(57)【要約】【課題】  広い温度範囲で、温度に対する出力信号の直線性を向上させた温度検出用半導体装置を提供する。【解決手段】  第１導電型のゲート電極を有する第１の電界効果トランジスタと、第１の電界効果トランジスタより不純物濃度の低い第１導電型のゲート電極を有する第２の電界効果トランジスタとが直列に接続され、第２の電界効果トランジスタのゲート電極にソースフォロア回路手段が接続された温度検出用半導体装置において、第２の電界効果トランジスタのゲート電極の、第１導電型の不純物濃度を、１．１３×１０１９／ｃｍ３以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のゲート電極を有する第１の電界効果トランジスタと、該第１の電界効果トランジスタより不純物濃度の低い第１導電型のゲート電極を有する第２の電界効果トランジスタとが直列に接続され、
該第２の電界効果トランジスタのゲート電極にソースフォロア回路手段が接続され、
該第２の電界効果トランジスタのゲート電極の、第１導電型の不純物濃度を、１．１３×１０１９／ｃｍ３以下としたことを特徴とする温度検出用半導体装置。
【請求項２】
上記ソースフォロア回路手段が、第１導電型のゲート電極を有する第３の電界効果トランジスタと２つの抵抗体とを、直列に接続してなることを特徴とする請求項１に記載の温度検出用半導体装置。
【請求項３】
上記第１、第２、第３の電界効果トランジスタが、ｎチャネルの電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項２に記載の温度検出用半導体装置。
【請求項４】
上記ソースフォロア回路が、多結晶シリコンの抵抗体を含むことを特徴とする請求項１に記載の温度検出用半導体装置。
【請求項５】
上記抵抗体が、トリミング手段を備えた抵抗体であることを特徴とする請求項４に記載の温度検出用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタを用いた温度検出用半導体装置に関し、特に、広い温度範囲において出力信号の直線性を向上させた温度検出用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の電界効果トランジスタを用いた基準電圧源回路の回路図である。図５の回路は、ゲート電極の導電型が異なる１対の電界効果トランジスタＭ１１、Ｍ１２と、ゲート電極の導電型が同じである１対の電界効果トランジスタＭ１３、Ｍ１４とを含む。対となるトランジスタではゲート電極材料の仕事関数が異なるため、その差を利用して基準電圧を得ている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図５において、電界効果トランジスタＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ１４及びＭ１５は、すべてｎチャネルのトランジスタからなる。電界効果トランジスタＭ１１は高濃度ｎ型（ｎ＋）のゲート電極（例えば、ｎ型の多結晶シリコン電極）を有し、ゲートとソースとが結線されて定電流源となっている。電界効果トランジスタＭ１２は、高濃度ｐ型（ｐ＋）のゲート電極を有し、電界効果トランジスタＭ１５と抵抗Ｒ１１、Ｒ１２とからなるソースフォロア回路によりゲート電位が与えられる。電界効果トランジスタＭ１５は、高濃度ｎ型（ｎ＋）のゲート電極を有する。電界効果トランジスタＭ１３は、高濃度ｎ型（ｎ＋）のゲート電極を有する。電界効果トランジスタＭ１４は、低濃度ｎ型（ｎ−）のゲート電極を有し、ゲートとソースとが結線されて定電流源となっている。
すべての電界効果トランジスタＭ１１〜Ｍ１５において、特に、Ｍ１１とＭ１２、Ｍ１３とＭ１４は、それぞれ１対の電界効果トランジスタ（ペア電界効果トランジスタ）として機能させるために、基板効果が出ないように基板に設けたウエル中に形成し、かつ基板の電位をソース電位としてある。
【０００４】
ここでペア電界効果トランジスタを形成する１対の電界効果トランジスタには、同一の電流が流れるため、電界効果トランジスタＭ１２のゲート・ソース間電圧は、Ｍ１１とＭ１２のＶｔｈの差ＶＰＮとなり、温度に対して負の温度係数を持つ。一方、電界効果トランジスタＭ１３のゲート・ソース間電圧は、Ｍ１３とＭ１４のしきい値電圧Ｖｔｈの差ＶＮＮとなり、温度に対して正の温度係数を持つ。
従って、電界効果トランジスタＭ１３のソース電位Ｖ１３は、
Ｖ１３＝ＶＰＮ＋ＶＮＮ＝Ｖｒｅｆ：基準電圧
となり、Ｖ１３は、ゲートの不純物濃度や増幅倍率を変えることにより、温度特性を所望の値に設定できる基準電圧源となる。
【０００５】
ここで、図５に示す基準電圧源回路の第２段目（Ｍ１５、Ｒ１１、Ｒ１２：矢印Ｂで表示）と第３段目（Ｍ１３、Ｍ１４：矢印Ｃで表示）とを基に、図６に示すような温度検出回路が形成できる。図６において、左側が図５の回路の３段目（Ｃ）、右側が図５の回路の２段目（Ｂ）に、それぞれ対応する。
【０００６】
電界効果トランジスタＭ１３は高濃度ｎ型のゲート電極を有し、ゲートとソースとが結線されて定電流源となっている。電界効果トランジスタＭ１４は、低濃度ｎ型のゲート電極を有し、電界効果トランジスタＭ１５と抵抗Ｒ１１、Ｒ１２からなるソースフォロア回路によりドレイン電位が与えられる。かかる回路において、電界効果トランジスタＭ１４のゲート・ソース間電圧はＭ１３とＭ１４のＶｔｈの差ＶＮＮとなり、この値は温度に対して正の温度係数を持つ。このため、図６の温度検出回路では、正の温度特性を有する温度検出回路が実現できる。
【特許文献１】特開２００１−２８４４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図７は、図６の温度検出回路のＶｔｈの差ＶＮＮの温度特性である。図７において、横軸は回路の周辺温度、縦軸は２つの電界効果トランジスタＭ１３、Ｍ１４のＶｔｈの差である。図６から明らかなように、Ｖｔｈの差ＶＮＮの温度特性は、
ｙ＝（５．３４×１０−４）ｘ２＋（１．７７×１０−１）ｘ＋（１．４７×１０−１）
のように２次式で近似され、温度検出回路の出力信号であるＶＮＮが２次の成分を有していることがわかる。
ここで、温度検出回路の検出特性を向上させるには、２次の係数の低減、即ち、直線性の向上が非常に重要である。例えば、図６の温度検出回路で、電界効果トランジスタＭ１４のゲート電極の不純物濃度を１．６×１０１９／ｃｍ３とした場合、２次の係数は約５．３×１０−４となるが（図２の（ｂ）のグラフ参照））、±０．５℃精度の直線性を有する温度検出回路を得るためには、かかる２次の係数を約８．３×１０−５まで小さくする必要がある。
なお、温度検出回路の検出特性の直線性向上のために、別途、補正回路を設ける方法もあるが、追加回路が必要となり、消費電流の増大などの問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、広い温度範囲で、温度に対する出力信号の直線性を向上させた温度検出用半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１導電型のゲート電極を有する第１の電界効果トランジスタと、第１の電界効果トランジスタより不純物濃度の低い第１導電型のゲート電極を有する第２の電界効果トランジスタとが直列に接続され、第２の電界効果トランジスタのゲート電極にソースフォロア回路手段が接続され、第２の電界効果トランジスタのゲート電極の、第１導電型の不純物濃度を、１．１３×１０１９／ｃｍ３以下としたことを特徴とする温度検出用半導体装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の温度検出用半導体装置によれば、広い温度範囲において出力信号の直線性が得られ、高精度の温度検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態にかかる温度検出回路の回路図である。回路構成は、図６の温度検出回路とほぼ同様であり、図７に示す基準電圧源回路の、第２段目と第３段目を利用するものである。
【００１２】
図１に示す温度検出回路において、電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３はすべてｎチャネルトランジスタであり、それぞれのチャネル領域の不純物濃度は略同一とする。電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、ｎ型の半導体基板に設けられたｐ型のウエル中に形成される。図１から分かるように、電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３の基板電位は、ソース電位と等しくしてある。また、チャネル幅（Ｗ）とチャネル長（Ｌ）の比（Ｓ＝Ｗ／Ｌ）は、電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２でほぼ等しくなっている（ＳＭ１＝ＳＭ２）。
【００１３】
電界効果トランジスタＭ１は高濃度ｎ型（ｎ＋）のゲート電極を有し、ゲートとソースを結線して定電流源となっている。電界効果トランジスタＭ２は、低濃度ｎ型（ｎ−）のゲート電極を有し、電界効果トランジスタＭ３と、抵抗Ｒ１、Ｒ２とからなるソースフォロア回路によりゲート電位が与えられる。電界効果トランジスタＭ３は、高濃度ｎ型（ｎ＋）のゲート電極を有する。
【００１４】
ペア電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２には同一電流が流れるため、電界効果トランジスタＭ２のゲート・ソース間電圧はＭ１とＭ２のしきい値電圧Ｖｔｈの差ＶＮＮとなる。更に、ソースフォロア回路に抵抗Ｒ１を挿入すると、電圧Ｖ１は、
Ｖ１＝ＶＮＮ×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝
となる。
即ち、抵抗Ｒ１、Ｒ２の値を調整することにより、ＶＮＮを｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝倍して、任意の出力値Ｖ１を得ることができる。
【００１５】
図２は、ゲート電極の不純物濃度と、ＶＮＮの２次の係数との関係である。横軸は、電界効果トランジスタＭ２のゲート電極の不純物濃度であり、縦軸は、ＶＮＮを温度の関数とし近似した２次式の２次の項の係数を表す。
図２中、黒丸は出力信号を（ａ）１倍した場合、白丸は（ｂ）３０倍した場合である。なお、抵抗Ｒ１、Ｒ２の値を調整することにより、増幅倍率｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝の値を１倍（ａ）、３０倍（ｂ）とする。
また、ペア電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２のそれぞれのサイズ（ゲート幅／ゲート長＝５０μｍ／１００μｍ）やゲート酸化膜の膜厚（３００Å）は等しく、ともにｎチャネル電界効果トランジスタである。
【００１６】
まず、（ａ）１倍の場合、ゲート電極の不純物濃度が、１．６×１０１９／ｃｍ３から１．０６×１０１９／ｃｍ３に減少することにより、２次の係数の値は約１／４に低減される。即ち、２次の係数の値が、強いゲート不純物濃度依存性を示している。
ここで、温度検出回路に要求される特性のひとつである、測定温度に対する出力の直線性は、測定値を直線で近似した場合の誤差が少なくとも±３℃以下であることが必要である。かかる直線性を達成するためには、２次の係数の値は約１．６×１０−４以下でなければならない。
従って、図２より、２次の係数の値が約１．６×１０−４以下となるためには、電界効果トランジスタＭ１のゲート電極の不純物濃度は、略１．１３×１０１９／ｃｍ３以下に設定する必要がある。
【００１７】
一方、（ｂ）３０倍の場合、２次の係数の値は、（ａ）の場合と同様に、ゲート電極の不純物濃度の減少に伴い小さくなる傾向にある。ゲート電極の不純物濃度が、１．６×１０１９／ｃｍ３から１．０６×１０１９／ｃｍ３に減少することにより、２次の係数の値は、約１／２に低減される。また、（ｂ）３０倍の場合は、（ａ）１倍の場合に比較して、２次係数の値が小さくなる。例えば、不純物濃度が１．６×１０１９／ｃｍ３で出力信号を３０倍した場合、２次の係数は１倍の場合に比べて、約１／５に低減される。
【００１８】
このように、増幅倍率を大きくすると２次の係数の値が小さくなることは、次の図３からもわかる。
図３は、多結晶シリコンの増幅倍率の温度依存性を表すグラフであり、横軸が温度、縦軸が増幅倍率を表す。ここで、増幅倍率とは、｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝であり、２５℃における設計値は３０倍である。
図３に示すように、多結晶シリコンの増幅倍率は、温度が１００℃から−５０℃まで変化すると、約３０．８から約３２．５へと大きくなる。従って、低温になるほど、増幅倍率｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝の値は大きくなる。即ち、多結晶シリコンを抵抗Ｒ１、Ｒ２に用いることにより、増幅倍率｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝の値は、温度が低くなるほど大きくなり、これが２次係数の値を打ち消す方向に働くことになる。
【００１９】
従って、２次の係数の値のゲート電極不純物濃度依存性、及び増幅倍率｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝の値の温度依存性を組合せることにより、２次の係数の値は、約５．４×１０−４（（ａ）１倍のグラフにおける、不純物濃度１．６×１０１９／ｃｍ３の値）から、約５．５×１０−５（（ｂ）３０倍のグラフにおける、不純物濃度１．０６×１０１９／ｃｍ３の値）まで、約１／１０の値とすることができる。この結果、±０．５℃以下の誤差で直線性を有する、高精度の温度検出回路が実現できる。
なお、ここでは、電解効果トランジスタＭ１等の導電型（第１導電型）がｎ型の場合について説明したが、ｐ型でも構わない。
【００２０】
図４は、本実施の形態にかかる温度検出回路に用いる、他の抵抗体である。かかる温度検出回路では、ソースフォロア回路において、トリミング手段を有する複数の抵抗Ｒを抵抗Ｒ１、Ｒ２の代りに設け、抵抗値を微調整できるようにする。これにより、ＶＮＮの出力信号を所望の値に増幅し、高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態にかかる温度検出回路の回路図である。
【図２】ゲート電極の不純物濃度とＶＮＮの２次の係数の値との関係である。
【図３】多結晶シリコン抵抗の増幅倍率の温度依存性である。
【図４】本実施の形態にかかる温度検出回路に用いる他の抵抗体である。
【図５】従来の電界効果トランジスタを用いた基準電圧源回路の回路図である。
【図６】従来の電界効果トランジスタを用いた温度検出回路の回路図である。
【図７】従来の温度検出回路のＶｔｈの差ＶＮＮの温度特性である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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