(57)【要約】      （修正有）【課題】従来のＰＮ接合ダイオードよりも温度に対する出力電圧の変動幅の大きい、簡易な構成の、感度の向上した半導体温度センサを提供する。【解決手段】機能付ダイオードを温度センサ素子として用いた半導体温度センサであって、Ｐｏｌｙ−Ｓｉで形成されたダイオード２に、温度が下がると抵抗値が増大する負の温度特性を備えた低濃度抵抗３を直列に付加して構成し、ＰＮ接合電圧の変化分に更に低濃度抵抗３の抵抗値の変化分が加える。【選択図】図５
2004356174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能付ダイオードを温度センサ素子として用いた半導体温度センサであって、
上記機能付ダイオードは、
Ｐｏｌｙ−Ｓｉで形成されたダイオードに、低濃度抵抗を直列に付加して構成されている、
半導体温度センサ。
【請求項２】
請求項１の機能付ダイオードに、負荷回路が直列接続され、かつ上記機能付ダイオードと上記負荷回路との接続点に、温度検知信号を出力する出力端子を設けている、
半導体温度センサ。
【請求項３】
請求項１または２において、
上記機能付ダイオードは、
Ｐ型半導体とＮ型半導体とを直接接合したダイオードと、このダイオードのアノード、またはカソードの一方に低濃度抵抗を直列に付加して構成されている、
半導体温度センサ。
【請求項４】
請求項３において、
上記低濃度抵抗は拡散抵抗で形成されている、
半導体温度センサ。
【請求項５】
請求項３において、
上記低濃度抵抗はＰｏｌｙ−Ｓｉで構成されている、
半導体温度センサ。
【請求項６】
請求項１〜２のいずれかにおいて、
上記機能付ダイオードは、
Ｐ型半導体とＮ型半導体との間に、低濃度抵抗領域を介在させて構成されている、
半導体温度センサ。
【請求項７】
ダイオードを温度センサ素子として用いた半導体温度センサであって、
ダイオードと負荷回路とが直列接続され、かつダイオードと負荷回路との接続点に、温度検知信号を出力する出力端子を設けている、
半導体温度センサ。
【請求項８】
半導体温度センサを用いた温度検知方法であって、
請求項１〜７のいずれかに記載の温度センサ素子を所定の低電流領域で動作させて、温度検知信号を出力させることを特徴とする、
温度検知方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な構成の機能付ダイオードを温度センサ素子として用いた半導体温度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、カーエアコンのエパポレータ部から車内へ吐き出される冷風温度を検知し、コンプレッサのオンオフ制御を行う温度センサＩＣでは、半導体温度センサ素子としてダイオードが用いられている。
このダイオードは、図１４に示したＰ型半導体とＮ型半導体を接合した構成とされており、このダイオード２では、ＰＮ接合電圧（Ｖｆ）が、Ｖ∝ＫＴ（Ｔは絶対温度）の関係式を充たし、温度に比例するので、このＰＮ接合電圧の温度特性が利用される。しかし、上記ＰＮ接合電圧の温度による変化量には理論的な限界があるので、半導体温度センサの高感度化には限界があった。
特許文献１には、ＰＮ接合半導体を温度センサに用いた例が教示されており、特許文献２には、測定感度を高めるため、ｐｎｐ＋の３層より成る半導体温度センサが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１４５００８号
【特許文献２】
特開昭５９−１８１５７８号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、新規な構成の機能付ダイオードを用いることにより、従来よりも高感度の半導体温度センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体温度センサは、ダイオードに、温度が下がると抵抗値が増大する負の温度特性を備えた低濃度抵抗を付加して構成とした機能付ダイオードを使用する。そうすることで、ダイオードのＰＮ接合電圧の温度特性に、更に低濃度抵抗の温度依存性が加わるので、従来のダイオードよりも、温度に対する出力電圧の変動幅が大きくなり、半導体温度センサの感度が向上する。
【０００６】
請求項１において提案された半導体温度センサでは、機能付ダイオードは、Ｐｏｌｙ−Ｓｉで形成されたダイオードと、このダイオードに直列に付加された低濃度抵抗とで構成される。
【０００７】
また、請求項２に記載の半導体温度センサは、機能付ダイオードに、負荷回路が直列接続され、かつ機能付ダイオードと負荷回路との接続点に、温度検知信号を出力する出力端子を設けている。
【０００８】
機能付ダイオードは、次のように構成される。例えば、請求項３に記載の半導体温度センサでは、Ｐ型半導体とＮ型半導体を直接接合したダイオードと、このダイオードのアノード、またはカソードの一方に付加される低濃度抵抗とで形成される。更に、この低濃度抵抗は、請求項４のように、拡散抵抗で形成されてもよく、あるいは、請求項５のように、Ｐｏｌｙ−Ｓｉで形成されてもよい。また、機能付ダイオードは、請求項６のように、Ｐ型半導体とＮ型半導体との間に、低濃度抵抗領域を介在させるようにしてもよい。
【０００９】
また、ダイオードに負荷回路を接続して構成した半導体温度センサを、所定の低電流領域で動作させれば、温度検知の感度を維持しつつ、プロセスのバラツキ、デバイスバラツキによる検知バラツキを低減することもできる。このため、請求項７に記載の半導体温度センサは、ダイオードに負荷回路を直列接続し、かつダイオードと負荷回路との接続点に、温度検知信号を出力する出力端子を設けている。
また、同時に提案する請求項８の本発明方法は、上記の温度センサ素子を所定の低電流領域で動作させることによって、感度の高い温度測定ができるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体温度センサは、ダイオードにおけるＰ型半導体とＮ型半導体のＰＮ接合電圧（Ｖｆ）の温度変化を利用して、雰囲気温度を検知するものである。
以下では、この機能付ダイオードについて説明する。
【００１１】
機能付ダイオード１は、図１に示すように、Ｐｏｌｙ−Ｓｉによるダイオード２のアノード側、あるいはカソード側の一方に低濃度抵抗３を付加した、Ｐｏｌｙ−Ｓｉによるダイオードである。
（ａ）は、アノードに低濃度抵抗３が付加された例を示し、（ｂ）はカソード側に低濃度抵抗３が付加された例を示し、いずれの構成も可能である。
【００１２】
このような機能付ダイオード１では、従来のダイオード２のＰＮ接合電圧の温度特性に加えて、低濃度抵抗の抵抗値（Ｒｄ）の温度特性も温度検知に寄与する。なぜならば、低濃度抵抗３は、温度が下がると、その抵抗値（Ｒｄ）が増大するという負の特性を持つからである。
図２は、この低濃度抵抗３の抵抗値（Ｒｄ）の温度特性を示しており、温度が変化すると、本来のＰＮ接合電圧（Ｖｆ）の変化分に、更に低濃度抵抗３の抵抗値（Ｒｄ）の変化分も加わり、これらの変化分が重なって、温度変化に対する電圧の変化の度合いが大きくなる。
【００１３】
図３は、これを説明するための図面である。図中、破線による曲線は、ダイオードの印加電圧と電流の関係を表し、図中の破線による曲線は低濃度抵抗が存在しない場合の電圧電流特性を示す。一方、実線による曲線は、低濃度抵抗が存在する場合の電圧電流特性を示すもので、両者を比較すると、低濃度抵抗が存在しない場合は、高温と低温の電圧電流特性曲線は、ほぼ平行になっている。これに対し、低濃度抵抗が存在する場合は、温度が下がるとその抵抗値が増大して、電流が減少するので、高温と低温の電圧電流特性曲線を比べると、低温では、その電圧電流特性曲線の傾きが小さくなる。これにより、高温と低温の二つの電圧電流特性曲線は、低濃度抵抗が存在しない場合よりもより離れることになり、温度変化に対する電圧の変化の度合いが大きくなるのである。
【００１４】
上記のような機能付ダイオード１は、例えば、図４のように、Ｐ型半導体とＮ型半導体を直接接合してダイオード２を形成し、更にそのアノード、あるいはカソードのどちらか一方に、低濃度抵抗３を付加することで構成できる。このとき、ダイオード２と低濃度抵抗３が直列に接続されるので、ＰＮ接合電圧（Ｖｆ）と低濃度抵抗（Ｒｄ）との両方の温度特性を利用して、温度変化に対する電圧の変化の度合いをより大きくすることができる。
図４において、（ａ）は、アノードに低濃度抵抗３が付加された例を示し、（ｂ）はカソード側に低濃度抵抗３が付加された例を示している。
【００１５】
また、機能付ダイオードの低濃度抵抗として、図５のように、拡散抵抗３を利用することが可能である。この場合、機能付ダイオード１を標準的なＳｉプロセスで形成可能である。図５において、（ａ）は、アノードに低濃度拡散抵抗３が付加された例を示し、（ｂ）はカソード側に低濃度拡散抵抗３が付加された例を示している。
【００１６】
また、機能付ダイオード１の低濃度抵抗として、図６のように、低濃度Ｐｏｌｙ−Ｓｉ抵抗３を利用することも可能である。低濃度Ｐｏｌｙ−Ｓｉ抵抗３は、基板電位に関係なく使用できるため、Ｓｉ基板上での配置に制約がなく、設計の自由度が向上する。
図５において、（ａ）は、アノードに低濃度Ｐｏｌｙ−Ｓｉ抵抗３が付加された例を示し、（ｂ）はカソード側に低濃度Ｐｏｌｙ−Ｓｉ抵抗３が付加された例を示している。
【００１７】
更に、機能付ダイオードの他の構成例として、図７のように、ダイオード２のＰ型半導体２ａとＮ型半導体２ｂとの間に、低濃度抵抗領域３を介在させることも可能である。このように、低濃度抵抗領域３をダイオード自体に作りこめば、低濃度抵抗３をダイオード２と別に形成する必要がない。
【００１８】
次に、機能付ダイオードを利用した半導体温度センサの実施例の構成を、図８に示す。
この半導体温度センサは、機能付ダイオード１と負荷回路４で構成され、機能付ダイオード１のカソードと負荷回路４の接続点に、温度検知信号の出力端子５が設けられている。機能付ダイオード１のアノードは高電位電圧源に接続され、負荷回路５は低電位電圧源に接続される。また、機能付ダイオード１と負荷回路４を、図１５のように接続する構成も可能である。
【００１９】
ついで、この半導体温度センサの動作について説明する。図９中、２つの曲線は、高温度（Ｔａ）における機能付ダイオード１の電圧電流特性曲線と、低温度（Ｔｂ）における機能付ダイオード１の電圧電流特性曲線であり、図３の機能付ダイオード１の電圧電流特性曲線と同様のものである。図９において、電圧軸は機能付ダイオード１のアノード、カソード間電圧であり、ＰＮ接合電圧と低濃度抵抗３による降下電圧を合わせたものである。一方、図中の直線ｉは、負荷回路４の電流を示す。ここで、機能付ダイオード１のアノード、カソード間電圧が小さいときには、負荷回路４に加わる電圧が大きいので、負荷回路４を流れる電流は多くなり、機能付ダイオード４のアノード、カソード間電圧が大きいときには、負荷回路４に加わる電圧が小さいので、負荷回路４を流れる電流は少なくなる。従って、この直線は、右下がりになる。一方、高電位電圧源と低電位電圧源との電圧差は常に一定なので、この直線と機能付ダイオード１の電圧電流特性曲線との交点Ａ、Ｂが、それぞれの温度Ｔａ、Ｔｂでの半導体温度センサの動作点になる。すなわち、温度Ｔａでは、温度検知信号として、高電位電圧源の電位−（マイナス）Ｖａが出力部５から出力され、温度Ｔｂでは、高電位電圧源の電位−Ｖｂが出力部５から出力される。温度Ｔａでの温度検知信号は、温度Ｔｂでの温度検知信号よりも高電位である。
【００２０】
なお、このときの感度は
｛（高電位電圧源の電位−Ｖａ）−（高電位電圧源の電位−Ｖｂ）｝  ／（Ｔａ−Ｔｂ）
＝（Ｖｂ−Ｖａ）／（Ｔａ−Ｔｂ）
で計算される。温度Ｔｂでの低濃度抵抗３による降下電圧は、温度Ｔａでの電圧降下よりも大きいので、この半導体温度センサは、従来のダイオード２による半導体温度センサよりも、感度が高い。
【００２１】
さらに、この半導体温度センサを、負荷回路４の抵抗値を選択調整して、低電流領域で動作させることにより、検知感度を保ちつつ、検知バラツキを低減させることも可能である。この場合の低電流領域としては、電流を１００μＡ付近とするのが好ましい。
【００２２】
半導体温度センサを低電流領域で動作させるという手法は、図１０のダイオード２と負荷回路４による抵抗負荷型半導体温度センサを試作して特性評価を行い、従来の構成による定電流型半導体温度センサと検知バラツキと感度を試算した結果として、発明者が知得したものである。
【００２３】
図１５は、従来の定電流型半導体温度センサの構成を示す。ここで、定電流型半導体温度センサは、ダイオード２、定電流回路６、及びバイアス回路７で構成され、定電流回路６は、２個のＮチャネルＭＯＳトランジスタによるカレントミラーであり、バイアス回路７は抵抗である。
【００２４】
抵抗負荷型半導体温度センサと、定電流型半導体温度センサについて、それらの構成要素である抵抗の抵抗値のバラツキ（±１％）とＮチャネルＭＯＳトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈのバラツキ（±１２％）を用いて試算した結果、動作領域１００μＡ付近では、図１１の表に示す結果が得られた。これによれば、抵抗負荷型半導体温度センサを図１２のように、低電流領域（１００μＡ以下）で動作させることで温度検知の感度を維持しつつ、検知バラツキを低減させることが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１に記載の半導体温度センサによれば、Ｐｏｌｙ−Ｓｉで形成されたダイオードと、このダイオードに直列に付加された低濃度抵抗とで構成される機能付ダイオードを用いるので、温度変化に対する出力電圧変動が大きくなり、高感度になる。
【００２６】
請求項２に記載の半導体温度センサは、機能付ダイオードに、負荷回路が直列接続され、かつ機能付ダイオードと負荷回路との接続点に、温度検知信号を出力する出力端子を設けているので、温度変化に対する出力電圧変動が大きくなる。
【００２７】
請求項３に記載の半導体温度センサでは、機能付ダイオードは、アノード、またはカソードの一方に低濃度抵抗を付加されるので、低濃度抵抗の温度特性を、感度を上げる方向に利用することができる。
【００２８】
請求項４に記載の半導体温度センサでは、低濃度抵抗が、拡散抵抗で形成されるので、標準的なＳｉプロセスでの形成が可能である。
【００２９】
請求項５に記載の半導体温度センサでは、濃度抵抗が、Ｐｏｌｙ−Ｓｉで形成されるので、低濃度抵抗の回路配置について、Ｓｉ基盤電位の制約がなくなり、設計の自由度があがる。
【００３０】
請求項６に記載の半導体温度センサでは、機能付ダイオードは、Ｐ型半導体とＮ型半導体との間に、低濃度抵抗領域を介在させるので、新たに低濃度抵抗を別に形成する必要がない。
【００３１】
請求項７に記載の半導体温度センサは、ダイオードに負荷回路を直列接続され、かつ機能付ダイオードと負荷回路との接続点に、温度検知信号を出力する出力部を設けられるので、負荷回路の抵抗値を選択調整して、動作点を変更することができる。
【００３２】
また、請求項８に提案した本発明方法は、請求項１〜７のいずれかに記載した温度センサ素子を所定の低電流流域で動作させるので、温度検知の感度を維持しつつ、特に検知バラツキの少ない正確な温度検知が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による機能付ダイオードの構成を示す図
【図２】低濃度抵抗の温度特性グラフ
【図３】本発明による機能付ダイオードの電圧電流特性グラフ
【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明による機能付ダイオードの一例
【図５】（ａ）、（ｂ）は本発明による機能付ダイオードの他例
【図６】（ａ）、（ｂ）は本発明による機能付ダイオードの更に他例
【図７】本発明による機能付ダイオードの更に他例
【図８】本発明による半導体温度センサの例の構成を示す図
【図９】本発明による半導体温度センサの動作を示すグラフ
【図１０】本発明による半導体温度センサの他の構成を示す図
【図１１】低電圧領域での本発明と従来の半導体温度センサの特性比較結果を示す表
【図１２】本発明による半導体温度センサの低電圧領域での動作を示すグラフ
【図１３】本発明による半導体温度センサの他の構成を示す図。
【図１４】ＰＮ接合ダイオード
【図１５】従来の半導体温度センサの構成を示す図
【符号の簡単な説明】
１・・・機能付ダイオード
２・・・ダイオード
３・・・低濃度抵抗
４・・・負荷回路
５・・・出力端子
【図１】
2004356174.tif 000003
【図２】
2004356174.tif 000004
【図３】
2004356174.tif 000005
【図４】
2004356174.tif 000006
【図５】
2004356174.tif 000007
【図６】
2004356174.tif 000008
【図７】
2004356174.tif 000009
【図８】
2004356174.tif 000010
【図９】
2004356174.tif 000011
【図１０】
2004356174.tif 000012
【図１１】
2004356174.tif 000013
【図１２】
2004356174.tif 000014
【図１３】
2004356174.tif 000015
【図１４】
2004356174.tif 000016
【図１５】
2004356174.tif 000017