成されて
なくても良い。この例は、図８と同様に、マイクロエア
ブリッジ６の主体を高密度ホウ素添加Ｓｉとし、更にこ
こをバイポーラトランジスタ１０のコレクタ領域２２と
して、その上に多結晶シリコン薄膜を形成して、ベース
領域２１及びエミッタ領域２０を形成したものである。

【００６０】なお、このトランジスタサーミスタとして
のバイポーラトランジスタ１０を熱型赤外線センサとし
て利用することもできるし、このにマイクロエアブリッ
ジ６に更にマイクロヒータやペルチェ素子を形成して、
加熱、冷却を行うなど温度制御する事もできる。このよ
うに、Ｓｉ基板１にＳｉの集積回路を形成し、その上方
に形成された熱分離用の空洞５を介して、バイポーラト
ランジスタ１０を形成して、これをトランジスタサーミ
スタとして利用することにより、所望のＢ定数が選択で
きるので、熱に関する高速応答、低消費電力かつ高感度
の温度制御系又は温度検出系が提供できる。

【００６１】図１１は、トランジスタサーミスタとして
のバイポーラトランジスタを有するマイクロエアブリッ
ジの第４の実施の形態の断面図である。この図は、マイ
クロエアブリッジ６の絶縁膜５３上に薄膜半導体を形成
し、ここにエミッタ領域２０、ベース領域２１、コレク
タ領域２２を横方向に順次形成した構造のバイポーラト
ランジスタ１０を熱型赤外線センサとして利用する場合
の例を示す。図１１（ａ）は、このような熱型赤外線セ
ンサの平面図で、同図（ｂ）は、この熱型赤外線センサ
を図１１（ａ）のＸ−Ｘから見た断面図である。

【００６２】この構造のトランジスタサーミスタ１０
は、例えば、次のようにして作成することができる。ま
ず、Ｓｉ基板１上にＣＶＤによりオキシナイトライド膜
又は酸化シリコン膜からなる絶縁膜５１を、例えば１０
ｎｍ厚程度に形成する。さらに、その上にｎ形の多結晶
シリコン薄膜をやはりＣＶＤ等により形成し、ここにｐ
形不純物を熱拡散もしくはイオン注入技術によりベース
領域２１を形成する。さらに、この拡散もしくはイオン
注入窓等を利用してエミッタ領域２０をｎ形の多結晶シ
リコン薄膜の底に到達する程度に形成する。また、元の
ｎ形の多結晶シリコン薄膜をコレクタ領域２２として使
用すれば、エミッタ領域２０、ベース領域２１、コレク
タ領域２２が、順次横方向に並ぶように形成される（な
お、図では、左右対称にエミッタ領域２０、ベース領域
２１、コレクタ領域２２が形成されている。）。よっ
て、このような構成では、エミッタ領域２０からベース
領域２１に注入されたキャリア（電子）は、横方向に流
れ、コレクタ領域２２に到達する事になる。

【００６３】このようにエミッタ領域２０からベース領
域２１に注入されキャリア（電子）は、エミッタ領域２
０の周囲からベース領域２１に注入されるので、多くの
キャリアを流す、すなわちコレクタ抵抗を小さくさせる
には、エミッタ領域２０の周囲長を長くすればよい。こ
のような考えからエミッタ領域２０の周囲を蛇行させて
いる。従来技術で電極形成後、絶縁膜５３に窓を開け、
この窓を通してＳｉ基板１を表面からの異方性エッチン
グ技術により空洞５を形成し、マイクロエアブリッジ６
を作成する。また、必要に応じて赤外線吸収膜を形成し
ておく。表面からのマイクロエアブリッジ６り空洞５を
形成し、マイクロエアブリッジ６を作成するようにする
と、Ｓｉ基板１の裏面からの異方性エッチング技術によ
るマイクロエアブリッジ６形成に比べ、小型のマイクロ
エアブリッジ６が形成でき、それだけ熱容量が小さくな
るので、高感度、高速応答の赤外線センサが得られ、こ
れらをアレー化させることにより赤外線イメージセンサ
も作りやすいと言うメリットがある。

【００６４】以上の実施の形態では、バイポーラトラン
ジスタ１０を多くの場合、ｎｐｎ型の場合を例にした
が、これをｐｎｐ型にしても同様である。

【００６５】（５）赤外線イメージセンサ図１２は、トランジスタサーミスタを応用した熱型赤外
線イメージセンサの回路図である。この図は、熱型熱型
赤外線センサアレーを熱型赤外線イメージセンサに応用
した場合の例である。各マイクロエアブリッジ６に形成
された各バイポーラトランジスタ１１、１２；２１、２
２が、Ｘ−Ｙ平面（水平ー垂直平面）上にマトリックス
状に配置される。これらのそれぞれのバイポーラトラン
ジスタ１１、１２；２１、２２のエミッタ−ベース間電
圧Ｖｅ１１、Ｖｅ１２；Ｖｅ２１、Ｖｅ２２、を可変抵
抗Ｒｂ１１、Ｒｂ１２；Ｒｂ２１、Ｒｂ２２で調整し
て、それぞれのトランジスタサーミスタのＢ定数が同一
になるようにした。公知の水平走査回路２１０と垂直走
査回路１１０と、ＭＯＳＦＥＴ２１１、２１２；１１
１、１１２；１２１、１２２とを用いて、順次各バイポ
ーラトランジスタ１１、１２；２１、２２を駆動するこ
とにより、これらのバイポーラトランジスタ１１、１
２；２１、２２をトランジスタサーミスタとしてみなし
たときのそれぞれの温度に対応する差動増幅器３００の
出力Ｖ_０を順次取り出す。なお、このときの出力Ｖ
_０は、負荷抵抗ＲＬの電圧降下と安定化電源の電圧Ｖｚ
との差として得られる。出力Ｖ_０は、公知の表示回路に
よりブラウン管、液晶、ＰＤＰなどの画面に表示させる
ことができる。

【００６６】このように本発明においては、多くの熱型
熱型赤外線センサを同一のＢ定数に調整できるので、外
部環境の温度変化に対して安定であると共に、熱型赤外
線イメージセンサの出力表示画面上の輝度のムラを極め
て小さくすることができる。

【００６７】（６）ＭＯＳ型のトランジスタサーミスタ図１３は、トランジスタサーミスタとしてのＭＯＳトラ
ンジスタを有するマイクロエアブリッジの第１の実施の
形態の断面図である。この図では、ｎ型のＳｉ基板１に
ＭＯＳトランジスタ６００を形成し、このＭＯＳトラン
ジスタをサブスレショールド領域で動作させて、ｎｐｎ
型のバイポーラトランジスタとして扱った場合の横断面
図の概略図を示す。この例では、ＭＯＳトランジスタに
ついて説明するが、本発明は、その他の電界効果トラン
ジスタにも適用することができる。

【００６８】ＭＯＳトランジスタ６００は、チャンネル
形成領域６０１、ｎ型ソース領域６２０、チャンネル領
域６２１、ｎ型コレクタ領域６２２を備える。さらに、
ＭＯＳトランジスタ６００は、ソース電極６６０、ドレ
イン電極６６２、酸化膜５０を介したゲート電極６６１
を備える。なお、酸化膜５０１は、形成されていても良
いし、形成されてなくても良い。

【００６９】ここでは、ｎ型のＳｉ基板１にチャンネル
領域６２１を形成するチャンネル形成領域６０１が形成
され、さらに、チャネル形成領域６０１に、ソース領域
６２０とドレイン領域６２２が形成されている。ゲート
には、ソース領域６２０に対して、負のゲート電圧Ｖｇ
を印加し、デプレッション型のｎチャンネルをｐ型ベー
スとして扱えるようにしてある。このようなＭＯＳトラ
ンジスタをサブスレショールド領域で動作させて、ｎｐ
ｎ型のバイポーラトランジスタとして扱えるようにし、
トランジスタサーミスタとする。

【００７０】実際には、デプレッション型のｎチャンネ
ル領域をｐ型ベースまでしなくとも、少しだけｎ型にな
る程度のｎチャンネル領域のｎ型ベース領域にしても、
このバイポーラトランジスタとして扱ったときのｎ型ベ
ース領域と高濃度ｎ型エミッタ領域（ソース領域）とに
は、電位障壁があるので、Ｂ定数は小さくなるがトラン
ジスタサーミスタとして扱うことができる。チャンネル
形成領域６０１をｐ型にした場合、デプレッション型の
ＭＯＳトランジスタとなってしまう場合が多い。サブス
レショールド領域で動作させるためには、例えば、ソー
ス領域６２０の電極６６０をアース電位とし、ドレイン
領域６２２の電極６６２に正の電圧（例えば３Ｖ）を印
加し、ゲート電極６６１には、負の電圧（例えば−５
Ｖ）を印加して、チャンネル領域６２１はｎチャンネル
から弱いｐ型又は弱いｎチャンネルにすればよい。

【００７１】図１３では、デプレッション型のＭＯＳト
ランジスタの例であったが、もちろん、エンハンスメン
ト型で、サブスレショールド領域で動作させてトランジ
スタサーミスタとして扱うことができる。また、ソー
ス、基板又はチャンネル形成領域、ドレインのＭＯＳト
ランジスタをバイポーラトランジスタとして扱うとき、
ｎｐｎ型でもｐｎｐ型でもよい。

【００７２】図１４は、トランジスタサーミスタとして
のＭＯＳトランジスタを有するマイクロエアブリッジの
第２の実施の形態の断面図である。この図は、Ｓｉ基板
１上のＳＯＩにＭＯＳトランジスタ６００を形成し、し
かもエッチングによりＳＯＩのシリコン酸化膜５０とそ
の上のＭＯＳトランジスタ部を残して他を除去した構
造、すなわちマイクロエアブリッジ構造の横断面図の概
略図である。

【００７３】ＭＯＳトランジスタ６００は、チャンネル
形成領域６０１、ｎ型ソース領域６２０、チャンネル領
域６２１、ｎ型コレクタ領域６２２を、横方向に順次並
べられるように備える。さらに、ＭＯＳトランジスタ６
００は、ソース電極６６０、ドレイン電極６６２、酸化
膜５４を介したゲート電極６６１を備える。

【００７４】この場合、薄膜構造で横方向の電気伝導の
トランジスタサーミスタが容易に形成できるので、基板
への熱伝導が小さく、熱容量も小さくできるので、赤外
線センサや赤外線イメージセンサ等への応用に好適であ
る。本実施の形態ではｐｎｐ型であるが、ｎｐｎ型でも
サブスレショールド領域での動作をすれば、どちらでも
適用できる。

【００７５】なお、本発明は、チャネルがｎ型及びｐ型
のいずれのタイプの電界効果トランジスタにも適用する
ことができる。また、本発明は、電界効果トランジスタ
のソースとドレインとを逆転して使用し、ソースをドレ
インとして使用するなど、適宜適用することができる。
また、ＭＯＳトランジスタをトランジスタサーミスタと
して使用するときに、長いチャンネルの抵抗が支配的に
なると問題になり、チャンネルコンダクタンスにはソー
ス領域とチャンネル領域との障壁高さによるチャンネル
における熱的キャリアの量が支配的になるようにする必
要があるので、チャンネル長を短くなるように設計した
方がよい。

【００７６】また、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）
でも、トランジスタサーミスタとして使用できる。静電
誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）は、接合型又はＭＯＳ型
の電界効果トランジスタのゲート長を極端に短くしたト
ランジスタと等価であり、特に、接合型電界効果トラン
ジスタのゲート長を極端に短くした場合は、ゲートはバ
イポーラトランジスタのベース幅を極端に短くしたもの
に等価である。

【００７７】また、上述の純粋のバイポーラトランジス
タ１０やバイポーラトランジスタさせるＭＯＳトランジ
スタの製作後、バイアス回路でＢ定数が調整できるよう
にしても良いし、製作時には所望のＢ定数が製作される
ように作りつけのバイアス回路を集積化しておくなどし
てトランジスタサーミスタを作成することもできる。さ
らに、このトランジスタサーミスタは温度センサとして
機能するので、これとマイクロヒータやペルチェ素子な
どと組み合わせて温度制御系や温度検出系を構成するこ
とができる。

【００７８】上述の実施の形態は本発明の一実施の形態
に過ぎず、本発明の主旨及び作用、効果が同一でありな
がら、本発明の多くの変形があることは明らかである。
本発明において、例えば、材料、厚さ・幅等のサイズ、
電圧、抵抗値等は適宜選択することができる。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、従来のサーミスタ
は、一度サーミスタを製作すると、そのＢ定数の制御は
極めて困難であったが、本発明のトランジスタサーミス
タとこの応用デバイスでは、バイポーラトランジスタの
エミッタ−ベース電圧又はＭＯＳトランジスタのゲート
電圧を調整する事により、大きくＢ定数を変化させるこ
とができるので、所望のＢ定数を微妙に調整できると共
に、複数のトランジスタサーミスタのＢ定数を同一にセ
ットすることができる。

【００８０】さらに、本発明のトランジスタサーミスタ
は、本質的にはバイポーラトランジスタなので、その増
幅機構が利用でき、熱型赤外線センサや熱型赤外線イメ
ージセンサ、フローセンサやガスセンサ、ピラニー真空
計などの高感度温度センサとして応用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトランジスタサーミスタの基本回路
図。

【図２】本発明のトランジスタサーミスタの他の基本回
路図。

【図３】基板にバイポーラトランジスタを形成したトラ
ンジスタサーミスタの横断面図。

【図４】同一基板に複数のｎｐｎ型のバイポーラトラン
ジスタを形成したトランジスタサーミスタの横断面図。

【図５】複数個のトランジスタサーミスタを備えた回路
図。

【図６】複数個のトランジスタサーミスタを熱型赤外線
センサに応用して、半導体基板に集積化した場合の説明
図。

【図７】トランジスタサーミスタとしてのバイポーラト
ランジスタを有するマイクロエアブリッジの第１の実施
の形態の断面図。

【図８】トランジスタサーミスタとしてのバイポーラト
ランジスタを有するマイクロエアブリッジの第２の実施
の形態の断面図。

【図９】トランジスタサーミスタとしてのバイポーラト
ランジスタを有するマイクロエアブリッジの第３の実施
の形態の断面図。

【図１０】トランジスタサーミスタとしてのバイポーラ
トランジスタを有するマイクロエアブリッジの第４の実
施の形態の断面図。

【図１１】トランジスタサーミスタとしてのバイポーラ
トランジスタを有するマイクロエアブリッジの第５の実
施の形態の断面図。

【図１２】トランジスタサーミスタを応用した熱型赤外
線イメージセンサの回路図。

【図１３】トランジスタサーミスタとしてのＭＯＳトラ
ンジスタを有するマイクロエアブリッジの第１の実施の
形態の断面図。

【図１４】トランジスタサーミスタとしてのＭＯＳトラ
ンジスタを有するマイクロエアブリッジの第２の実施の
形態の断面図。

【符号の説明】

１基板５空洞６マイクロエアブリッジ１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ；１１、１２、２１、２
２バイポーラトランジスタ２０エミッタ領域２１ベース領域２２コレクタ領域３０ツエナーダイオード４１拡散抵抗層５０酸化シリコン薄膜５１シリコンオキシナイトライド膜５２絶縁膜５３絶縁膜６０エミッタ電極６１ベース電極６２コレクタ電極１００安定化電源６２０ソース領域６２１チャンネル領域６２２ドレイン領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の電圧を出力するバイアス回路と、前記バイアス回路の出力が、順方向バイアス電圧として
エミッタ−ベース間に印加され、コレクタに第２の電圧
が印加され、コレクタ電流を出力とするトランジスタと
を備え、前記トランジスタのコレクタ電圧に対するコレクタ電流
の温度依存性が、前記トランジスタのコレクタ抵抗をサ
ーミスタとみなしたときの電流の温度依存性に相当する
ように前記トランジスタを用い、また、前記バイアス回
路の出力電圧値を調整することで順方向バイアス電圧を
調節し、順方向バイアス電圧により前記トランジスタの
エミッタ−ベース間の電位障壁高さを調節することによ
り、前記トランジスタのコレクタ抵抗についての温度依
存性を表すサーミスタ定数を所望の値に調節できるよう
にした温度測定装置。
【請求項２】第１の電圧を出力するバイアス回路と、前記バイアス回路の出力が、バイアス電圧としてソース
−ゲート間に印加され、ドレインに第２の電圧が印加さ
れ、ドレイン電流を出力とするＭＯＳ型又はその他の電
界効果トランジスタとを備え、前記電界効果トランジスタをそのサブスレショールドに
おいてバイポーラトランジスタに相当するように動作さ
せ、前記電界効果トランジスタのゲート電圧に対するド
レイン電流の温度依存性が、前記電界効果トランジスタ
のドレイン抵抗をサーミスタとみなしたときの電流の温
度依存性に相当するように前記電界効果トランジスタを
用い、また、前記バイアス回路の出力電圧値を調整する
ことでバイアス電圧又はチャンネル形成領域の電圧を調
節し、バイアス電圧により前記電界効果トランジスタの
ソース−ドレイン間の電位障壁高さを調節することによ
り、前記電界効果トランジスタのドレイン抵抗について
の温度依存性を表すサーミスタ定数を所望の値に調節で
きるようにした温度測定装置。
【請求項３】前記トランジスタ又は前記電界効果トラン
ジスタは、各半導体領域が薄膜半導体層で横方向に順次並ぶように
形成され、エミッタ領域又はソース領域から注入された
ほとんどのキャリアが横方向に流れて、コレクタ領域又
はドレイン領域に到達するようにした請求項１又は２に
記載の温度測定装置。
【請求項４】前記バイアス回路は、所定のサーミスタ定数を実現するためのエミッタ−ベー
ス間電圧、ゲート電圧又はチャンネル形成領域の電圧に
なるように、予め設定された分圧抵抗を備えたことを特
徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の温度測定装
置。
【請求項５】前記トランジスタ又は電界効果トランジス
タと同一基板に集積化され、前記トランジスタ又は電界
効果トランジスタの調節用電源とした定電圧電源回路を
さらに備えた請求項１乃至４のいずれかに記載の温度測
定装置。
【請求項６】前記トランジスタ又は電界効果トランジス
タは、同一基板に複数個形成され、各々のサーミスタ定数をそれぞれの前記バイアス回路を
調節することにより同一又は略同一になるようにしたこ
とを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の温度
測定装置。
【請求項７】前記トランジスタ又は電界効果トランジス
タは、第１の基板に形成され、前記第１の基板は、他の回路が形成された第２の基板と
フローティング構造により結合され、上部、下部又は横
部に空洞を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のい
ずれかに記載の温度測定装置。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載の温度測
定装置を複数個マトリックス状に配列形成し、各々の前記温度測定装置の出力を読み出すようにした熱
型赤外線イメージセンサ。
【請求項９】バイアス回路から第１の電圧を出力し、前記バイアス回路の出力を、トランジスタの順方向バイ
アス電圧としてエミッタ−ベース間に印加し、コレクタ
に第２の電圧を印加し、コレクタ電流を出力とし、前記トランジスタのコレクタ電圧に対するコレクタ電流
の温度依存性が、前記トランジスタのコレクタ抵抗をサ
ーミスタとみなしたときの電流の温度依存性に相当する
ように前記トランジスタを用い、前記バイアス回路の出力電圧値を調整することで順方向
バイアス電圧を調節し、順方向バイアス電圧により前記
トランジスタのエミッタ−ベース間の電位障壁高さを調
節することにより、前記トランジスタのコレクタ抵抗に
ついての温度依存性を表すサーミスタ定数を所望の値に
調節できるようにした温度測定方法。
【請求項１０】前記トランジスタのエミッタとコレクタ
とを逆転して使用し、エミッタをコレクタとして使用し
たことを特徴とする請求項９に記載の温度測定方法。
【請求項１１】バイアス回路から第１の電圧を出力し、前記バイアス回路の出力を、ＭＯＳ型又はその他の電界
効果トランジスタのバイアス電圧としてソース−ゲート
間に印加し、ドレインに第２の電圧を印加し、ドレイン
電流を出力とし、前記電界効果トランジスタをそのサブスレショールドに
おいてバイポーラトランジスタに相当するように動作さ
せ、前記電界効果トランジスタのゲート電圧に対するド
レイン電流の温度依存性が、前記電界効果トランジスタ
のドレイン抵抗をサーミスタとみなしたときの電流の温
度依存性に相当するように前記電界効果トランジスタを
用い、前記バイアス回路の出力電圧値を調整することでバイア
ス電圧又はチャンネル形成領域の電圧を調節し、バイア
ス電圧により前記電界効果トランジスタのソース−ドレ
イン間の電位障壁高さを調節することにより、前記電界
効果トランジスタのドレイン抵抗についての温度依存性
を表すサーミスタ定数を所望の値に調節できるようにし
た温度測定方法。
【請求項１２】前記電界効果トランジスタのソースとド
レインとを逆転して使用し、ソースをドレインとして使
用したことを特徴とする請求項１１に記載の温度測定方
法。