DE3232336A1

DE3232336A1 - Thermoelektrische halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE3232336A1
Application number: DE19823232336
Authority: DE
Inventors: Masaaki Kamiya; Yoshikazu Kojima; Masayuki Namiki; Kojiro Tokyo Tanaka
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1981-09-01
Filing date: 1982-08-31
Publication date: 1983-03-10
Also published as: DE3232336C2; GB2105109A; JPS5947467B2; US4639755A; GB2105109B; JPS5848963A

Description

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^^F°^N: MÖNCHEN 843638

TELEGRAMMADRESSE: CABLE ADDRESS:

PATENDLICH MÖNCHEN DIPL.-PHYS. F. ENDLICH. POSTFACH. D-8034 QERMERINQ TELEX: 621730pated

Meine Akte: D-5O3O

Anmelderin: Kabushiki Kaisha Daini Selkosha, 6-31-1, Kämeido, Koto-ku, Tokyo,Japan

Thermoelektrische Halbleitereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Halbleitereinrichtung.

Für viele Verwendungszwecke finden thermoelektrische Wandler Verwendung, die einen Temperaturfühler aufweisen, um ein einer Temperatur entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen. Derartige Thermofühler finden beispielsweise in Klimaanlagen, Kühlschränken, elektrischen Heizkissen, elektrisch beheizten Decken und dergleichen Einrichtungen Verwendung.

Als Kontaktfühler finden Bimetallstreifen, Thermistoren,pn— ■ Flächenhalbleiter, Thermoelemente, oder pn-Flächentransistoren Verwendung.

pn-Flächenhalbleiter sind besonders gut als derartige Temperaturfühler verwendbar, da Planarprozesse eine vorteilhafte Massenproduktion ermöglichen. Fig. 1 zeigt eine bekannte integrierte Schaltung aus einem η-leitenden Siliziumsubstrat. Fig. 1 enthält eine Schaltung 2 zur Erzeugung einer konstanten Stromstärke von beispielsweise 0,1 μΑ, um eine konstante Stromstärke in einem Flächentransistor 1 zu verursachen. Die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors dient als Nachweisspannung V , für die Temperatur. Die Schaltung enthält ferner eine Spannungsquelle 3 mit einer Regelschaltung für die Spannung, um eine von Änderungen der Spannung der Spannungsquelle Unabhängige Spannung zu erzeugen. Um einen niedrigen Energieverbrauch zu erzielen, kann ein npn-Planartransistor in CMOS-Technologie entsprechend Fig. 2 Verwendung finden.

OZOZO OO -3-

Fig. 2a und Fig. 2b zeigen eine Schnittansicht beziehungsweise eine Draufsicht auf einen derartigen Planartransistor, der ein η -Siliziumsubstrat 4 als Kollektor, ein p~-Siliziumsubstrat 5 als Basis und eine n⁺-Diffusionsschicht 8 als Emitter enthält. Die äquivalente Schaltung dieses Transistors ist in Fig. 2c dargestellt. Der Planartransistor weist ferner einen ρ -Kanalschnitt 7, einen η -Diffusionsbereich 6, eine isolierende Schutzschicht 9 aus Siliziumoxid, metallische Kontakte 10, einen Basis—Kollektoranschluß 11 und einen Emitteranschluß 12 auf.

Wenn der Kollektor 4 und die Basis 5 eines Planartransistors sich' auf demselben Potential befinden, ist die Charakteristik des Emitterstroms I dieselbe wie die Strom-Spannungscharakteri stik einer Diode, und kann durch die folgende Beziehung beschrieben werden:

= A * ni² · exp ( ^-) (1)

wobei ni die Trägerdichte der Eigenleitung, η den Emitterin jektions\irirkungsgrad, R die Boltzmann'sche Konstante, e die Einheitsladung, V die Spannung zwischen Basis und Emitter und A eine Konstante bedeuten, welche von der Konfiguration des Planartransistors und der Diffusionslänge eines \' Minoritätsträgers abhängt.

Die Strom-Spannungscharakteristik zwischen der Basis 5 und dem Emitter 8 ist in Fig. 3 dargestellt. Der Verlauf der Charakteristik hängt von der Temperatur T ab. In Fig. 3 ist T- ^T₂ y T^. Durch Verwendung der CMOS—Technik kann ein Thermofühler gleichzeitig auf einem Chip mit einer Schaltung für eine konstante Stromstärke und einer Schaltung für eine Spannungsregelung hergestellt werden. Derartige Halbleitereinrichtungen erreichen einen Temperaturkoeffizienten von

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3 mV/°C bei einem p"~n - Übergang von 100x100 tun , einer

15 3 p-Basis-Diffusionskonzentration von 5 χ 10 Atomen/cm und einer konstanten Stromstärke von 0,1 pA in der Durchlaßrichtung. Dabei wird noch als nachteilig angesehen, daß die Temperaturempfindlichkeit einer HaiLbleitereinrichtung mit einem derartigen Planartransistor geringer als die Temperatur-

empfindlichkeit von Wandlern mit einem Thermistor ist, die 3 5 mV/°C beträgt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine thermoelektrische Halbleitereinrichtung anzugeben, die.in CMOS-Technik herstellbar ist und eine hohe Temperaturempfindlichkeit aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 3 ein Schaltbild einer bekannten thermoelektrischen Halbleitereinrichtung mit einem Planartransistor,

Fig. 2a eine Schnittansicht und Fig. 2b eine Draufsicht auf den Planartransistor in Fig. 1,

Fig. 2c ein Schaltbild des Transistors in Fig. 2,

Fig. 3 Strom—SpannungsCharakteristiken einer bekannten thermoelektrischen Halbleitereinrichtung mit einem Planartransistor, dessen Kollektor und Basis sich auf demselben Potential befinden,

Fig. 4a ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung mit einer zweistufigen Darlington-Verbindung,

Fig. 4b ein Schaltbild eines zweistufigen Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung in der Form einer dreistufigen Verbindung,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Planartransistors entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine Schnittansicht eines Planartransistors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und

Fig. 7 ein Schaltbild entsprechend dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel mit einer Darlington-Verbindung.

Mit einer thermoelektrischen HaIbleitereinrichtung mit einer Darlington-Verbindung entsprechend Fig. 4a durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß im Vergleich zu bekannten Halbleitereinrichtungen entsprechend Fig. 1 und 2 eine doppelt so hohe

O Z.Ö LO OD -5-

Temperaturempfindlichkeit von beispielsweise 6mV/°C erzielt werden kann. Versuche mit einer dreistufigen Darlington-Verbindung entsprechend Fig. 4b haben ferner gezeigt, daß eine Temperaturempfindlichkeit von etwa 11 mV/°C erzielt werden kann.

Die in Fig. 4a innerhalb gestrichelter Linien 101 dargestellte Halbleitereinrichtung ist in Verbindung mit einer Temperaturmeßeinrichtung dargestellt, die eine konstante Stromquelle und ein Voltmeter 16 enthält. Die Basis und der Kollektor des Transistors 1 sind an der Verbindungsstelle 11 miteinander verbunden und die Ausbildung entspricht derjenigen des Transistors in Fig. 1. Der Emitter des Transistors 1 ist mit der Basis eines zweiten Transistors 21 verbunden und die Kollektoren sind ebenfalls mit der Verbindungsstelle 11 verbunden, um eine Darlington-Verbindung zu bilden. Wenn eine konstante Stromstärke aus der Stromquelle 5 durch den Emitter des Transistors 21 und den gemeinsamen Kollektor der beiden Transistoren fließt, tritt die Summe der Spannungen, die zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 1 beziehungsweise der Basis und dem Emitter des Transistors 21 erzeugt werden, über der thermoelektrischen Halbleitereinrichtung 101 auf. Deshalb beträgt die Temperaturempfindlichkeit mit der Halbleitereinrichtung 101 etwa zwischen 5mV/°C und 6mV/°C, ist also etwa doppelt so hoch wie die Thermoempfindlichkeit der Halbleitereinrichtung in Fig. 1. Wenn die Anzahl der Transistoren mit Darlington-Verbindung erhöht wird, steigt die Temperaturempfindlichkeit der Halbleitereinrichtung mit der Anzahl der Transistoren an. Durch das Voltmeter 6 kann in Verbindung mit der Verwendung einer integrierten Schaltung mit CMOS-Technik bei einer Temperaturmessung eine Temperaturgenauigkeit von 1 C in einfacher Weise erzielt werden.

Entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel kann eine Halbleitereinrichtung hergestellt werden, die eine hohe TemperaturempfiMlichkeit, eine geringe Abweichung der Temperaturempfindlichkeit, Stabilität gegen Geräusche aufweist, sowie in einfacher Weise als integrierte Schaltung herstellbar ist.

• *

-6-

BeI dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein pn-Planartransistor vorgesehen, der in Fig. 5 dargestellt ist und bei dem der Wert des Stromverstärkungsfaktors β verringert ist. Zusätzlich zu den in Verbindung mit Fig. 2a beschriebenen und mit denselben Bezugszeichen bezeichneten Strukturelementen, dsfc eine η Diffusionsschicht 14 durch einen ρ - Kanalschnitt 13 angrenzend an den η - Diffusionsbereich 8 vorgesehen, der als Emitter dient. Die η -'Diffusionsschicht 14 ist durch die Metallelektrode 10 mit der η — Diffusionsschicht 6 verbunden, so daß die η - Diffusionsschicht 14 die Funktion eines zweiten Kollektors hat und ein Teil der von dem Emitter injizierten· Träger von der η - Diffusionsschicht 14 absorbiert wird, die als zweiter Kollektor dient. Fig. 7 zeigt ein entsprechendes Schaltbild, wobei sich ein Weg für die Rückführung des Stroms (Ic₁ und Ic₉) von dem Kollektor zu der Basis ergibt, um den Wert des Stromverstärkungsfaktorsβ zu verringern. Durch Verwendung der doppelten Kollektorstruktur ist es möglich, die Streuung der nachgewiesenen Spannung um etwa 20% zu verringern.

Bei dem dritten in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Streuung durch die doppelte Kollektorstruktur weiter verringert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein als Kollektor dienender η - Diffusionsbereich 14 vorgesehen, der eine tiefere Duffusion als der als Emitter dienende η Diffusionsbereich 8 aufweist. Sowohl in Fig. 5 als auch in ?^! Fig. 6 ist ein n~ - Substrat 4, ein als Kollektor dienender ri⁺ - Diffusionsbereich 6, ein ρ - Kanalschnitt 13, ein als Emitter dienender η - Diffusionsbereich 8, der als Kollektor

4-dienende η - Diffusionsbereich 14 gemäß der Erfindung, eine als Schutzschicht dienende Oxidschicht 9, Metallelektroden 10, sowie ein Kollektor-Basisanschluß 11 und ein Emitteranschluß vorgesehen. Die dritte Verbesserung der Erfindung ist darin zu sehen, daß der durch die η - Diffusionsschicht 14 gebildete doppelte Kollektorbereich für die Herstellung einer zweistufigen oder mehrstufigen Darlington-Verbindung verwandt wird.

ο ζ. ο L ο ο υ -7-

Wie bereits erwähnt wurde, kann eine derartige thermoelektrische Halbleitereinrichtung in CMOS-Technik hergestellt werden und es kann durch, die zweistufige oder mehrstufige Darlington-Verbindung eine hohe Temperaturempfindlichkeit durch die Verringerung des Stromverstärkungsfaktors ρ bei Verwendung eines npn-Planartransistors in der integrieten Schaltung erzielt werden. Ferner kann ein Drift aufgrund von Geräusch verringert und der Wirkungsgrad verbessert werden. Bei einer einstufigen Verbindung beträgt die Temperaturempfindlichkeit 3 mV/°C, bei einer zweistufigen 6mV/°C und bei einer dreistufigen Verbindung .11 mV/°C. Eine derartige Halbleitereinrichtung besitzt deshalb eine hohe Empfindlichkeit, und weist bei stabiler Arbeitsweise einen hohen Wirkungsgrad auf.

. ' Anstelle eines npn-Planartransistors aus Silizium entsprechend dem beschriebenen Ausführungsbeispiel können auch pnp-Planartransistoren verwandt werden, und es sind auch andere Halbleitermaterialien anstelle von Silizium verwendbar.

Claims

Patentansprüche

(1.)Thermoelektrische Halbleitereinrichtung mit einem Planartransistor, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitersubstrat des einen Leitfähigkeitstyps für einen gemeinsamen Kollektor verwandt wird, daß mindestens zwei Planartransistoren (1,21) mit einer Darlington-Verbindung vorgesehen sind, daß die Basis des Transistors der ersten Stufe der Darlington-Verbindung mit dem gemeinsamen Kollektor zur Bildung einer ersten Elektrode verbunden ist, und daß der Emitter des Transistors der Endstufe der Darlington-Verbindung als zweite Elektrode verwandt wird.
2. Thermoelektrische Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von dem gemeinsamen Kollektor getrennter Kollektorbereich mit dem Basisbereich innerhalb des Basisbereichs eines Transistors verbunden ist, der sich von dem Transistor der ersten Stufe unterscheidet.
3. Thermoelektrische Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des von dem gemeinsamen Kollektor getrennten Kollektorbereichs ι größer als die Tiefe eines Kanalschnitts (13) und des davon umgebenen Emitterbereichs (8) ist.