JPH0234193B2 - - Google Patents
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- JPH0234193B2 JPH0234193B2 JP56211730A JP21173081A JPH0234193B2 JP H0234193 B2 JPH0234193 B2 JP H0234193B2 JP 56211730 A JP56211730 A JP 56211730A JP 21173081 A JP21173081 A JP 21173081A JP H0234193 B2 JPH0234193 B2 JP H0234193B2
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- JP
- Japan
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- type
- semiconductor
- thermocouple
- region
- cavity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、単結晶半導体基板内に形成された
n型(又はp型)領域の熱起電力を利用して、放
射エネルギー等を計測するようにした半導体熱電
対に関する。
n型(又はp型)領域の熱起電力を利用して、放
射エネルギー等を計測するようにした半導体熱電
対に関する。
赤外線ガス濃度計等を小形化して携帯用等に使
用するには、小形で機械的に丈夫な安定な素子が
必要であり、小形高感度の熱電対として第1図に
示すようなサーモパイルが知られている。すなわ
ち、円板状の基板14の表面に10〜15対の金−コ
ンスタンタン熱電対2がそれぞれ放射状にかつ直
列に接続され、これらの熱電対2の測温接点群は
基板中央部に集められ、放射エネルギーの吸収を
良くするために金黒や白金黒による黒化処理がな
され、基準接点群3との間に生じた熱起電力がそ
れぞれ直列に合成されて端子4から外部へ出力さ
れるようになつている。しかしながら、このよう
なサーモパイルは構造が複雑で機械的振動に弱
く、また組立作業に高度の技術を必要とする欠点
があつた。しかして、近年薄膜化したサーモパイ
ルも試作されているが、十分な感度は得られてい
ない。
用するには、小形で機械的に丈夫な安定な素子が
必要であり、小形高感度の熱電対として第1図に
示すようなサーモパイルが知られている。すなわ
ち、円板状の基板14の表面に10〜15対の金−コ
ンスタンタン熱電対2がそれぞれ放射状にかつ直
列に接続され、これらの熱電対2の測温接点群は
基板中央部に集められ、放射エネルギーの吸収を
良くするために金黒や白金黒による黒化処理がな
され、基準接点群3との間に生じた熱起電力がそ
れぞれ直列に合成されて端子4から外部へ出力さ
れるようになつている。しかしながら、このよう
なサーモパイルは構造が複雑で機械的振動に弱
く、また組立作業に高度の技術を必要とする欠点
があつた。しかして、近年薄膜化したサーモパイ
ルも試作されているが、十分な感度は得られてい
ない。
一方、小形で機械的に丈夫な熱形検出器として
第2図に示すような薄膜形サーミスタ・ボロメー
タが知られており、基板5の表面に形成されたコ
バルト・マンガン系のサーミスタ6は抵抗値が4
〜5%/℃と大きく変化し感度も優れているが、
受動素子であるため端子7を介して外部から電力
を供給しなければならないという欠点がある。ま
た、能動素子であるシリコン太陽電池を熱形検出
器として使用した場合、応答が早く、構造が簡単
で丈夫であると共に、外部からの電力供給が不要
である等の利点があるが、太陽電池の有効波長領
域が0.45〜1.15μmと狭帯域なので、800℃以下の
低温体は測定できないという欠点がある。
第2図に示すような薄膜形サーミスタ・ボロメー
タが知られており、基板5の表面に形成されたコ
バルト・マンガン系のサーミスタ6は抵抗値が4
〜5%/℃と大きく変化し感度も優れているが、
受動素子であるため端子7を介して外部から電力
を供給しなければならないという欠点がある。ま
た、能動素子であるシリコン太陽電池を熱形検出
器として使用した場合、応答が早く、構造が簡単
で丈夫であると共に、外部からの電力供給が不要
である等の利点があるが、太陽電池の有効波長領
域が0.45〜1.15μmと狭帯域なので、800℃以下の
低温体は測定できないという欠点がある。
さらにまた、ガスクロマトグラフ装置等に使用
されている熱伝導形検出器TCD(Thermal
Conductivity Detector)では、第3図A〜Cに
示すように輸送ガス(キヤリアガス)に試料ガス
Gが混入した混合ガスを測定管部8Cに導き、輸
送ガスのみのガスRを比較管部8Dに導き、この
2つのガスの熱伝導度の差を、流通ないしは拡散
の過程を通じて発熱抵抗体8A,8Bおよび比較
管部の他の2つの発熱抵抗体により検出する。し
かしながら、これらの検出器ではいずれも通常
5W前後の電力を消費すると共に応答速度も約0.1
秒と遅く、安定な検出器を得るには構造が複雑に
なつてしまう欠点があつた。よつて、この発明の
目的は上述の如き欠点、問題点を除去した半導体
熱電対を提供することにある。
されている熱伝導形検出器TCD(Thermal
Conductivity Detector)では、第3図A〜Cに
示すように輸送ガス(キヤリアガス)に試料ガス
Gが混入した混合ガスを測定管部8Cに導き、輸
送ガスのみのガスRを比較管部8Dに導き、この
2つのガスの熱伝導度の差を、流通ないしは拡散
の過程を通じて発熱抵抗体8A,8Bおよび比較
管部の他の2つの発熱抵抗体により検出する。し
かしながら、これらの検出器ではいずれも通常
5W前後の電力を消費すると共に応答速度も約0.1
秒と遅く、安定な検出器を得るには構造が複雑に
なつてしまう欠点があつた。よつて、この発明の
目的は上述の如き欠点、問題点を除去した半導体
熱電対を提供することにある。
以下この発明を説明する。
p型又はn型の単結晶半導体基板内に形成され
た1個又は複数のn型半導体又はp型半導体と、
これらn型又はp型領域の両端に蒸着された導体
とを具え、半導体領域と導体との重畳領域又はそ
の近傍となる基板内に空洞部を形成せしめて熱電
対を構成し、空洞部を用いて測温接点に熱エネル
ギーを吸収せしめて高感度の熱起電力を得るよう
にしたものである。
た1個又は複数のn型半導体又はp型半導体と、
これらn型又はp型領域の両端に蒸着された導体
とを具え、半導体領域と導体との重畳領域又はそ
の近傍となる基板内に空洞部を形成せしめて熱電
対を構成し、空洞部を用いて測温接点に熱エネル
ギーを吸収せしめて高感度の熱起電力を得るよう
にしたものである。
この発明の一実施例を示す第4図A及びBにお
いて、先ず円板状のp型半導体基板10の表面に
イオン注入法等によりリン等の不純物をドープし
て複数個のL字状のn型領域11を放射状に形成
し、このn型領域11と対称な形に複数個のL字
状の導体12を放射状に蒸着する。その後n型領
域11と導体12と先端が基板10の中心部で重
畳した領域13を黒化処理して測温接点群を形成
すると共に、n型領域11をそれぞれ直列に接続
することにより、合成熱起電力を1対の電極T1
及びT2から得るようになつている、なお、p型
半導体部分10はn型半導体11のどの部分より
も電位が正にならないようになつている。
いて、先ず円板状のp型半導体基板10の表面に
イオン注入法等によりリン等の不純物をドープし
て複数個のL字状のn型領域11を放射状に形成
し、このn型領域11と対称な形に複数個のL字
状の導体12を放射状に蒸着する。その後n型領
域11と導体12と先端が基板10の中心部で重
畳した領域13を黒化処理して測温接点群を形成
すると共に、n型領域11をそれぞれ直列に接続
することにより、合成熱起電力を1対の電極T1
及びT2から得るようになつている、なお、p型
半導体部分10はn型半導体11のどの部分より
も電位が正にならないようになつている。
ここにおいて、n型領域の熱起電力をθ、絶対
温度をT、半導体の伝導体準位及びフエルミ準位
をそれぞれEC、EF、電子の電荷をeとすると、
n型領域の熱起電率は dθ/dT=EC−EF/eT ……(1) となる。ここで、例えば、リンを3×1014原子/
cm3の濃度にドープしたn型シリコンでは、100℃
において熱起電率dθ/dT≒1.2mV/℃となり、
この値はJIS C 160Zに規定されている最高感
度の金属製熱電対の約15倍の熱起電率である。し
かるに、(1)式で示される熱起電率は、半導体中の
不純物濃度によつて変化(不純物濃度変化→フエ
ルミ準位変化→熱起電率変化)するので、互換性
のある熱電対を半導体で作ることは困難であつ
た。このため、従来は単にn型半導体、p型半導
体の判定に熱起電力を利用する程度であつた。
温度をT、半導体の伝導体準位及びフエルミ準位
をそれぞれEC、EF、電子の電荷をeとすると、
n型領域の熱起電率は dθ/dT=EC−EF/eT ……(1) となる。ここで、例えば、リンを3×1014原子/
cm3の濃度にドープしたn型シリコンでは、100℃
において熱起電率dθ/dT≒1.2mV/℃となり、
この値はJIS C 160Zに規定されている最高感
度の金属製熱電対の約15倍の熱起電率である。し
かるに、(1)式で示される熱起電率は、半導体中の
不純物濃度によつて変化(不純物濃度変化→フエ
ルミ準位変化→熱起電率変化)するので、互換性
のある熱電対を半導体で作ることは困難であつ
た。このため、従来は単にn型半導体、p型半導
体の判定に熱起電力を利用する程度であつた。
しかして、近年、イオン注入法の出現で不純物
の注入技術が進み、半導体中に不純物を制御され
た状態で注入できるようになつたことにより半導
体基板10内に不純物を精度良く注入すれば、互
換性のある高感度の小形半導体熱電対を容易に得
ることができる。なお、第5図A及びBに示す如
くn形領域11と導体12の重畳部に小孔14を
設け、この小孔14から等方性及び異方性エツチ
ングによりn型領域11内に丸溝状の空洞15を
設けても良い。この空洞は、最近の単結晶のエツ
チング技術の向上により、定まつた形に形成され
る。この空洞構造は、いわゆる空洞放射の原理に
基いて放射エネルギー得を効率良く吸収するの
で、吸収効果が増大する。かかる小孔14及び空
洞15の構造はサーモパイルのみならず、単独の
放射検出素子としても利用することができる。第
4図の例では複数個のn型領域は、p型半導体基
板中に形成されているが、サフアイアの如き単結
晶半絶縁性基板上に形成することもできる。
の注入技術が進み、半導体中に不純物を制御され
た状態で注入できるようになつたことにより半導
体基板10内に不純物を精度良く注入すれば、互
換性のある高感度の小形半導体熱電対を容易に得
ることができる。なお、第5図A及びBに示す如
くn形領域11と導体12の重畳部に小孔14を
設け、この小孔14から等方性及び異方性エツチ
ングによりn型領域11内に丸溝状の空洞15を
設けても良い。この空洞は、最近の単結晶のエツ
チング技術の向上により、定まつた形に形成され
る。この空洞構造は、いわゆる空洞放射の原理に
基いて放射エネルギー得を効率良く吸収するの
で、吸収効果が増大する。かかる小孔14及び空
洞15の構造はサーモパイルのみならず、単独の
放射検出素子としても利用することができる。第
4図の例では複数個のn型領域は、p型半導体基
板中に形成されているが、サフアイアの如き単結
晶半絶縁性基板上に形成することもできる。
また、第6図A及びBはこの発明の半導体熱電
対をガスクロマトグラフ装置等の熱伝導度形検出
器として応用した一例を示すものであり、方形状
のp型半導体基板20の表面にn型領域21を形
成して熱電体素子とし、その両端近傍を含む領域
をエツチングした後に導体22A及び22Bを蒸
着し、これら導体22A及び22Bに接続された
電極23A及び23Bを介してn型領域21の熱
起電力を出力するようになつている。そして、n
型領域21に沿つて高不純物濃度の拡散領域24
を形成してヒータとし、このヒータ24を電極2
5A及び25Bから電力を供給して加熱するよう
になつている。また、熱電対素子21の両端に接
するようにエツチングされたガス溝26及び27
が配置されており、基板20の上面全体をカバー
するようにパイレツクスガラス等から成る板30
が装着されている。なお、板30の電極23A,
23B上の部分31及び電極25A,25B上の
部分32は、いずれもエツチングにより方形状に
取り除かれている。この構造も、半導体単結晶中
への不純物注入技術とそのエツチング技術の向上
により実現できる。
対をガスクロマトグラフ装置等の熱伝導度形検出
器として応用した一例を示すものであり、方形状
のp型半導体基板20の表面にn型領域21を形
成して熱電体素子とし、その両端近傍を含む領域
をエツチングした後に導体22A及び22Bを蒸
着し、これら導体22A及び22Bに接続された
電極23A及び23Bを介してn型領域21の熱
起電力を出力するようになつている。そして、n
型領域21に沿つて高不純物濃度の拡散領域24
を形成してヒータとし、このヒータ24を電極2
5A及び25Bから電力を供給して加熱するよう
になつている。また、熱電対素子21の両端に接
するようにエツチングされたガス溝26及び27
が配置されており、基板20の上面全体をカバー
するようにパイレツクスガラス等から成る板30
が装着されている。なお、板30の電極23A,
23B上の部分31及び電極25A,25B上の
部分32は、いずれもエツチングにより方形状に
取り除かれている。この構造も、半導体単結晶中
への不純物注入技術とそのエツチング技術の向上
により実現できる。
このような構成において、ヒータ24を電極2
5A,25Bを介して加熱すると共に、ガス溝2
6及び27にガスG1,G2流入すると、両方のガ
スG1,G2の熱伝導度の差によつてn型領域21
の両端に温度差が生じる。これにより、導体22
A,23B及び電極23A,23Bを介して、温
度差に対応した熱起電力を得ることができる。
5A,25Bを介して加熱すると共に、ガス溝2
6及び27にガスG1,G2流入すると、両方のガ
スG1,G2の熱伝導度の差によつてn型領域21
の両端に温度差が生じる。これにより、導体22
A,23B及び電極23A,23Bを介して、温
度差に対応した熱起電力を得ることができる。
一方、第7図及び第8図はそれぞれの変形例を
示すものであり、第7図の例は2つのガス溝26
及び27を並べると共に、その側部に熱電素子2
1を配設するようにしたものである。そして、熱
電素子21の電極23Aとヒータ24の電極25
Aとを1個所にまとめ、熱電素子21の電極23
Bとヒータ24の電極25Bとを1個所にまとめ
ている。また、第8図の例は熱電素子21をコの
字状に形成すると共に、その内側にコの字状のヒ
ータ24を配設し、電極23A,23B,25
A,25Bを1個所にまとめたものである。かか
るいずれの装置によつても上述と同様の検出を行
なうことができる。
示すものであり、第7図の例は2つのガス溝26
及び27を並べると共に、その側部に熱電素子2
1を配設するようにしたものである。そして、熱
電素子21の電極23Aとヒータ24の電極25
Aとを1個所にまとめ、熱電素子21の電極23
Bとヒータ24の電極25Bとを1個所にまとめ
ている。また、第8図の例は熱電素子21をコの
字状に形成すると共に、その内側にコの字状のヒ
ータ24を配設し、電極23A,23B,25
A,25Bを1個所にまとめたものである。かか
るいずれの装置によつても上述と同様の検出を行
なうことができる。
なお、以上の説明では半導体基板をp型とし、
n型領域を熱電対として使用したが、半導体基板
をn型としp型領域を熱電対として使用するよう
にしても良い。
n型領域を熱電対として使用したが、半導体基板
をn型としp型領域を熱電対として使用するよう
にしても良い。
以上説明したように、この発明の半導体熱電対
は、イオン注入法等により単結晶半導体基板内に
容易に高感度、極小形の熱電対として形成できる
ので、機械的に丈夫かつ安定しており、放射温度
計やガス濃度計等の小形化に役立つと共に、大量
生産でき経済的である。
は、イオン注入法等により単結晶半導体基板内に
容易に高感度、極小形の熱電対として形成できる
ので、機械的に丈夫かつ安定しており、放射温度
計やガス濃度計等の小形化に役立つと共に、大量
生産でき経済的である。
なお、上述では半導体基板の形状を円形ないし
は方形状としているが、その形状は任意である。
は方形状としているが、その形状は任意である。
第1図は従来のサーモパイルの構造を示す正面
図、第2図はサーミスタ・ボロメータの構造を示
す斜視図、第3図A〜Cはそれぞれ従来のガスク
ロマトグラフ装置で使用された熱伝導形検出器の
断面図、第4図A及びBはこの発明の一構造例を
示す正面図及びそのX−X′断面図、第5図A及
びBはこの発明の他の構造例を示す側面図及びそ
のX−X′断面図、第6図A及びBはこの発明を
熱伝導形検出器に応用した場合の一構造例を示す
正面図及びそのX−X′断面図、第7図及び第8
図はそれぞれその変形例を示す構造図である。 1……基板、2……熱電対、4……端子、1
0,20……p形半導体基板、11,21……n
型領域(熱電素子)、12,22A,22B……
導体、14……小孔、15……空洞、26,27
……ガス溝、30……板。
図、第2図はサーミスタ・ボロメータの構造を示
す斜視図、第3図A〜Cはそれぞれ従来のガスク
ロマトグラフ装置で使用された熱伝導形検出器の
断面図、第4図A及びBはこの発明の一構造例を
示す正面図及びそのX−X′断面図、第5図A及
びBはこの発明の他の構造例を示す側面図及びそ
のX−X′断面図、第6図A及びBはこの発明を
熱伝導形検出器に応用した場合の一構造例を示す
正面図及びそのX−X′断面図、第7図及び第8
図はそれぞれその変形例を示す構造図である。 1……基板、2……熱電対、4……端子、1
0,20……p形半導体基板、11,21……n
型領域(熱電素子)、12,22A,22B……
導体、14……小孔、15……空洞、26,27
……ガス溝、30……板。
Claims (1)
- 1 p型又はn型の単結晶半導体基板内に形成さ
れた1個又は複数のn型半導体又はp型半導体領
域と、これらn型又はp型領域の両端に蒸着され
た導体を具え、前記半導体領域と前記導体との重
畳領域又はその近傍となる前記基板内に空洞部を
形成せしめて熱電対を構成し、前記空洞部を用い
て測温接点に熱エネルギーを吸収せしめて熱起電
力を得るようにしたことを特徴とする半導体熱電
対。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56211730A JPS58112377A (ja) | 1981-12-25 | 1981-12-25 | 半導体熱電対 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56211730A JPS58112377A (ja) | 1981-12-25 | 1981-12-25 | 半導体熱電対 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58112377A JPS58112377A (ja) | 1983-07-04 |
| JPH0234193B2 true JPH0234193B2 (ja) | 1990-08-01 |
Family
ID=16610641
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56211730A Granted JPS58112377A (ja) | 1981-12-25 | 1981-12-25 | 半導体熱電対 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58112377A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8938885B2 (en) | 2012-05-01 | 2015-01-27 | The Gillette Company | Razor handle with a rotatable portion |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DD221604A1 (de) * | 1983-12-06 | 1985-04-24 | Adw Ddr | Thermoelektrischer detektor |
| GB2206233B (en) * | 1987-06-23 | 1990-09-05 | British Gas Plc | Miniature thermoelectric converters |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5810874A (ja) * | 1981-07-10 | 1983-01-21 | Anritsu Corp | 熱電対素子 |
-
1981
- 1981-12-25 JP JP56211730A patent/JPS58112377A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8938885B2 (en) | 2012-05-01 | 2015-01-27 | The Gillette Company | Razor handle with a rotatable portion |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58112377A (ja) | 1983-07-04 |
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