專利名稱：半導(dǎo)體設(shè)備和使用該設(shè)備的溫度檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及主要用于控制汽車或摩托車的引擎的執(zhí)行壓力檢測和溫度檢測的半導(dǎo)體設(shè)備。本發(fā)明還涉及到溫度檢測方法。
背景技術(shù)：
用于汽車或摩托車的內(nèi)部引擎壓力和溫度的檢測對于控制引擎來說是必不可少的。圖14是示意性示出汽車引擎的橫截面圖下面對如圖14中示出的引擎40的基本行為進(jìn)行描述。首先，空氣通過進(jìn)氣管44進(jìn)入汽缸49。燃料從燃料噴射46中注入，并與流經(jīng)進(jìn)氣管44的空氣一同進(jìn)入引擎40的汽缸49。
在汽缸49中，活塞50、閥門47以及火化塞48彼此同步重復(fù)由進(jìn)氣、壓縮、燃燒(點(diǎn)火和膨脹)以及排氣(廢氣)所組成的一系列行為，從而引擎40可按預(yù)期工作。
要控制引擎速度或引擎功率，就要控制流經(jīng)進(jìn)氣管44的空氣量以及從燃料噴射46中注入的燃料量。用于控制流經(jīng)進(jìn)氣管44的空氣量的機(jī)械閥是節(jié)流閥43。節(jié)流閥43響應(yīng)于駕駛者座位中的加速桿來開啟和關(guān)閉，以控制流經(jīng)進(jìn)氣管44的空氣量。
壓力傳感器41和溫度傳感器42用作測量由節(jié)流閥43控制、并流經(jīng)進(jìn)氣管44的空氣量。由壓力傳感器41和溫度傳感器42測量出的值被輸出到引擎控制單元(下文稱之為“ECU”)45?；诟袘?yīng)的值，ECU45控制從燃料噴射46注入的燃料量，從而可以增進(jìn)并優(yōu)化汽缸49中的燃燒效率。
最近，在近年來，對二氧化碳排放量的限制以及這些環(huán)境負(fù)擔(dān)變得越來越嚴(yán)重。因此，汽車和摩托車的燃燒效率改進(jìn)是用于減少環(huán)境負(fù)擔(dān)的最有效應(yīng)對措施之一。要改善燃燒效率，用于測量進(jìn)氣管的壓力和溫度的檢測裝置至關(guān)重要。
利用集成電阻的壓電電阻效應(yīng)的半導(dǎo)體傳感器以及利用靜電電容器的半導(dǎo)體傳感器已經(jīng)用作為壓力檢測裝置(下文稱之為“壓力傳感器”)，用于檢測內(nèi)置燃燒引擎的進(jìn)氣管中的壓力。熱敏電阻通常用作溫度檢測主軸(下文稱之為“溫度傳感器”)，用于測量進(jìn)氣管溫度。
下面的專利文獻(xiàn)1揭示了一種傳感器晶片(chip)，它包括在襯底上形成的壓力傳感器以及溫度傳感器。下面的專利文獻(xiàn)2揭示了半導(dǎo)體裝置，它使用串聯(lián)的二極管對壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。下面的專利文獻(xiàn)3揭示了溫度傳感器，它將雙極晶體管用作二極管。
〔專利文獻(xiàn)1〕JP P2002-116108A公開〔專利文獻(xiàn)2〕JP P平.(1996)-226862A公開〔專利文獻(xiàn)1〕JP P2002-208667A公開但是，由于熱敏電阻和壓力傳感器是單獨(dú)的組件部分，在減少其尺寸的同時很難集成壓力傳感器和溫度傳感器。而且，大量的組件部分將增加安裝步驟，還使安裝成本激增。
在專利文獻(xiàn)1到3中，溫度檢測設(shè)備不是熱敏電阻。在專利文獻(xiàn)1中揭示的傳感器晶片使用電阻用作溫度檢測設(shè)備。當(dāng)電阻器用于溫度檢測時，通常在其檢測敏感度做得較高時，由于其生產(chǎn)會導(dǎo)致在電阻的溫度特性中發(fā)生很多顯著的波動。
在專利文獻(xiàn)2中揭示的半導(dǎo)體裝置以及在專利文獻(xiàn)3中揭示的溫度傳感器使用用于溫度檢測設(shè)備的二極管，但是，專利文獻(xiàn)2和3并沒有對用于獲得適于溫度檢測設(shè)備的輸出特性的詳細(xì)配置和操作調(diào)節(jié)做出任何描述。
考慮前述事實(shí)，希望消除上述的問題。期望提供一種小型半導(dǎo)體裝置，它具有便于其簡易生產(chǎn)、并具有低成本的結(jié)構(gòu)。還期望提供一種溫度檢測方法，它可便于精確地完成半導(dǎo)體裝置的工作。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)所附權(quán)利要求1的主題，提供一種半導(dǎo)體裝置，包括半導(dǎo)體襯底；包括在半導(dǎo)體襯底中形成的半導(dǎo)體設(shè)備的溫度檢測部件，該半導(dǎo)體檢測部件執(zhí)行溫度檢測；在半導(dǎo)體襯底上形成的輸出端，該輸出端將檢測信號從溫度檢測部件中輸出到外部；連接到輸出端的電流生成部件，該電流生成部件將驅(qū)動電流施加給溫度檢測部件的半導(dǎo)體設(shè)備；連接到輸出端的電壓測量部件，該電壓測量部件測量輸出端的電壓；由二極管構(gòu)成的半導(dǎo)體設(shè)備；以及當(dāng)電流生成部件將預(yù)定值的驅(qū)動電流施加到溫度檢測部件上時，該半導(dǎo)體裝置基于由電壓測量部件測量出的電壓值，執(zhí)行溫度檢測。
根據(jù)所附權(quán)利要求2的主題，驅(qū)動電流是0.1μA或者更高。
根據(jù)所附權(quán)利要求3的主題，溫度檢測部件的半導(dǎo)體設(shè)備還包括一個或多個二極管，并且組成半導(dǎo)體設(shè)備的這些二極管彼此串聯(lián)。
根據(jù)所附權(quán)利要求4的主題，二極管是npn晶體管，其基極和集電極彼此短路。
根據(jù)所附權(quán)利要求5的主題，npn晶體管包括圍繞其基極、集電極和發(fā)射極的保護(hù)環(huán)層，以吸收從外部所致的泄漏電流。
根據(jù)所附權(quán)利要求6的主題，npn晶體管包括p型半導(dǎo)體襯底；在p型半導(dǎo)體襯底的阱區(qū)；在阱區(qū)中的集電層，阱區(qū)中的集電層由n型半導(dǎo)體制成；在集電層中的基層，基層是由摻有少量雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體制成；在基層表面部分中的基極，基極由層疊的摻有大量雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體制成；在基層的表面中的發(fā)射極，該發(fā)射極由層疊的摻有大量雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體制成；集電極包括在集電層中形成的摻有少量雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體、圍繞基層的摻有少量雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體、以及在摻有少量雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體的表面部分中層疊的摻有大量雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體；以及保護(hù)環(huán)層，p型半導(dǎo)體襯底中形成的摻有少量雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體、圍繞基層的摻有少量雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體、以及在摻有少量雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體的表面部分中層疊的摻有大量雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體所制成。
根據(jù)所附權(quán)利要求7的主題，半導(dǎo)體裝置還包括在半導(dǎo)體襯底上形成的壓力檢測器，該壓力檢測器執(zhí)行壓力檢測。
根據(jù)所附權(quán)利要求8的主題，還提供一種使用在半導(dǎo)體襯底中形成的一個或多個二極管來檢測溫度的方法該方法包括當(dāng)預(yù)定值的驅(qū)動電流施加到一個或多個二極管上時，基于在一個或多個二極管兩端的測量電壓來檢測溫度。
根據(jù)本發(fā)明，有可能使用包括用于溫度檢測的驅(qū)動電路的常規(guī)系統(tǒng)，而無需修正或改變該常規(guī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，來驅(qū)動溫度檢測部件?？煞乐贡Ｗo(hù)環(huán)層提供的npn晶體管受到從鄰近設(shè)備中流入的泄漏電流的不利影響。通過使用僅一個或多個二極管用作溫度檢測器，可實(shí)現(xiàn)展示出很高的溫度檢測靈敏度的小型半導(dǎo)體裝置。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可使用一個或多個具有預(yù)定結(jié)構(gòu)的二極管用作溫度檢測，這有助于減小其尺寸，降低其生產(chǎn)成本并改善其批量生產(chǎn)性。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的框圖；圖2是圖1中溫度檢測部分的等效電路框圖；圖3-1是npn晶體管的橫截面圖；圖3-2是npn晶體管的俯視圖；圖4是作為可以將二極管集成的芯片中的CMOSIC一示例的過電壓保護(hù)電路的電路框圖；圖5是展示高擊穿電壓并組成圖4所示的過電壓保護(hù)電路的p型MOS晶體管的橫截面圖；圖6是描述用于獲得溫度檢測部分的輸出的驅(qū)動和測量方法的電路框圖；圖7是用于詳細(xì)描述在圖6示出的驅(qū)動和測量方法的框圖；圖8是二極管正向電壓Vf與溫度關(guān)聯(lián)的圖；圖9是二極管正向電壓Vf與偏置電流相關(guān)聯(lián)的圖；圖10示出示例性描述來自溫度檢測器輸出端的輸出非線性誤差的曲線；圖11示出在各自的偏移電流值上連接圖10所示最大點(diǎn)(最壞偏離)的曲線；圖12示出一曲線，它表示通過將非線性誤差值除以溫度系數(shù)而得出的非線性誤差的轉(zhuǎn)換比率，并示出測量溫度范圍。
圖13是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的框圖；圖14是示意性示出汽車引擎的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
參照本發(fā)明較佳實(shí)施例的附圖，在下文中對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地描述。
第一實(shí)施例首先，將對根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行描述。圖1是根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的框圖。根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置10包括安置在襯底上的壓力檢測部分11、安置在襯底上的溫度檢測部分12、電源端T1、壓力檢測輸出端T2、溫度檢測輸出端T3、以及接地端T4。壓力檢測部分11包括壓力檢測器111、數(shù)字/存儲電路112、D/A轉(zhuǎn)換器113、以及信號放大電路114。
壓力檢測部分11中的壓力檢測器111檢測壓力并將檢測到的壓力以電信號的形式輸出。數(shù)字/存儲電路112存儲用于修正靈敏度、偏置和溫度特性的修正數(shù)據(jù)，并且將修正數(shù)據(jù)饋送到D/A轉(zhuǎn)換器113。D/A轉(zhuǎn)換器113修正靈敏度，偏置和溫度特性。信號放大電路114放大從壓力檢測器111中輸出的電信號。
組成壓力檢測部分11的壓力檢測器111、數(shù)字/存儲電路112、D/A轉(zhuǎn)換器113以及信號放大電路114被連接到電源端T1以及接地端T4。壓力檢測部分11由來自于外部的電壓所驅(qū)動，從而由信號放大電路114所放大的電壓信號從壓力檢測器輸出端T2輸出到外部。
溫度檢測部分12包括npn晶體管121。做出npn晶體管121的連接，使得其基極端和集電極端彼此短路。通過將基極和集電極端短路，基極和集電極之間的pn結(jié)總是有相同的電勢偏置。因此，溫度檢測部分12可構(gòu)成基極和集電極之間的pn結(jié)并不執(zhí)行功能，而僅僅是基極和發(fā)射極之間的pn結(jié)具有該電氣功能。換言之，npn晶體管121執(zhí)行如二極管的功能。
圖2是溫度檢測部分的等效電路圖，如圖2所示，溫度檢測部分12等效于二極管200。從將npn晶體管121的基極和集電極端短路而得出的短路端等效于二極管200的陽極。npn121的發(fā)射極端等效于二極管200的陰極。npn晶體管121的發(fā)射極端(二極管200的陰極端)連接到接地端T4。npn121的基極和集電極的短路端(二極管200的陽極端)連接到溫度檢測器輸出端T3。這些連接有助于從溫度檢測器輸出端T3中輸出npn晶體管121的所謂的“二極管正向電壓”Vf。
下面參照圖3-1和3-2對npn晶體管121進(jìn)行描述。圖3-1是npn晶體管121的橫截面圖。圖3-2是npn晶體管121的俯視圖。首先，將參照圖3-1對npn結(jié)構(gòu)121的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。
根據(jù)第一實(shí)施例，p型半導(dǎo)體用作襯底。下文中，由p型半導(dǎo)體制成的襯底將被稱為“p型襯底31”。在p型襯底31中形成用于集電極層的n型阱32。在n型阱32的表面部分中形成用于基層的p-型基層331。在p-型基層331的表面部分中形成用于發(fā)射層的n+型發(fā)射層362。集電極由n型阱32構(gòu)成，基極由p-型基層331構(gòu)成，并且發(fā)射極由n+型發(fā)射層362構(gòu)成，從而就形成了所謂橫向型的npn晶體管(npn晶體管121)。
術(shù)語“p+型”表示提供具有空穴的p型半導(dǎo)體的摻雜濃度很高。術(shù)語“p-型”表示提供具有空穴的p型半導(dǎo)體的摻雜濃度很低。術(shù)語“n+型”表示提供具有電子的n型半導(dǎo)體的摻雜濃度很高。術(shù)語“n-型”表示提供具有電子的n型半導(dǎo)體的摻雜濃度很低。摻雜濃度高或低是相對于參照構(gòu)成同樣設(shè)備的同樣導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體而言的。
在n型阱32的表面部分形成有n-型集電層35，并且在n-型集電層35的表面部分中形成有n+型集電層361，用于拾取n型阱32(用于電極的引線)。p-型基層331的表面部分中形成有p+型基層341，用于拾取在n型阱32的表面部分中形成的p-型基層331。
在圖3-2所示的平面結(jié)構(gòu)中，形成n+型發(fā)射層(E)362和p+型基層(B)341，從而n+型發(fā)射層(E)362和p+型基層(B)341彼此相面對。形成p-型基層331，從而p-型基層331圍繞n+型發(fā)射層362和p+型基層341。形成n+型集電極層(C)361，從而n+型集電極層361圍繞p-型基層331。此外，形成n型阱32，從而n型阱32圍繞n+型集電極層361。
用于獲得n型阱32而形成的n-型集電極層35和n+型集電極層361像圍繞基層的環(huán)一樣排列在n型阱32中。此外，用于保護(hù)環(huán)的p-型保護(hù)環(huán)層321和p+型保護(hù)環(huán)層342以圍繞n型阱32的環(huán)的方式排列。
除了用于電極引線的p+型基層341、p+型保護(hù)環(huán)層342、n+型集電極層361和n+型發(fā)射層362之外，p型襯底31的上表面都覆蓋有絕緣層37。
雖然圖未示出，用于獲得集電極的n+型集電極層361以及用于獲得基極的p+型基層341用鋁(下文稱之為“Al”)線彼此短路，從而形成陽極，并連接到溫度檢測器輸出端T3。類似地，n+型發(fā)射層362和p+型保護(hù)環(huán)層342通過Al線連接到接地端T4。
在npn晶體管121中，除了由前述n型阱32、p-型基層331以及n+型發(fā)射層362所構(gòu)成的npn晶體管之外，由p-型基層331、n型阱32以及p型襯底31構(gòu)成的pnp晶體管在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)成為一寄生設(shè)備。當(dāng)使得如上描述的寄生設(shè)備工作時，電流(泄漏電流)將會流到p型襯底31中，影響了原來的設(shè)備特性。此外，會導(dǎo)致在集成電路中的鄰接設(shè)備的失常、閉鎖以及各種危害。
因此，需要采取用于防止寄生pnp晶體管工作的應(yīng)對措施。上述的p-型基層331和n型阱32可用作應(yīng)對寄生pnp晶體管的有效措施。通過以同樣的電勢偏置n型阱32和p-型基層331，可防止寄生pnp晶體管的基極電流流動。此外，由于將反向偏置電壓施加在n型阱32和p型襯底31之間，n型阱32和p型襯底31彼此相互電氣隔離。如上所述，可有效地防止電流泄漏到p型襯底31。
p-型保護(hù)環(huán)層321和p+型保護(hù)環(huán)層342可設(shè)置成保護(hù)環(huán)層321和342圍繞p型阱32以吸收在p型襯底31中所產(chǎn)生的微弱泄漏電流，從而防止電流泄漏到鄰近的設(shè)備。換言之，可設(shè)置保護(hù)環(huán)層來防止任何電流泄漏到鄰近的設(shè)備。
npn晶體管121采用上述的結(jié)構(gòu)。由于可能采用生產(chǎn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(下文稱之為“CMOS”)的工藝(重復(fù)進(jìn)行離子注入以及后續(xù)的擴(kuò)散)來同時形成構(gòu)成npn晶體管121的所有層，因此完全無需加上任何特定的生產(chǎn)步驟。
換言之，使用npn晶體管121可使得無需使用通常BiCMOS的外延片中所用的任何分離設(shè)置的技術(shù)，也無需任何使用SOI片和槽腐蝕的分離技術(shù)。因此，就有可能將npn晶體管121集成到采用重復(fù)離子注入以及后續(xù)的擴(kuò)散而生產(chǎn)出的通用CMOS集成電路(下文稱之為“CMOS IC”)的一個芯片上。此外，可防止生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的生產(chǎn)成本由于生產(chǎn)通用CMOSIC的生產(chǎn)成本而增加。
圖4是作為可被集成到具有二極管的芯片中的CMOS IC示例的過電壓保護(hù)電路的電路框圖。過電壓保護(hù)電路51包括電壓分壓電路52、反相電路53以及開關(guān)設(shè)備54。在半導(dǎo)體襯底上形成過電壓檢測電路，其上形成有由過電壓保護(hù)電路51所保護(hù)的CMOS IC 55。在圖4中示出對其施加來自外部的電源電壓的外接電源端511，對其施加來自外部的接地勢的接地端512，將施加到外部電源端511的電源電壓提供給CMOS IC 55的內(nèi)接電源端513，以及將接地勢施加給CMOS IC 55的接地端514。
電壓分壓電路52包括，例如第一電阻器521和第二電阻器522。第一電阻器521在其一端連接到外接電源端511。第一電阻器521在其另一端連接到第二電阻器522的一端。第二電阻器522的另一端連接到接地端512和514。反相電路53包括，例如展示高擊穿電壓的第一p型MOS晶體管(下文稱之為“第一PDMOS”)531和第二晶體管532。第一PDMOS 531在其源端連接到外接電源極端511。第一PDMOS 531在其柵極端連接到第一和第二電阻器521和522得的連接節(jié)點(diǎn)，即電壓分壓點(diǎn)。第一PDMOS 531在其漏極端連接到第三電阻器532的一端。第三電阻器532的另一端被連接到接地端512和514。
開關(guān)設(shè)備54包括，例如展示高擊穿電壓的第二p型MOS晶體管(下文稱之為“第二PDMOS”)541。第二PDMOS 541在其源極端被連接到外接電源端511。第二PDMOS 541在其柵極端被連接到第一PDMOS 531的漏極端。第二PDMOS541在其漏極端被連接到內(nèi)接電源端513。
現(xiàn)在對第一PDMOS 531和第二PDMOS 541的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。圖5是展示高擊穿電壓、并構(gòu)成如圖4中所示的過電壓保護(hù)電路的p型MOS晶體管的橫截面圖。在圖5的左側(cè)，示例性示出PDMOS 531(或541)的結(jié)構(gòu)。在圖5的右側(cè)，示出由n型半導(dǎo)體構(gòu)成、并具有CMOS結(jié)構(gòu)的n溝道MOSFET 576，以及由p型半導(dǎo)體構(gòu)成、并具有CMOS結(jié)構(gòu)的p溝道MOSFET 575。n溝道MOSFET 576和p溝道MOSFET 575被集成到具有第一PDMOS 531和第二PDMOS 541的同一半導(dǎo)體襯底中。在p型襯底561的主要表面?zhèn)壬闲纬捎蒼型半導(dǎo)體構(gòu)成的n型阱562。在p型阱區(qū)562的表面部分中形成均由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的p型偏置區(qū)567和p型源極區(qū)565，從而p型偏置區(qū)567和p型源極區(qū)565由一狹窄的間隔分開。
較厚氧化膜(下文稱之為“LOCOS”)566在p型偏置區(qū)567表面的一部分上選擇性形成。在p型偏置區(qū)567的表面部分中形成p型漏極區(qū)568，從而LOCOS 566處在由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的p型漏極區(qū)568和p型源極區(qū)565之間。在n型阱區(qū)562，在p型源極區(qū)565的外部形成由n型半導(dǎo)體構(gòu)成、且較之n型阱區(qū)562有摻有大量雜質(zhì)的n型基極區(qū)563。在圖5中，示出了柵極絕緣膜569、柵極電極570、源電極571以及漏電極572。
在p溝道MOSFET 575中形成n型阱區(qū)573、且在PDMOS 531和PDMOS 541中形成n型阱區(qū)562的同時，n型阱32(參照圖3-1)也形成了。因此，就無需僅僅是用于形成n型阱32的掩模(mask)和離子植入步驟。p型偏置區(qū)567在PDMOS531和PDMOS 541中形成的同時，p-型保護(hù)環(huán)層321和p-型基層331(參照圖3-1)也形成了。因此，就無需僅僅是用于形成p-型保護(hù)環(huán)層321和p-型基層331的掩模和離子植入步驟。
在類似的方式中，形成n型基層563的同時，n-型集電極層35(參照圖3-1)形成了。在p溝道MOSFET575中形成源極區(qū)和漏極區(qū)的同時，p+型基層341和p+型保護(hù)環(huán)層342也形成了。源極區(qū)和漏極區(qū)在p溝道MOSFET576中形成的同時，n+型集電極層361和n+型發(fā)射層362(參照圖3-1)也形成了。在LOCOS 566形成的同時，絕緣膜37(參照圖3-1)也形成了。因此，有可能形成npn晶體管，而基本不會加上有其他作用的掩?；蚴翘囟ǖ纳a(chǎn)步驟。
此外，通過將npn晶體管121配備保護(hù)環(huán)層，使得npn晶體管121可實(shí)現(xiàn)二極管功能，npn晶體管121可以正常地運(yùn)行，并且npn晶體管121具有不會影響到與npn晶體管121集成的鄰近設(shè)備的結(jié)構(gòu)。因此，可便于將npn晶體管121連同壓力傳感器(壓力檢測部分11)和溫度傳感器(溫度檢測部分12)集成到一個芯片中，并且可以低成本獲得能夠同時測量溫度和壓力的復(fù)合傳感器的半導(dǎo)體裝置10。
現(xiàn)在對npn晶體管121的二極管正向電壓Vf(溫度檢測部分12的輸出)進(jìn)行描述。首先，將參照圖6對用于測量二極管正向電壓Vf的方法進(jìn)行描述。圖6是描述用于獲得溫度檢測部分輸出的驅(qū)動和測量方法的電路框圖。
參照圖6，電流生成部件21和電壓檢測裝置22彼此并聯(lián)連接在溫度檢測器輸出端T3和接地端T4之間。在它們之間連接有npn晶體管121，用于獲得溫度檢測部分的輸出。通過傳導(dǎo)由電流生成部件21驅(qū)動的電流，在溫度檢測器輸出端T3和接地端T4之間的電壓，即npn晶體管121的二極管正向電壓Vf可用電流檢測裝置22測量出。
圖7是用于詳細(xì)描述在圖6中示出的驅(qū)動和測量方法的電路框圖。現(xiàn)參照圖7，電源端T1通過電阻211連接到溫度檢測輸出端T3。A/D轉(zhuǎn)換器221被連接在溫度檢測器輸出端T3和接地端T4之間。流經(jīng)npn晶體管121的電流的值如下(電源電壓-溫度檢測器輸出端T3的電壓)/(電阻211的電阻值)＝(電流值I)。在溫度檢測器輸出端T3和接地端T4之間的電壓可由A/D轉(zhuǎn)換器221測量出。
以上所描述的驅(qū)動和檢測方法是示例性的?？墒褂酶鞣N替代方法，用于獲得二極管正向電壓Vf。例如，使用雙極晶體管或MOS雙極晶體管的帶隙電路、使用雙極晶體管或MOS雙極晶體管的電流鏡像電路、以及使用運(yùn)算放大器的電流生成電路都可為電流生成部件21所用。除了使用將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的A/D轉(zhuǎn)換器221之外，還可使用信號放大器電路、集成電路以及使用計算電路的運(yùn)算放大器以執(zhí)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換電路。
現(xiàn)在將參照圖8和9對電流生成部件的條件(驅(qū)動電流值)和正向特性Vf之間的關(guān)系進(jìn)行描述。
圖8是二極管正向電壓Vf和溫度的關(guān)聯(lián)的圖表。在圖8中，縱軸表示以V為單位的輸出電壓，橫軸表示以℃為單位的溫度。二極管正向電壓Vf隨著溫度的升高而減少。換言之，二極管正向電壓Vf展現(xiàn)出負(fù)的溫度特性。線性近似溫度特性的斜率被稱為“溫度系數(shù)”。(在圖8中，示出了線性近似，但是沒有示出在線性近似之下描述的二次近似)。溫度系數(shù)是指示溫度傳感器靈敏度的指數(shù)，表示1℃的溫度變化會導(dǎo)致多大的電壓變化(V)。例如，對圖8中描述的特性，溫度系數(shù)是-2.07mV/℃。
圖9是二極管正向電壓Vf和偏置電流的關(guān)聯(lián)的圖表。在圖9中，縱軸表示以07mV/℃為單位的溫度系數(shù)并且橫軸表示以A為單位的對數(shù)偏置電流。如圖9所示，二極管正向電壓Vf隨著流入到二極管中的電流(偏置電流)而變化。詳細(xì)地，二極管正向電壓Vf的溫度系數(shù)如此變化，從而其絕對值按比例隨著偏置電流的對數(shù)值(Log)降低(絕對溫度系數(shù)的值接近0)。對于0.01μA(圖9中的1.E-08)的偏置電流，溫度系數(shù)為-2.07mV/℃，且對于0.01mA(圖9中的1.E-03)的偏置電流，溫度系數(shù)為-1.6mV/℃。因此，當(dāng)偏置電流增加時，溫度系數(shù)的絕對值減小。
絕對溫度系數(shù)值越小就意味著每1℃的輸出電流變化也越小。由于小的絕對溫度系數(shù)值意味著溫度檢測部分12的靈敏度很低，所以應(yīng)該避免絕對溫度系數(shù)值很小的情形。因此，在圖9中描述的結(jié)果表明偏置電流越小就可越好地實(shí)現(xiàn)溫度檢測部分12，因此其靈敏度就越高。
現(xiàn)在參照圖10到12對非線性誤差(表示溫度檢測性能的另一指數(shù))進(jìn)行描述。上述的溫度系數(shù)是斜率，其中輸出的線性近似隨著溫度而變化。非線性誤差是表示如何參照溫度曲線標(biāo)示輸出的位置，以及與線性近似輸出標(biāo)示位置的線(理想線)上偏離的值。
如果一般地描述，依照表達(dá)如何參照溫度曲線標(biāo)示輸出的位置、以及與線性近似輸出標(biāo)示位置的線(理想線)上的偏離的方式，可使用各種計算方法。此處，在-40℃到130℃中由二極管正向電壓Vf到連接二極管正向電壓Vf的線的偏離來表達(dá)非線性誤差。當(dāng)非線性誤差的絕對值較小時，傳感器輸出較為線性地變化，并且因此溫度檢測部分12的輸出特性是較佳的。
圖10示出一曲線，示例性描述溫度檢測器輸出端T3的輸出的非線性誤差。在圖10中，縱軸表示以mV為單位的非線性誤差，橫軸表示以℃為單位的溫度。圖10描述了在-40℃到130℃中從二極管正向電壓Vf到連接二極管正向電壓Vf的線的偏離而獲得的非線性誤差。
10μA偏置電流的二極管正向電壓Vf的非線性誤差在50℃時展示了最大值。圖10示出了以一種方式標(biāo)示二極管正向電壓Vf的曲線，從而標(biāo)示出在-40℃到130℃中到連接二極管正向電壓Vf的理想線的偏離在50℃時為+3mV。
圖11示出在各個偏置電流值下連接圖10中最大值點(diǎn)(最壞偏移)的曲線。在圖11中，縱軸標(biāo)示以mV為單位的非線性誤差，橫軸標(biāo)示以A為單位的對數(shù)偏置電流。在高于0.1μA(圖11中1.E-0.7)的偏置電流范圍中，非線性誤差小于4mV，并幾乎飽和。在偏置電流從0.1μA到較低側(cè)，非線性誤差值急劇增大，表示隨著偏置電流減少，溫度檢測部分12的輸出特性變壞。
概括二極管正向電壓Vf的溫度系數(shù)和非線性誤差，要使得傳感器的靈敏度很高，減少偏置電流是有效的。但是當(dāng)偏置電流從0.1μA到較低側(cè)時，二極管正向電壓的非線性變得越來越明顯。因此，最好是將偏置電流設(shè)為0.1μA或更高。通過將偏置電流設(shè)為0.1μA或更高，就有可能提供具有優(yōu)良線性的溫度檢測部分12的輸出。
圖12示出一曲線，表示通過將非線性誤差值除以溫度系數(shù)而得出的非線性誤差的溫度轉(zhuǎn)換率，并示出測量溫度范圍(非線性誤差的％滿刻度(FS)FS＝170℃(-40℃到130℃之間))。在圖12中，縱軸表示以％FS為單位的非線性誤差，并且橫軸表示以A為單位的對數(shù)偏置電流。
如前參照圖11的所述，在高于0.1μA的電流范圍內(nèi)，以mA為單位的非線性誤差幾乎飽和。另一方面，如前參照圖9的所述，在高于0.1μA的電流范圍內(nèi)溫度系數(shù)的絕對值線性下降。換言之，雖然以mV為單位的非線性誤差(曲線的電壓誤差)幾乎是恒定的，但是每1℃溫度變化的電壓變化隨著偏置電流增加而減少。因此，如果相關(guān)聯(lián)地描述，以mV為單位的非線性誤差的大小隨著傳感器靈敏度增高而增加。在圖12中清楚地示出該特定的特征。
參照以％FS為單位的全幅測量溫度范圍，非線性誤差值展示了在0.1μA的偏置電流時有最好點(diǎn)(最大值)，并且隨著偏置電流增加而逐漸變壞。因此，可以通過將偏置電流設(shè)置在0.1μA到100μA的范圍內(nèi)來將溫度傳感器的非線性誤差值限定在0％FS到-1％FS的范圍內(nèi)，從而可以改善溫度檢測部分12的輸出特性(精度)。
第二實(shí)施例下面對根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行描述。圖13是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的框圖。根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置20與根據(jù)第一所述的半導(dǎo)體裝置10不同在于，半導(dǎo)體裝置20中的溫度檢測部分12具有與半導(dǎo)體裝置10中的部分不同的結(jié)構(gòu)，并且在根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置20中，Zener二極管13連接在溫度檢測輸出端T3和接地端T4之間。
圖13中的溫度檢測部分12包括npn晶體管121、122、123、124、和125。npn晶體管121到125可連接成各自的基極與各自的集電極彼此短路。換言之，圖13中的溫度檢測部分12包括與根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置10相關(guān)的之前描述的五個二極管(npn晶體管，其基極和集電極彼此短路；參照圖2)。此外，Zener二極管13連接在溫度檢測器輸出端T3和接地端T4之間并與溫度檢測部分12并聯(lián)。
由于通過串聯(lián)連接npn晶體管121到125(其各自的基極與各自的集電極彼此短路)而迭加二極管的正向電壓Vf，就有可能將由溫度變化(溫度系數(shù))所導(dǎo)致的二極管正向電壓Vf的變化設(shè)置為五倍于一個晶體管的溫度系數(shù)。換言之，根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置20有助于增加溫度傳感器的靈敏度。當(dāng)電涌從外部輸入時，執(zhí)行Zener操作的Zener二極管有助于保護(hù)溫度檢測部分12不受電涌破壞。
如上所述，根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置20可用于展示優(yōu)良電涌承受能力的復(fù)合傳感器，包括溫度傳感器，其輸出靈敏度很高，并且有助于檢測溫度和壓力。雖然根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置已經(jīng)結(jié)合具有五個npn晶體管121到125的溫度檢測部分得到了描述，但是npn晶體管的數(shù)量不限于五個。
迄今為止的描述，包括基于npn晶體管121由二極管構(gòu)成的溫度檢測部分12的根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)有助于在必要且最小的襯底面積上獲得等效于晶體管的功能的半導(dǎo)體裝置，該半導(dǎo)體裝置展現(xiàn)了高的溫度檢測靈敏度，并有助于檢測壓力和溫度。
由于在溫度檢測靈敏度較高時會導(dǎo)致較大的波動，采用電阻器作為溫度檢測的常規(guī)半導(dǎo)體裝置并不適于批量生產(chǎn)。采用二極管的根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，可制造為具有較少的波動，具有適用于批量生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)。
由于根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置有助于使用驅(qū)動熱敏電阻的常規(guī)電流，而無任何變化或修改，使用熱敏電阻的常規(guī)檢測器可由根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置所替代，而無需改變裝置的系統(tǒng)(例如，汽車引擎)，其溫度和壓力將被檢測出。
根據(jù)以上描述，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置和溫度檢測方法非常有利于用在批量生產(chǎn)設(shè)備中的壓力和溫度測量。特別地，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置和溫度檢測方法適用于汽車和摩托車的引擎中的壓力和溫度檢測。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括半導(dǎo)體襯底；包括在半導(dǎo)體襯底中形成的半導(dǎo)體設(shè)備的溫度檢測部件，所述半導(dǎo)體檢測部件執(zhí)行溫度檢測；在所述半導(dǎo)體襯底上形成的輸出端，所述輸出端將所述溫度檢測部件的檢測信號輸出到外部；連接到所述輸出端的電流產(chǎn)生部件，所述電流產(chǎn)生部件將驅(qū)動電流提供給所述溫度檢測部件的半導(dǎo)體設(shè)備；連接到所述輸出端的電壓測量部件，所述電壓測量部件測量所述輸出端的電壓；所述半導(dǎo)體設(shè)備包括二極管；以及當(dāng)所述電流產(chǎn)生部件將預(yù)定值的驅(qū)動電流提供給所述溫度檢測部件時，所述半導(dǎo)體裝置基于由所述電壓測量部件測量出的電壓值執(zhí)行溫度檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述驅(qū)動電流是0.1μA或者更高。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述溫度檢測部件的半導(dǎo)體設(shè)備還包括一個或多個二極管，并且構(gòu)成所述半導(dǎo)體設(shè)備的二極管彼此串聯(lián)連接。
4.如權(quán)利要求1到3的任一個所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述二極管是npn晶體管，其基極和集電極彼此短路。
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述npn晶體管包括圍繞其基極、集電極和發(fā)射極的保護(hù)環(huán)層，藉此來吸收從外部所致的泄漏電流。
6.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述npn晶體管包括p型半導(dǎo)體襯底；所述p型半導(dǎo)體襯底中的表面部分；在所述表面部分中形成的n型阱區(qū)；在所述n型阱區(qū)的表面部分中形成的p型第一基層；在所述第一基層的表面部分中形成的p型第二基層，所述p型第二基層較之所述第一基層，摻有大量雜質(zhì)；在所述第一基層的表面部分中形成的n型發(fā)射層，所述n型發(fā)射層摻有大量雜質(zhì)；在所述n型阱區(qū)的表面部分中形成的n型第一集電層，所述n型第一集電層圍繞所述第一基層；在所述第一集電層的表面部分中的n型第二集電層，所述n型第二集電層包括較之所述第一集電層摻雜大量雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體；以及保護(hù)環(huán)層，包括在所述p型半導(dǎo)體襯底的表面部分中形成的摻有少量雜質(zhì)的p型第一半導(dǎo)體，圍繞所述第一集電層的摻有少量雜質(zhì)的p型第一半導(dǎo)體，以及在所述第一半導(dǎo)體的表面部分中形成的p型第二半導(dǎo)體，所述p型第二半導(dǎo)體較之所述第一半導(dǎo)體層摻有大量雜質(zhì)。
7.如權(quán)利要求1到6的任一個所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體裝置還包括在所述半導(dǎo)體襯底上形成的壓力檢測器，所述壓力檢測器執(zhí)行壓力檢測。
8.一種用在所述半導(dǎo)體襯底中形成的一個或多個二極管來檢測溫度的方法，所述方法包括當(dāng)預(yù)定值的驅(qū)動電流提供給所述一個或多個二極管時，基于在所述一個或多個二極管上測量到的電壓來檢測溫度。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置10包括用半導(dǎo)體襯底中形成的半導(dǎo)體設(shè)備來執(zhí)行溫度檢測的溫度檢測部分12；在半導(dǎo)體襯底上形成的、用于將檢測信號從溫度檢測部分12輸出到外部的溫度傳感器輸出端T3；連接到輸出端T3的電流生成部件21，該電流生成部件21將驅(qū)動電流施加給溫度檢測部分12；以及連接到輸出端22的電壓測量裝置22，當(dāng)預(yù)定值的驅(qū)動電流從電流生成部件21提供給溫度檢測部分12時，該電壓測量裝置22測量輸出端T3的電壓以執(zhí)行溫度檢測。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具有有助于減少其尺寸的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置有助于在低生產(chǎn)成本下實(shí)現(xiàn)其簡易生產(chǎn)。根據(jù)本發(fā)明的溫度檢測方法有助于使得所述半導(dǎo)體裝置非常精確地運(yùn)行。
文檔編號H01L21/822GK1851249SQ200610051539
公開日2006年10月25日 申請日期2006年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者西川睦雄, 上柳勝道 申請人:富士電機(jī)電子設(shè)備技術(shù)株式會社