DE1206527B - Elektrischer Kondensator mit spannungsabhaengiger Kapazitaet - Google Patents

Description

• Elektrischer Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazität Es ist ein Transistor zum Schalten bekannt, der einen Halbleiterkörper mit einer Zonenfolge npp+n+ bzw. pnn+p+ aufweist. Der beiderseitig hochdotierte p+n+-übergang wird dabei als Kollektorübergang in Sperrichtung betrieben.
• Es ist ferner eine Diode mit drei aufeinanderfolgenden Schichten abwechselnden Leitfähigkeitstyps zur Verstärkung von hochfrequenten Signalen bekannt, wobei der Laufzeiteffekt von injizierten Ladungsträgern ausgenutzt wird, um in einem Frequenzbereich einen negativen Widerstand und damit eine Verstärkung zu erzielen.
• Demgegenüber betrifft die vorliegende Erfindung einen elektrischen Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazität im Bereich kleiner Spannungen, bestehend aus einem Halbleiterkörper, der drei Zonen mit verschiedenartiger Störstellenleitfähigkeit aufweist, wobei die mittlere mit den beiden äußeren, hochdotierten Zonen zwei flächenhafte pn-Ubergänge bildet, von denen der eine in Flußrichtung, der andere in Sperrichtung zu betreiben ist.
• Halblditerdioden als spannungsabhängige Kapazitäten sind an sich bekannt. Sie werden z. B. zur Frequenzmodulation, parametrischen Verstärkung, Nachstimmung von Schwingkreisen u. ä. eingesetzt. Man nutzt dabei die Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität bei pn-Ubergängen von der angelegten Spannung aus.
• Das einfachste Beispiel eines elektrischen Kondensators mit spannungsabhängiger Kapazität ist eine gewöhnliche Diode, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist. Sie weist einen pn-Ubergang auf, der aus einer hochdotierten Zone des einen Leitfähigkeitstyps und einer normal dotierten Zone des anderen Leitfähigkeitstyps besteht. Unter hochdotiert soll eine Dotierung etwa im Bereich einer Zenerpotenz unter bis nahe derjenigen der Entartungskonzentration verstanden werden. Sie wird wie üblich mit einem hochgesetzten Plus-Zeichen zum Typ gekennzeichnet (p+ oder n+). Die Abhängigkeit der Kapazität von der Spannung ist durch die Kurve 1 in F i g. 4 dargestellt. Die Verwendung derartiger Dioden als spannungsabhängige Kapazitäten ist dadurch begrenzt, daß eine gewisse Sperrspannung nicht unterschritten werden darf, um zu verhindern, daß die Diode bei Anlegung einer Steuerspannung im gleichspannungsmäßig vorgespannten Arbeitspunkt in den Flußbereich kommt, in dem sie sehr schnell einen sehr kleinen Widerstand zeigt. Ein derartiger kleiner Widerstand im Flußgebiet würde für viele Anwendungsgebiete nicht tragbar sein. Andererseits ist es jedoch wünschenswert, gerade im Bereich kleiner Sperrspannungen zu arbeiten, da sich dort die Übergangskapazität besonders stark mit der Sperrspannung ändert, wie Kurve 1 in F i g. 4 zeigt.
• Dieser Nachteil kann durch einen anderen bekannten Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazität, wie in F i g. 2 dargestellt ist, vermieden werden. Die dort gezeigte Halbleiteranordnung zeigt eine p+np+- bzw. n+pn+-Struktur. Der Kapazitätsverlauf in Abhängigkeit von der angelegten Spannung für ein derart aufgebautes Bauelement ist in Kurve 2 der F i g. 4 dargestellt. Wegen der symmetrischen Ausbildung der Kennlinie besteht zwar nicht die Gefahr, daß bei Verwendung von geringen Sperrspannungen die Diode in den Flußbereich kommt, andererseits ist jedoch die Steilheit und damit die Kapazitätsänderung pro Spannungsänderung wegen der Reihenschaltung zweier Kapazitäten wesentlich geringer als bei der Anordnung nach F i g. 1. Es ist aber bei spannungsabhängigen Kapazitäten oft gerade wünschenswert, daß möglichst kleine Spannungsänderungen möglichst große Kapazitätsänderungen verursachen.
• Der elektrische Kondensator nach der Erfindung vermeidet die Nachteile der beiden zuletzt genannten Anordnungen und vereint ihre Vorteile. Erfindungsgemäß zeichnet er sich dadurch aus, daß die mittlere Zone an den in Flußrichtung zu betreibenden pn-Ubergang angrenzend einen hochdotierten, nahezu entarteten Bereich und an den in Sperrichtung zu betreibenden pn-Ubergang angrenzend einen schwachdotierten Bereich aufweist.
• Die Erfindung geht von der bekannten Tatsache aus, daß sich bei Halbleiteranordnungen mit zwei pn-Ubergängen, von denen der eine in Sperrichtung und der andere in Flußrichtung gepolt ist, im Betrieb im wesentlichen die Kapazität des in Sperrichtung gepolten pn-Uberganges mit der Spannung ändert. Es handelt sich also um zwei hintereinandergeschaltete Kapazitäten C, und C2, von denen sich z. B. die Kapazität C2 mit der Spannung ändert. Nach der bekannten Beziehung für hintereinandergeschaltete Kapazitäten beträgt die Gesamtkapazität Die relative Änderung der Gesamtkapazität beträgt demnach Wenn nun die beiden pn-Ubergänge bezüglich ihrer die Kapazitäten bestimmenden Eigenschaften gleichartig aufgebaut sind, so ist unter der Voraussetzung geringer Spannungen C, ungefähr gleich C2. Daraus folgt für die relative Änderung der Gesamtkapazität Diese Verhältnisse treffen für die in F i g. 2 dargestellte bekannte Anordnung zu, wodurch die geringere Steilheit gegenüber der einfachen Anordnung in F i g. 1 erklärt ist. Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß das Verhältnis von - wesentlich günstiger wird, wenn man die Anordnung nicht symmetrisch ausbildet, sondern die veränderliche Kapazität des in Sperrichtung betriebenen pn-Uberganges gegenüber der im wesentlichen konstanten Kapazität des in Flußrichtung gepolten pn-Uberganges erheblich kleiner ausbildet.
• Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in F i g. 3 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert-F i g. 3 stellt einen Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazität im Bereich kleiner Spannungen gemäß der Erfindung dar. Es handelt sich dabei entweder um eine Halbleiteranordnung mit einer p+nn+p+-Schichtenfolge oder einer n-lpp+n+-Schichtenfolge mit der jeweils eingezeichneten Polung. Bei der oberen Ausführungsform wird der p+n-Ubergang in Sperrichtung und der n+p+-Ubergang in Durchlaßrichtung betrieben. Durch Verwendung von hochdotiertem Material (n+, p+) bei dem in Flußrichtung betriebenen pn-Ubergang wird die Ausdehnung der Raumladungszone verringert und damit die Kapazität dieses Uberganges vergrößert. Bei dem unteren Ausführungsbeispiel der F i g. 3 ist der n+p-Ubergang in Sperrichtung gepolt und der p+n+-Ubergang in Durchlaßriehtung. Auch in diesem Fall wird der in Durchlaßrichtung gepolte pn-Ubergang durch zwei hochdotierte Schichten begrenzt, so daß dessen Kapazität sehr groß wird. Bei einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung besteht also die Mittelzone zwischen den beiden pn-Ubergängen aus zwei unterschiedlich dotierten Teilen, von denen der eine nahezu entartet ist. Der niedrig dotierte Teil muß dabei zu dem in Sperrichtung gepolten pn-Ubergang gehören, wodurch dessen Kapazität niedrig gehalten wird, und der hochdotierte Teil zu dem in Durchlaßrichtung gepolten pn-Ubergang, dessen Kapazität vergrößert wird.
• Ein solcher gemäß der Erfindung aufgebauter Kondensator besitzt eine Kapazitätskennlinie, wie sie in Kurve 3 der F i g. 4 dargestellt ist. Diese Kennlinie weist in dem einen Teil eine wesentlich bessere Steilheit auf (s. Gleichung 2) als die Kennlinie der vollkommen symmetrischen Anordnung der F i g. 2, während der andere Teil der Kennlinie in der Nähe des Nullpunktes praktisch waagerecht verläuft. Da für die gewünschten Anwendungszwecke jeweils nur ein Zweig der Kurve verwendet wird, ist die Steilheit des anderen Teils der Kurve ohne Bedeutung. Trotzdem ist bei kleinen Spannungen der Strom begrenzt.
• Die Herstellung derartiger Kondensatoren kann nach an sich bekannten Verfahren durchgeführt werden. Man kann z. B. in einem Halbleiterkristall durch Diffusion beiderseitig eine hochdotierte Oberflächenschicht des gleichen Leitfähigkeitstyps erzeugen, das diffundierte Kristälichen einseitig abätzen oder abläppen und anschließend beiderseitig eine hochdotierte Oberflächenschicht des anderen Leitfähigkeitstyps durch Legieren oder durch Diffusion herstellen.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Elektrischer Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazität im Bereich kleiner Spannungen, bestehend aus einem Halbleiterkörper, der drei Zonen mit verschiedenartiger Störstellenleitfähigkeit aufweist, wobei die mittlere mit den beiden äußeren, hochdotierten Zonen zwei flächenhafte pn-Ubergänge bildet, von denen der eine in Flußrichtung, der andere in Sperrichtung zu betreiben ist, dadurch gekennzeichn e t, daß die mittlere Zone an den in Flußrichtung zu betreibenden pn-Ubergang angrenzend einen hofdotierten, nahezu entarteten Bereich und an den in Sperrichtung zu betreibenden pn-Ubergang angrenzend einen schwach dotierten Bereich aufweist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1089 073; USA.-Patentschrift Nr. 2 794 917; »Proc. of the IRE«, 48 (1960), 2, S. 253 bis 255.