CN1829074A - 金属氧化物半导体变容器及使用其的压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种MOS变容器，其中振荡频率变化较小，且电容改变电压的变化较小，并且提供了使用所述MOS变容器的压控振荡器，连接了可变静电电容器，作为包括反馈电阻器(1)、放大器(2)和晶体振动器(3)的振荡电路的负载电容器，所述可变静电电容器是在MOS晶体管(5a)和(6a)的每个的漏极/源极端子和栅极端子之间产生的，所述MOS晶体管(5a)和(6a)的每个的源极和漏极端子短路。MOS晶体管(5a)和(6a)的每个的基体端子被连接到电阻器(19)的一个端子，电压被施加到电阻器(19)的另一端子，MOS晶体管(5a)和(6a)的每个的基体端子被连接到电容器(20)的一个端子，并且电容器(20)的另一个端子接地。

Description

金属氧化物半导体变容器 及使用其的压控振荡器
技术领域
本发明涉及一种金属氧化物半导体(MOS)变容器(varactor)和被用作VCTCXO(压控温度补偿晶体振荡器)的压控振荡器。
背景技术
近来，由于诸如移动电话的移动通信设备的快速发展，需要通信设备还另外具有诸如温度补偿功能的各种功能、小尺寸、和高使用频率。由于这个原因，类似于通信设备，即使在用作通信频率参照的晶体振荡器中，也已需要温度补偿功能、小尺寸、和高使用频率。
因为温度补偿晶体振荡器具有温度补偿功能，并且由于温度变化而引起的其频率变化较小，所以温度补偿晶体振荡器被广泛地用作为移动电话等的参照频率源。压控振荡器具有能够通过电压改变电容的可变容性元件，作为振荡回路中的负载电容器，并且能够通过控制可变容性元件的端电压而改变负载电容器的电容值，从而控制频率。作为温度补偿晶体振荡器，其中有一种的压控振荡器的变容器的端电压被控制，使得晶体振动器(压电谐振器)的温度特性被抵消。
近来，温度补偿晶体振荡器已被制作为具有小尺寸、低相位噪声、短启动时间、和高温度补偿精确性。为了减小晶体振荡器的尺寸，也应该减小晶体振动器的尺寸。然而，随着晶体振动器变小，频率变化对于可变电容变化的比率总体趋于降低。
因此，有必要使得对于控制电压，被用作负载电容器的变容器的电容的变化较大。例如，如在JP-A-2003-318417和JP-A-11-220329中所公开的，可以通过使用在MOS晶体管的源极/漏极端子与栅极端子之间所产生的静电电容而使得对于控制电压的变化，电容值的变化较大，从而能够提高对于频率变化的晶体振荡器的敏感度(见图5)。
例如，作为图6中所示的压控振荡器的例子，提出一种压控振荡器，其中，用作变容器的第一和第二MOS晶体管5和6被连接到具有反馈电阻1和反相器(inverter)2的放大器的两个端子、以及压电谐振器3的两个端子。在变容器中，第一和第二MOS晶体管5和6的源极/漏极端子是短路的，并且第一和第二MOS晶体管5和6每个的源极/漏极端子与栅极端子之间所产生的静电电容是由连接至栅极端子的电压源7控制的。
图7是示出MOS变容器的构造的视图。MOS变容器包括在P型半导体衬底11上形成的二氧化硅膜12和N型多晶硅栅极电极13。MOS变容器是双端子可变电容器，其使用连接至半导体衬底11的基体端子(bulk terminal)14作为地电势，并且使用连接至栅极电极13的栅极端子15，作为容性端子和控制端子。MOS构造的平带(flat band)电压由符号‘VFB’表示，并且当反向(inversion)层产生在半导体衬底11的表面上时的阈值电压由符号‘VTH’表示。
如在图7(A)的示意性构造视图中所示，当栅极电压Vg比VFB低时，空穴16在半导体衬底11的表面上被吸引(draw)和积聚。这时，如在图7(B)的等效电路图中所示，MOS电容只包括成为最大值的栅极氧化物膜的电容Cox。
然后，如在图7(B)的示意性构造视图中所示，当栅极电压比VFB高时，耗尽层17被形成在半导体衬底11的表面上。因此，MOS电容变成如在图7(B)的等效电路图中所示的栅极氧化物膜的电容Cox和耗尽层的电容的串联电容。结果，随栅极电压升高MOS电容减小。
随后，如在图7(C)的示意性构造视图中所示，当栅极电压达到VTH时，少量的电子被感应在半导体衬底11的表面上，从而形成反向层18，并且耗尽层17变得比反向层宽。
在MOS变容器中，当MOS晶体管的栅极电压对应于源极端电压和阈值电压之和时，沟道形成在栅极氧化物膜的正下方，并且在栅极端子和沟道，即源极端子之间的静电电容增加(该电压指的是‘电容改变电压’)。这种情况下，源极端子和基体端子之间的电容对应于在沟道与基体(bulk)之间的电容Cdj和耗尽层的电容Cd的总和，并且电压被施加到栅极端子，使栅极端子交流接地。因此，可以看出，在源极端子和基体端子之间的电容是处于接地状态的。结果，在源极端子和接地端子之间的电容包括栅极硅膜的电容Cox、在沟道和基体之间的电容Cdj、以及耗尽层的电容Cd。这时，MOS电容变为最大。
按照现有技术的上述MOS变容器存在一个问题，即在通常的CMOS过程中，源极端子和接地端子之间的静电电容根据MOS晶体管的沟道的杂质浓度的变化和N型半导体区域的杂质浓度的变化而改变。例如，在使用图6中所示的例子的压控振荡器中，振荡频率的变化较大，并且电容改变电压的变化也较大。特别地，很难任意地确定电容改变电压并将具有预定栅极电压的频率控制为中心。
发明内容
考虑到现有技术的固有缺点而做出本发明，本发明的目的是提供一种MOS变容器，其使得在使用MOS变容器的压控振荡器内、在通常的MOS过程中、由于晶体管的变化而引起的振荡频率的变化较小，并且其能够任意地确定电容改变电压。
为了达到上述目的，根据本发明的第一方面，使用在MOS晶体管端子之间产生的容性成份(capacitive component)的MOS变容器包括具有连接至基体端子的一端和接地的另一端的电阻器。控制电压被施加于栅极端子，以使源极/漏极端子和基体端子之间的静电电容能够改变，并且源极/漏极端子和栅极端子之间的静电电容能够改变。该‘电阻器’能用‘具有连接至基体端子的一端和接地的另一端的电容器’来替换。
根据本发明的第一方面，在沟道与MOS晶体管的基体之间的电容器Cdj和电容器Cd被串联连接至‘电阻器’或‘电容器’。因此，电阻值R或电容值C远大于沟道和基体之间的电容Cdj和耗尽层的电容Cd，从而能够降低沟道和基体之间的电容Cdj的变化和耗尽层的电容Cd的变化对于在源极端子和接地端子之间的阻抗的影响。换句话说，能够通过使R或C大而使阻抗大体上等于R或C。因此，即使当由于MOS晶体管的制造变化而使沟道与基体之间的电容Cdj或耗尽层的电容Cd发生变化时，阻抗也不变化，从而可以实现具有很小的电容改变的可变电容器。
根据本发明的第二方面，使用在MOS晶体管的端子之间产生的容性成份的MOS变容器包括电容器，所述电容器具有连接至基体端子的一端和接地的另一末端。控制电压被施加于栅极端子，以使源极/漏极端子和基体端子之间的静电电容能够改变，并且源极/漏极端子和栅极端子之间的静电电容能够改变。
根据本发明的第二方面，类似于本发明的第一方面，能够抑制源极端子和接地端子之间的阻抗的变化，并且能够任意地确定MOS晶体管的基体电势，因而能够将具有预定电压的频率控制在中心。换句话说，能够任意地设置电容改变电压。
根据本发明的第三方面，压控振荡器包括：根据本发明的第一或第二方面的MOS变容器；具有反相器和反馈电阻的放大器；以及具有两个端子的压电振动器，在所述两个端子之间连接有MOS变容器。在压控振荡器中，MOS变容器包括第一和第二MOS晶体管，所述第一和第二MOS晶体管的每个的源极/漏极端子被短路，并且在第一与第二MOS晶体管的每个的源极/漏极端子和栅极端子之间产生静电电容。由输入至第一和第二MOS晶体管的每个的栅极端子的控制信号而控制MOS变容器的振荡频率。
根据本发明的第三方面，能够实现压控振荡器，其中，振荡频率变化小，并且电容改变电压的变化小。
根据本发明的第四方面，压控振荡器包括：根据本发明第一或第二方面的MOS变容器；具有反相器和反馈电阻的放大器；以及具有两个端子的压电振动器，在所述两个端子之间连接有可变电容装置，其包括MOS变容器与第一和第二隔DC电容器。在压控振荡器中，MOS变容器包括MOS晶体管，所述MOS晶体管的每个的源极/漏极端子是短路的，并且在MOS晶体管的源极/漏极端子和栅极端子之间产生静电电容。具有相反相位的振荡电压被分别地施加于源极/漏极端子和栅极端子。由被输入至第一和第二MOS晶体管的每个的栅极端子的控制信号来控制MOS变容器的振荡频率。
根据本发明的第四方面，能够实现能够减少元件数目和尺寸的压控振荡器。
根据本发明，可以提供能够抑制由于制造变化而导致的电容变化的MOS变容器。
此外，根据本发明，可以提供能够使振荡频率的变化小并且能够任意地确定电容改变电压的压控振荡器。
附图说明
图1(A)～(C)示意性地示出了根据本发明的第一实施例的MOS变容器及其等效电路。
图2是示出了用于解释本发明的第一实施例的C-V特性的视图。
图3是示意性地示出了根据本发明的第二实施例的压控振荡器的构造的电路图。
图4是示意性地示出了根据本发明的第三实施例的压控振荡器的构造的电路图。
图5是示出了解释现有技术的C-V特性的视图。
图6是示意性地示出了根据现有技术的压控振荡器的构造的电路图。
图7(A)～(C)是示意性地示出了MOS变容器的构造的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的优选实施例。在图中，相同的参考标号表示相同的部分。
(第一实施例)
本发明的第一实施例涉及在根据本发明的压控振荡器中所使用的MOS变容器的构造。
图1(A)至1(C)示意性地示出了根据本发明的第一实施例的MOS变容器及其等效电路。图1(A)示出了第一构造，其中电阻器的一端被连接至MOS晶体管的基体端子，电阻器的另一端接地。图1(B)示出了第二构造，其中电容器的一端被连接至MOS晶体管的基体端子，电容器的另一端接地。图1(C)示出了第三构造，其中电阻器和电容器的一端被连接至MOS晶体管的基体端子，偏压被施加于电阻器的另一端，并且电容器的另一端接地。
首先，如图1(A)中所示，在MOS变容器的第一构造中，在沟道和基体之间的耗尽层Cd和电容器Cdj被分别串联至电阻器19。因此，由下列公式表示在源极端子和接地端子之间的阻抗。
1/(1/(Cd+Cdj)+R)
从上面的公式能够看出，当电阻器19的电阻值R被设置为合适的值时，可以使得源极端子和接地的端子之间的阻抗大体上等于电阻值R的值。因此，可以减小沟道和基体之间的耗尽层Cd和电容器Cdj的每个的值的影响。换句话说，能够抑制由于晶体管的变化而导致的MOS变容器的电容值的变化。
类似地，在图1(B)中所示的第二构造中，由于电容器20的连接，由下列公式表示在源极端子和接地的端子之间的阻抗：
1/(1/(Cd+Cdj)+1/C)
即使在上面的公式中，类似地，也通过设置电容器20的电容值C而使得源极端子和接地的端子之间的阻抗大体上等于电容值C的值。因此，能够抑制由于晶体管的变化而导致的MOS变容器的变化。
同时，在图1(C)中所示的第三构造中，除了与如图1(A)中所示的第一构造和如图1(B)中所示的第二构造中相同的效果之外，可以通过任意地确定被施加于电阻器19的另一端的偏压21的电势而将具有预定栅极电压的频率控制为中心。
在图2中，每条实线表示在根据本发明的MOS晶体管的端子之间所产生的静电电容的C-V特性，并且每条虚线表示在根据现有技术的MOS晶体管的端子之间所产生的静电电容的C-V特性。在图2的基础上，能够降低在栅极端子与源极端子之间或栅极端子与漏极端子之间的静电电容的变化，从而可以通过将电压施加到基体端子而任意地控制电容改变电压，并且可以容易地设计振荡器电路。
(第二实施例)
图3是示意性地示出根据本发明的第二实施例的压控振荡器的构造的电路图。根据该实施例的压控振荡器是MOS变容器，并且使用根据本发明的第一实施例的MOS变容器。这里，采用了图1(C)中所示的第三构造。
如在图3中所示，即使在根据本实施例的压控振荡器中，以与根据图6中所示的现有技术的压控振荡器中相同的方式，第一和第二MOS晶体管5a和6a的每个的源极和漏极是短路的。此外，使用了在第一和第二MOS晶体管5a和6a的每个的源极端子和栅极端子之间或漏极端子和栅极端子之间使用静电电容的可变容性元件。特别地，压控振荡器是包括放大器的振荡电路，所述放大器包括：形成反馈电路的反相器2和反馈电阻器1、晶体振动器3、以及负载电容器。可变容性元件被用作为负载电容器。第一和第二晶体管5a和6a的每个的基体端子被连接至包括电容器、电阻器和偏压施加电压源的元件。由连接到栅极端子的电压源7控制第一和第二MOS晶体管5a和6a的每个的源极端子和栅极端子之间或漏极端子和栅极端子之间所产生的静电电容。
根据本实施例，用作负载电容器的第一和第二MOS晶体管5a和6a的每个具有下述构造，其中，基体端子被连接至电阻器和电容器的一端，偏压被施加到电阻器的另一端，并且电容器的该另一端接地。因此，第一和第二MOS晶体管5a和6a的每个的源极端子和接地端子之间的阻抗是稳定的，并且抑制了由于每个晶体管的变化而导致的负载电容器的电容值的变化。
此外，根据本发明，可以通过将偏压电压施加于晶体管5a和6a每个的基体端子而控制电容改变电压。
(第三实施例)
图4是示意性地示出根据本发明的第三实施例的压控振荡器的电路图。根据该实施例的压控振荡器是包括放大器的振荡器电路，所述放大器包括：形成反馈电路的反相器2和反馈电阻器1、晶体振动器3以及负载电容器。作为负载电容器，采用了第一隔DC电容器8、包括具有图1(C)中所示的第三构造的MOS晶体管6b的可变电容器、和第二隔DC电容器9。
根据该构造，MOS晶体管6b的栅极端子和源极/漏极端子之间的相位差是180°。因此，MOS变容器的电容值由于镜像效应而变为等效于该电容值的大约两倍。
在压控振荡器中，与根据本发明的第二实施例的压控振荡器相比，频率可变范围变窄了，并且从压电振动器来看的负载电容器被降低了。因此，降低了振荡电路的负电阻，并且因而能够改进压控振荡器电路的启动时间。
特别地，在该实施例中，由于MOS晶体管被配置为变容器，所以对于控制电压的频率变化能够由100ppm或更高实现，并且频率变化宽度足以执行温度补偿，且能确保外部电压频率控制。此外，由于不必增加元件的数目，所以可以减小振荡器的尺寸，从而振荡器能符合较小的晶体振动器。
在根据本发明的压控振荡器中，可以通过使用在MOS晶体管的源极/漏极端子和栅极端子之间所产生的静电电容作为可变电容器，来控制振荡频率，所述MOS晶体管中的源极端子和漏极端子短路。因此，根据本发明的压控振荡器作为用于通过电压控制而补偿温度的晶体振荡器是有用的。

Claims (9)

1.一种使用在MOS晶体管的端子之间所产生的容性成份的MOS变容器，包括：
电阻器，一端连接至基体端子、另一端接地，
其中，控制电压被施加到栅极端子，使源极/漏极端子和基体端子之间的静电电容能够变化，并且源极/漏极端子和栅极端子之间的静电电容能够变化。
2.一种使用在MOS晶体管的端子之间所产生的容性成份的MOS变容器，包括：
电容器，一端连接至基体端子、和另一端接地，
其中，控制电压被施加到栅极端子，使源极/漏极端子和基体端子之间的静电电容能够变化，并且源极/漏极端子和栅极端子之间的静电电容能够变化。
3.一种使用在MOS晶体管的端子之间所产生的容性成份的MOS变容器，包括：
电阻器，一端连接至基体端子；
可变电压源，连接至所述电阻器的另一端；以及
电容器，一端连接至基体端子、另一端接地，
其中，控制电压被施加到栅极端子，使源极/漏极端子和基体端子之间的静电电容能够变化，并且源极/漏极端子和栅极端子之间的静电电容能够变化。
4.一种压控振荡器，包括：
根据权利要求1所述的MOS变容器；
放大器，具有反相器和反馈电阻器；以及
压电振动器，具有两个端子，在所述两个端子之间连接有MOS变容器，
其中，所述MOS变容器包括第一和第二MOS晶体管，所述第一和第二MOS晶体管每个的源极/漏极端子短路，并且在所述第一和第二MOS晶体管的每个的源极/漏极端子和栅极端子之间产生静电电容，以及
所述MOS变容器的振荡频率由被输入到所述第一和第二MOS晶体管的每个的栅极端子的控制信号所控制。
5.一种压控振荡器，包括：
根据权利要求2所述的MOS变容器；
放大器，具有反相器和反馈电阻器；以及
压电振动器，具有两个端子，在所述两个端子之间连接有MOS变容器，
其中，所述MOS变容器包括第一和第二MOS晶体管，所述第一和第二MOS晶体管每个的源极/漏极端子短路，并且在所述第一和第二MOS晶体管的每个的源极/漏极端子和栅极端子之间产生静电电容，以及
所述MOS变容器的振荡频率由被输入到所述第一和第二MOS晶体管的每个的栅极端子的控制信号所控制。
6.一种压控振荡器，包括：
根据权利要求3所述的MOS变容器；
放大器，具有反相器和反馈电阻器；以及
压电振动器，具有两个端子，在所述两个端子之间连接有MOS变容器，
其中，所述MOS变容器包括第一和第二MOS晶体管，所述第一和第二MOS晶体管每个的源极/漏极端子短路，并且在所述第一和第二MOS晶体管的每个的源极/漏极端子和栅极端子之间产生静电电容，以及
所述MOS变容器的振荡频率由被输入到所述第一和第二MOS晶体管的每个的栅极端子的控制信号所控制。
7.一种压控振荡器，包括：
根据权利要求1所述的MOS变容器；
放大器，具有反相器和反馈电阻器；以及
压电振动器，具有两个端子，在所述两个端子之间连接有可变电容装置，所述可变电容装置包括MOS变容器与第一和第二隔DC电容器，
其中，所述MOS变容器包括MOS晶体管，所述MOS晶体管的每个的源极/漏极端子短路，并且在所述MOS晶体管的源极/漏极端子和栅极端子之间产生静电电容，
相位相反的振荡电压被分别施加于源极/漏极端子和栅极端子，以及
所述MOS变容器的振荡频率由被输入至所述第一和第二MOS晶体管的每个的栅极端子的控制信号所控制。
8.一种压控振荡器，包括：
根据权利要求2所述的MOS变容器；
放大器，具有反相器和反馈电阻器；以及
压电振动器，具有两个端子，在所述两个端子之间连接有可变电容装置，所述可变电容装置包括MOS变容器与第一和第二隔DC电容器，
其中，所述MOS变容器包括MOS晶体管，所述MOS晶体管的每个的源极/漏极端子短路，并且在所述MOS晶体管的源极/漏极端子和栅极端子之间产生静电电容，
相位相反的振荡电压被分别施加于源极/漏极端子和栅极端子，以及
所述MOS变容器的振荡频率由被输入至所述第一和第二MOS晶体管的每个的栅极端子的控制信号所控制。
9.一种压控振荡器，包括：
根据权利要求3所述的MOS变容器；
放大器，具有反相器和反馈电阻器；以及
压电振动器，具有两个端子，在所述两个端子之间连接有可变电容装置，所述可变电容装置包括MOS变容器和第一和第二隔DC电容器，
其中，所述MOS变容器包括MOS晶体管，所述MOS晶体管的每个的源极/漏极端子短路，并且在所述MOS晶体管的源极/漏极端子和栅极端子之间产生静电电容，
相位相反的振荡电压被分别施加于源极/漏极端子和栅极端子，以及
所述MOS变容器的振荡频率由被输入至所述第一和第二MOS晶体管的每个的栅极端子的控制信号所控制。
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