DE10222764A1

DE10222764A1 - Halbleitervaraktor und damit aufgebauter Schwingkreis

Info

Publication number: DE10222764A1
Application number: DE2002122764
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Winkler; Karl-Ernst Ehwald
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: DE10222764B4; WO2003098701A1

Abstract

Der erfindungsgemäße Halbleitervaraktor umfasst eine erste spannungsgesteuerte Kapazität (103, 107) und eine zweite, mit der ersten in Reihe geschaltete spannungsgesteuerte Kapazität (103, 109). Die beiden spannungsgesteuerten Kapazitäten wiederum umfassen jeweils eine Signalelektrode (107, 109) und einen gemeinsamen Halbleiterbereich (103), über den die spannungsgesteuerten Kapazitäten in Reihe geschaltet sind. DOLLAR A Die Reihenschaltung der spannungsgesteuerten Kapazitäten ermöglicht es, die Signalelektroden (107, 109) mit geringem Abstand voneinander anzuordnen und somit den Signalpfad insgesamt zu verkürzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleitervaraktor, und einen damit aufgebauten Oszillator, insbesondere für die Anwendung in Hochfrequenzschaltungen.
Ein Varaktor ist ein spannungsgesteuerter Kondensator, in dem die Kapazität zwischen zwei Kondensatorelektroden durch den Wert einer angelegten Gleichspannung einstellbar ist. Ein einfach aufgebauter Varaktor lässt sich beispielsweise durch eine Diode realisieren. Eine Diode ist typischerweise aus einem N-leitenden Halbleitermaterial, das heißt, einem Halbleitermaterial in welchem Elektronen als Ladungsträger vorliegen, und einem P- leitenden Halbleitermaterial, einem Halbleitermaterial mit Löchern als Ladungsträgern, aufgebaut. Man spricht von einem Loch, wenn einem Atom ein Elektron fehlt. Die Ladung des Loches ist aufgrund der fehlenden negativen Ladung des Elektrons positiv. Löcher können sich im Halbleiter fortbewegen, indem das fehlende Elektron eines Atoms durch ein Elektron eines Nachbaratoms ersetzt wird, wodurch dann dem Nachbaratom ein E- lektron fehlt, sich das Loch also zum Nachbaratom bewegt hat.
Am Übergang zwischen dem N-leitenden und dem P-leitenden Material, dem PN-Übergang, diffundieren Elektronen aus dem N-leitenden Material in das P-leitende Material und Löcher aus dem P-leitenden Material in das N-leitende Material. Dadurch entsteht am Übergang eine an Ladungsträgern verarmte Zone, die sogenannte Verarmungszone, die auf Seiten des P-leitenden Materials eine negative Ladung (durch die Diffusion der Löcher wird positive Ladung aus dem an sich elektrisch neutralen P-leitenden Material entfernt) und auf Seiten des N-leitenden Materials eine positive Ladung (durch die Diffusion der Elektronen wird negative Ladung aus dem an sich elektrisch neutralen N-leitenden Material entfernt) aufweist. Der PN- Übergang stellt daher einen Speicher für getrennte Ladungen, d. h. einen Kondensator, dar. Die Kapazität des Kondensators hängt dabei von der Weite der Verarmungszone ab.
Wird nun eine äußere Gleichspannung derart an die Diode angelegt, dass weitere Elektronen aus dem N-leitenden Material in das P-leitende Material und weitere Löcher aus dem P-leitenden Material in das N-leitende Material verschoben werden, so erweitert dies die Verarmungszone. Wird die angelegte äußere Spannung umgekehrt, so wirkt die Spannung der Diffusion der Elektronen aus dem N-leitenden Material in das P-leitende Material bzw. der Löcher aus dem P-leitenden Material in das N-leitende Material entgegen und verengt so die Verarmungszone. Auf diese Weise lässt sich die Weite der Verarmungszone und damit die Kapazität des PN-Übergangs durch Anlegen einer äußeren Gleichspannung variieren.
Varaktoren lassen sich statt in Form von PN-Übergängen auch als MOS- Bausteine (Metal-Oxide-Semiconductor, Metalloxidhalbleiter) realisieren. In solchen MOS-Bausteinen ist zwischen einer Gate-Elektrode, die als eine erste Kondensatorelektrode dient, und einem dotierten Halbleiterbereich (d. h. einem mit Fremdatomen, die zu N-Leitung oder zu P-Leitung des Halbleitermaterials führen (N-Dotierung bzw. P-Dotierung), versehener Halbleiterbereich), der als eine zweite Kondensatorelektrode dient, ein Dielektrikum angeordnet. Auch in diesem Fall lässt sich durch Anlegen einer Gleichspannung die Kapazität des Kondensators variieren, wie nachfolgend beschrieben wird.
In Fig. 1 zeigt einen MOS-Varaktor nach Stand der Technik, wie er beispielsweise in US 6100770 beschrieben ist. Der MOS-Varaktor umfasst eine Gate-Elektrode 1 als erste Kondensatorelektrode und einen N- leitenden Halbleiterbereich 3, im folgenden kurz N-Wanne 3 genannt, der in einem P-leitenden Substrat 5 gebildet ist und die zweite Kondensatorelektrode darstellt. Zwischen der Gate-Elektrode 1 und der Wanne 3 ist ein Dielektrikum 6, beispielsweise eine Oxidschicht, angeordnet. In der N-Wanne 3 sind zwei weitere, parallel geschaltete und hoch N-dotierte (N⁺-dotierte) Halbleitergebiete, nämlich die Source/Drain-Gebiete 7 und 9 gebildet, die einen gemeinsamen Anschluss 11 aufweisen. Der gemeinsame Anschluss 11 dient als Signalelektrode für die aus der N-Wanne 3 gebildete Kondensatorelektrode. Der Signalanschluss der Gate-Eelektrode 1 als der anderen Kondensatorelektrode ist in Fig. 1 nicht dargestellt.
In Fig. 2 ist die Funktionsweise des Varaktors nach Stand der Technik dargestellt. Zuerst einmal bildet die Gate-Elektrode 1 zusammen mit der N- Wanne 3 und dem Dielektrikum 6 einen konventionellen Kondensator. Wird an die Gate-Elektrode 1 ein konstantes Potential angelegt, das negativer als ein an den N⁺-Bereichen angelegtes konstantes Potential ist, so lädt sich die Gate-Elektrode 1 negativ und die N-Wanne 3 positiv auf. Die Aufladung der N-Wanne 3 erfolgt dabei dadurch, dass Elektronen aus dem Bereich der N-Wanne 3 unterhalb der Gate-Elektrode 1 weggedrückt werden, so dass an eine an Ladungsträgern verarmte Schicht 13 (Verarmungszone) entsteht. Diese Verarmungszone erzeugt zusätzlich zu der konventionellen Kapazität eine weitere Kapazität, die "Verarmungskapazität", deren Wert von der Weite der Verarmungszone 13 abhängt. Je negativer die Gate-Elektrode 1 gegenüber der N-Wanne 3 ist, desto größer ist diese Weite und um so kleiner die Verarmungskapazität. Auf diese Weise lässt sich durch die Potentialdifferenz, d. h. durch die zwischen der Gate- Elektrode 1 und der N-Wanne 3 angelegte Spannung, die Kapazität des Varaktors einstellen.
Im Varaktor nach Stand der Technik (siehe Fig. 1) werden, wie bereits weiter oben beschrieben, die parallel geschalteten N⁺-Bereiche 7, 9 über einen Anschluss 11 aus Metall kontaktiert. Die Kontaktierung der Gate-Elektrode 1 durch eine metallische Leiterbahn erfolgt außerhalb des aktiven Gate- Bereiches, was in Fig. 1 nicht zu erkennen ist. Gründe hierfür sind, dass in den meisten Halbleitertechnologien ein Kontakt im Gate-Bereich nicht möglich ist und dass das Metall der Leiterbahnen des Anschlusses 11 für die N⁺-Bereiche 7, 9 über der Gate-Elektrode 1 liegt. Der Signalpfad des Varaktors verläuft über zwei parallele Zweige von der Gate-Elektrode 1 über die N⁺-Bereiche 7 bzw. 9.
Zwischen der Gate-Elektrode 1 und dem gemeinsamen Anschluss 11 der N⁺-Bereiche 7, 9 ergeben sich dadurch parasitäre Kapazitäten 15a, 15b, welche die Leistungsfähigkeit des Bauelements beeinträchtigen, insbesondere dessen Selbstresonanzfrequenz verringern. Außerdem besitzt der Varaktor auf Grund des langen Weges vom Leiterbahnanschluss der Gate- Elektrode 1 zum aktiven Bereich der Gate-Elektrode einen hohen Widerstand.
Eine wichtige Kenngröße, die für den Einsatz eines Varaktors in einem spannungsgesteuerten Oszillator von Bedeutung ist, ist seine Güte. Die Güte eines Varaktors ist definiert als der Quotient aus dem Betrag des Imaginärteils und des Realteils seiner frequenzabhängigen Impedanz. In den Frequenzbereichen, in denen der spannungsgesteuerte Oszillator betrieben werden soll, soll der Varaktor eine möglichst hohe Güte aufweisen.
Varaktoren nach Stand der Technik besitzen ein Gütemaximum unterhalb etwa 5 GHz. Für Anwendungen, die in den für den allgemeinen industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Gebrauch reservierten Frequenzbändern, im folgenden kurz ISM-Bänder genannt (ISM, Industrial, Scientific, Medical), vorgesehen sind, werden jedoch spannungsgesteuerte Oszillatoren mit Schwingungsfrequenzen bis zu 23 GHz bzw. 61,5 GHz benötigt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Varaktor zur Verfügung zu stellen, der insbesondere bei hohen Frequenzen eine hohe Güte aufweist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen spannungsgesteuerten Oszillator zur Verfügung zu stellen, der insbesondere für hochfrequente Schwingungen geeignet ist.
Die Ziele der Erfindung werden durch einen Varaktor nach Anspruch 1 bzw. einen spannungsgesteuerten Oszillator nach Anspruch 12 erreicht. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Halbleitervaraktor umfasst eine erste spannungsgesteuerten Kapazität und eine zweite, mit der ersten in Reihe geschaltete spannungsgesteuerte Kapazität. Die beiden spannungsgesteuerten Kapazitäten wiederum umfassen jeweils eine Signalelektrode und einen gemeinsamen Halbleiterbereich, über den die spannungsgesteuerten Kapazitäten in Reihe geschaltet sind.
Die Reihenschaltung der spannungsgesteuerten Kapazitäten ermöglicht es, die Signalelektroden mit geringem Abstand voneinander anzuordnen und somit den Signalpfad insgesamt zu verkürzen. Da keine parallelen Signalpfade wie im Stand der Technik vorhanden sind, entfällt mit der erfindungsgemäßen Anordnung die in der Mitte zwischen den Signalpfadzweigen angeordnete, beiden Zweigen gemeinsame Elektrode, die ein Verringern des Abstandes verhindern. Mit der Verkürzung des Signalpfades lässt sich im erfindungsgemäßen Varaktor der Widerstand des Signalpfades und somit insbesondere bei niederohmigen äußeren Anschlüssen die Güte des Varaktors erhöhen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Halbleitervaraktors ist der Halbleiterbereich als Steuerelektrode mit einem Steueranschluss ausgestaltet. Der Steueranschluss ermöglicht es, den Signalpfad vom Steuerpfad des Varaktors zu trennen. Vorteilhafterweise ist der Steueranschluss von den Signalanschlüssen entfernt angeordnet, so dass er der Verringerung des Abstandes der Signalelektroden nicht entgegensteht.
In einer weiteren Ausgestaltung des Halbleitervaraktors sind die Signalelektroden lateral mit minimalem Abstand voneinander angeordnet. Der minimale Abstand, der erzielbar ist, bestimmt sich dabei aus der zur Herstellung des Varaktors verwendeten Technologie. Mit dem minimalen Abstand zwischen den Signalelektroden lässt sich ein Signalpfad mit sehr geringem Widerstand realisieren.
Der Halbleitervaraktor ist vorzugsweise lateral symmetrisch aufgebaut. Dadurch kann er ohne zusätzlichen Aufwand in symmetrische Oszillatoren eingebaut werden, ohne deren Symmetrie zu beeinträchtigen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Halbleitervaraktors beinhaltet, dass die Signalelektroden miteinander verzahnt ausgebildet sind. Durch das Verzahnen lässt sich ohne Vergrößerung der für die Kapazität des Varaktors relevanten Fläche die Querschnittsfläche des Signalpfades vergrößern, insbesondere dann, wenn die Verzahnung fraktal ausgebildet ist.
Um die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Kapazitätswert, den sog. Kapazitätshub, des Halbleitervaraktors möglichst groß zu halten, kann im Oberflächebereich des Halbleiterbereiches am Rand der Signalelektroden eine P-dotierte Saugelektrode zum Absaugen von Löchern vorhanden sein.
Der Halbleiterbereich des Halbleitervaraktors ist in einer weiteren Ausgestaltung als Wanne, insbesondere als N-dotierte Wanne, in einem Substrat, insbesondere in einem P-dotierten Substrat, ausgebildet, was die Integration der Herstellung des Halbleitenvaraktors in gängige CMOS- Fertigungsprozesse vereinfacht.
Die Kapazitäten des Halbleitervaraktors können insbesondere als PN- Übergänge oder als MOS-Kapazitäten ausgebildet sein. Unter einer MOS- Kapazität soll hierbei eine Kapazität verstanden werden, in der zwischen einer Halbleiterschicht und einer metallischen oder halbleitenden Schicht ein Dielektrikum, z. B. eine Oxidschicht oder eine andere isolierende Schicht, angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Oszillator (Schwingkreis) umfasst einen erfindungsgemäßen Halbleitervaraktor. Durch das Realisieren des Oszillators mit dem erfindungsgemäßen Halbleitervaraktor lässt sich die Güte des Oszillators aufgrund der verbesserten Eigenschaften des Varaktors insbesondere bei hohen Schwingungsfrequenzen verbessern.
Durch das direkte Verbinden der Signalelektroden des erfindungsgemäßen Varaktors mit einer oder mehreren Induktivitäten des Oszillators lässt sich die Güte des Oszillators weiter steigern.
Nachfolgend werden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die beiliegenden Figuren weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Varaktor nach Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus Fig. 1 zum Erläutern der Funktionsweise des Varaktors.
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für den in Fig. 1 dargestellten Varaktor, in dem die parasitären Komponenten eingezeichnet sind.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varaktors im vertikalen Schnitt.
Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf den in Fig. 4 dargestellten Varaktor.
Fig. 6 zeigt die Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Varaktor.
Fig. 7 zeigt die Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Varaktor.
Fig. 8 zeigt einen Schwingkreis mit einem erfindungsgemäßen Varaktor.
In Fig. 3 ist zum Veranschaulichen der parasitären Elemente ein Ersatzschaltbild für einen Varaktor nach Stand der Technik dargestellt. Die Kapazität des Varaktors ist zum einen durch die mittels des Dielektrikums 6 (siehe Fig. 1) gebildete konventionelle Kapazität 21 und zum anderen durch die Kapazität 23 der Verarmungsschicht 13 (Verarmungskapazität) bestimmt (siehe Fig. 2). Im Ersatzschaltbild ist beispielhaft der Zweig des Signalpfades, der sich zwischen dem Gate 1 und dem N⁺-Bereich 7 erstreckt, dargestellt. Das gleiche Ersatzschaltbild würde sich jedoch auch für den sich zwischen dem Gate 1 und dem N⁺-Bereich 9 erstreckenden Zweig ergeben.
Die Gate-Elektrode 1 und der N⁺-Bereich 7 weisen einen parasitären Gate- Widerstand 25 bzw. einen parasitären Kanalwiderstand 27 auf. Der parasitäre Gate-Widerstand rührt, wie bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, von der langen Strecke zwischen dem aktiven Gate-Bereich und dem Metallkontakt der Gate-Elektrode 1 her. Der parasitäre Kanalwiderstand ergibt sich aus dem Abstand zwischen den beiden N⁺-Bereichen 7, 9. Prinzipiell könnte dieser Abstand verringert werden, jedoch nur, wenn auch die Breite des Gates entsprechend verringert wird. Eine Verringerung der Gate-Breite führt jedoch zu einer Erhöhung des Gate-Widerstandes 25, so dass eine nennenswerte Verringerung des gesamten parasitären Widerstandes nicht möglich ist.
Zwischen der Gate-Elektrode 1 und dem gemeinsamen Anschluss 11 der N⁺-Gebiete 7, 9, der die Gate-Elektrode 1 zu einem großen Teil umgibt (siehe Fig. 1), wirkt eine parasitäre Kapazität 29. Da der gemeinsame Anschluss 11 in der Nähe der Gate-Elektrode 1 und nicht im Bereich des Anschlusses der Gate-Elektrode 1 vorhanden ist, greift die parasitäre Kapazität 29 im Ersatzschaltbild zwischen dem parasitären Gate-Widerstand 25 und der konventionellen Kapazität 21 an. Die parasitäre Kapazität 29 liegt damit parallel zu der Serienschaltung aus der konventionellen Kapazität 21, der Verarmungskapazität 23 und dem Kanalwiderstand 27. Weil die parasitäre Kapazität 29 aber konstant ist, schränkt sie den Kapazitätshub ein.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Varaktor. Der Varaktor umfasst eine in einem P-dotierten Substrat 101 gebildete N- dotierte Wanne 103. Lateral ist die N-dotierte Wanne 103 durch Feldisolationsgebiete, beispielsweise aus Siliziumoxid (SiO₂), begrenzt. Das von der Feldisolation 104 umgebene Gebiet stellt das aktive Varaktorgebiet dar. Über dem aktiven Varaktorgebiet befindet sich eine Isolationsschicht 105 (Dielektrikum), die beispielsweise aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid besteht. Es sind jedoch auch andere Materialien als Isolatormaterialien möglich, beispielsweise Praseodymoxid (Pr₂O₃). Die Isolationsschicht 105 trennt eine erste Gate-Elektrode 107 und eine zweite Gate-Elektrode 109 von der N-Wanne 103. Die erste Gate-Elektrode 107 und die zweite Gate- Elektrode 109 weisen einen ersten Signalanschluss 111 bzw. einen zweiten Signalanschluss 113 auf. Der Signalpfad des Varaktors verläuft dementsprechend von einer der Gate-Elektroden ausgehend durch die N- Wanne 103 zur anderen Gate-Elektrode. Daneben weist der erfindungsgemäße Varaktor einen in Fig. 4 nicht dargestellten Steueranschluss auf, der direkt mit der N-Wanne 103 verbunden ist und über den die N-Wanne 103 auf ein vorbestimmtes Potential gelegt werden kann, so dass zwischen der N-Wanne 103 und den Gate-Elektroden 107, 109 eine Vorspannung anliegt. Durch die geeignete Wahl der Vorspannung lässt sich in der N- Wanne 103 unterhalb der Gate-Elektroden 107 bzw. 109 eine Verarmungszone bilden, deren Ausdehnung den Wert der steuerbaren Kapazität bestimmt und die durch den Wert der Vorspannung einstellbar ist. Die Verarmungszonen sind in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet.
Der erfindungsgemäße Varaktor kann außerdem eine P⁺-dotierte Saugelektrode (in Fig. 4 nicht dargestellt) zum Absaugen von Löchern im Oberflächenbereich der N-Wanne 103 am Rand der beiden Gate-Elektroden 107, 109 aufweisen. Mit dieser P⁺-dotierten Saugelektrode kann sichergestellt werden, dass sich an der Oberfläche der Verarmungszone keine Löcher ansammeln, die den Kapazitätshub einschränken könnten. Es können auch beide Gate-Elektroden 107, 109 jeweils mit einer eigenen Saugelektrode versehen sein.
Im erfindungsgemäßen Varaktor sind zwei steuerbare Kapazitäten in Reihe geschaltet. Die erste steuerbare Kapazität ist zwischen der N-Wanne 103 und der ersten Gate-Elektrode 107 ausgebildet, wohingegen die zweite steuerbare Kapazität zwischen der N-Wanne 103 und der zweiten Gate- Elektrode 109 ausgebildet ist. Der Steuerpfad zum Steuern der Kapazität, d. h. zum Anlegen einer Vorspannung, ist hingegen direkt an die N-Wanne 103 gekoppelt.
Der erfindungsgemäße Aufbau des Varaktors ermöglicht es, die beiden Gate-Elektroden 107, 109 mit minimalem lateralen Abstand voneinander auszubilden, wodurch der durch die N-Wanne 103 verlaufende Anteil des Signalpfades gegenüber einem Varaktor nach Stand der Technik verkürzt werden kann. Die Verkürzung des Signalpfades verringert dabei den parasitären Kanalwiderstand. Mittels einer N⁺-dotierten Halbleiterzone 115, die sich in der N-Wanne 103 im Bereich zwischen den Gate-Elektroden 107 und 109 befindet, lässt sich der Kanalwiderstand weiter verringern.
Trotz der Verkürzung des durch die N-Wanne 103 verlaufenden Teils des Signalpfades müssen die Gate-Elektroden 107 und 109 in ihrer lateralen Ausdehnung nicht verringert werden. Tatsächlich können sie durch die Verringerung des Abstandes zwischen den Gate-Elektroden sogar etwas vergrößert werden. Dadurch lässt sich bei geringem parasitären Kanalwiderstand auch gleichzeitig ein geringer parasitärer Gate-Widerstand erzeugen, so dass der gesamte parasitäre Widerstand im Signalpfad äußerst gering ist.
Da der Signalpfad vom Steuerpfad vollständig entkoppelt ist, d. h., zum Zuführen der Steuerspannung wird nicht der Signalpfad benutzt, lässt sich der erfindungsgemäße Varaktor derart aufbauen, dass über den Gate- Elektroden 107, 109 keine elektrischen Leiterbahnen verlaufen, die auf einem anderen Potential als die Gate-Elektroden liegen. Damit lässt sich die parasitäre Kapazität des Varaktors deutlich verringern.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varaktors. In Fig. 5 sind die erste Gate- Elektrode 107 und die zweite Gate-Elektrode 109 sowie die zugehörigen Signalanschlüsse 111, 113 zu erkennen. Die Gate-Elektroden sind dabei jeweils durch eine Vielzahl von Kontaktpunkten 112, 114 kontaktiert. Die Kontaktpunkte 112, 114 können sich im aktiven Varaktorgebiet befinden oder auch im Gebiet der Feldisolation 104. Unterhalb der Gate-Elektroden 107, 109 befindet sich die N-Wanne 103, die von der Feldisolation 104 umgeben ist. Die laterale Abmessung der Feldisolation 104 ist schraffiert angedeutet. In einem Abstand von den Gate-Elektroden 107 und 109 befindet sich der Steueranschluss 117, über den der N-Wanne 103 ein Steuerpotential zugeführt werden kann, das zur Ausbildung der Steuer-Gleichspannung zwischen der N-Wanne 103 und den Gate-Elektroden 107, 109 führt.
Der minimale Abstand zwischen den Gate-Elektroden 107, 109 ergibt sich aus der lateralen Auflösung der jeweiligen Herstellungstechnologie und liegt bei modernen Halbleitertechnologien bei 0,25 µm und darunter. Als besonders vorteilhaft soll an dieser Stelle noch einmal erwähnt werden, dass der Steueranschluss 117 nicht im Signalpfad zu liegen braucht, so dass zwischen den beiden Signalelektroden, die im erfindungsgemäßen Varaktor durch die beiden Gate-Elektroden 107, 109 gebildet sind, kein Kontakt für die Steuerspannung angebracht werden muss. Mit einem Kontakt zwischen den beiden Gate-Elektroden 107, 109 wäre es nicht möglich, den minimalen Abstand zwischen den Gate-Elektroden zu erreichen.
Mit dem erfindungsgemäßen Varaktor lassen sich auch bei sehr hohen Frequenzen von über 50 GHz akzeptable Werte für die Güte erreichen. Damit wird es möglich, integrierte spannungsgesteuerte Oszillatoren in Silizium-basierter Technologie in dem genannten Frequenzbereich zu realisieren. Bei niedrigeren Arbeitsfrequenzen werden die Parameter eines mit dem erfindungsgemäßen Varaktor aufgebauten spannungsgesteuerten Oszillators gegenüber einem mit einem Varaktor nach Stand der Technik aufgebauten spannungsgesteuerten Oszillator verbessert. Dies führt insbesondere zu einem verringerten Phasenrauschen.
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Varaktors ist in Draufsicht in Fig. 6 dargestellt. Diejenigen Elemente des Varaktors, die mit denen im ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im folgenden wird nur auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
Im Unterschied zum im ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Varaktor sind die Gate-Elektroden 107a, 109a im zweiten Ausführungsbeispiel verzahnt ausgebildet. Die Zähne der Gate-Elektroden greifen dabei wechselseitig ineinander, so dass ein mäanderförmiger Spalt zwischen den beiden Elektroden verbleibt. Auf diese Weise lässt sich die Länge des Kanalbereiches gegenüber dem im ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Varaktor verlängern. Da der Strom zwischen den beiden Gate-Elektroden im wesentlichen nur über die Breite des Kanalbereichs fließen muss, lässt sich durch die Verlängerung des Kanalbereichs die für den Stromfluss zur Verfügung stehende Querschnittsfläche vergrößern und somit der parasitäre Kanalwiderstand weiter verringern.
Die Länge des Kanalbereiches lässt dich durch eine fraktale Geometrie der Gate-Elektroden 107b und 109b (siehe Fig. 7) weiter vergrößern, so dass der parasitäre Kanalwiderstand noch weiter verringert werden kann. Die Kontaktierung der fraktalen Gate-Elektroden erfolgt vorzugsweise derart, dass der Weg, den der Strom von der Kontaktierung in die entferntesten Bereiche der fraktalen Elektrode nehmen muss, minimal ist.
Obwohl der erfindungsgemäße Varaktor im Ausführungsbeispiel mit MOS- Kapazitäten aufgebaut ist, kann die Erfindung auch als Varaktor mit PN- Übergängen als Kapazitäten ausgebildet sein.
Fig. 8 stellt eine Schaltskizze für ein erfindungsgemäßen Schwingkreis mit einem erfindungsgemäßen Varaktor 200 dar.
Der Abschnitt zwischen den beiden dargestellten Kondensatoren 202 und 204 repräsentiert die N-Wanne 103, die mit einem Steueranschluss 206 verbunden ist. Die beiden äußeren Kondensatorplatten der Kondensatoren 202 und 204 stellen die Gate-Elektroden 107, 109 aus Fig. 4 dar. Sie sind mit einer Induktivität 208 verbunden, die zusammen mit dem Varaktor 200den Schwingkreis bildet. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises hängt sowohl vom Wert der Induktivität 208 als auch von der Kapazität des Varaktors ab. Die Güte des Schwingkreises wird vor allem durch seinen ohmschen Widerstand bestimmt.
Durch Steuern der Kapazität des Varaktors 200, indem über den Steueranschluss 206 ein bestimmtes Potential angelegt wird, lässt sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises einstellen.
Wegen der größeren Güte des Varaktors gegenüber Varaktoren nach Stand der Technik kann die Resonanzfrequenz zu höheren Frequenzen hin verschoben werden, so dass sich mit einem erfindungsgemäßen Varaktor aufgebaute Schwingkreise auch bei sehr hohen Frequenzen von über 50 GHz akzeptabel einsetzen lassen.

Claims

1. Halbleitervaraktor umfassend eine erste spannungsgesteuerte Kapazität (103, 107) und eine zweite, mit der ersten in Reihe geschaltete spannungsgesteuerte Kapazität (103, 109), wobei die beiden spannungsgesteuerten Kapazitäten jeweils eine Signalelektrode (107, 109) und einen gemeinsamen Halbleiterbereich (103) umfassen.

2. Halbleitervaraktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterbereich (103) als Steuerelektrode mit einem Steueranschluss (117) ausgestaltet ist.

3. Halbleitervaraktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steueranschluss (117) von den Signalelektroden (107, 109) entfernt angeordnet ist.

4. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektroden (107, 109) lateral mit minimalem Abstand voneinander angeordnet sind.

5. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er lateral symmetrisch aufgebaut ist.

6. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektroden (107a, 109a; 107b, 109b) miteinander Verzahnt ausgebildet sind.

7. Halbleitervaraktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung fraktal ausgebildet ist.

8. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberflächebereich des Halbleiterbereiches (103) am Rand der Signalelektroden (107, 109) eine P-dotierte Saugelektrode zum Absaugen von Löchern vorhanden ist.

9. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterbereich (103) als Wanne in einem Substrat (101) ausgebildet ist.

10. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsgesteuerten Kapazitäten als PN- Übergänge ausgebildet sind.

11. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsgesteuerten Kapazitäten als MOS-Kapazitäten ausgebildet sind.

12. Oszillator mit einem Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Oszillator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektroden (202, 204) des Varaktors (200) direkt mit einer oder mehreren Induktivitäten (208) verbunden sind.