DE1564790C3

DE1564790C3 - Spannungsabhängiger Halbleiterkondensator

Info

Publication number: DE1564790C3
Application number: DE1564790A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr. Hofmeister; Karl Dr. Siebertz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-12-22
Filing date: 1966-12-22
Publication date: 1978-03-09
Also published as: CH474852A; GB1193356A; DE1564790B2; DE1564790A1; FR1562881A; SE318336B; US3506888A; NL6710921A; AT274170B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen spannungsabhängigen Halbleiterkondensator, bei dem die Kapazität durch die Raumladungszone von in Sperrichtung vorgespannten, elektrisch parallelgeschalteten pn-Übergängen gebildet wird.

Es ist bekannt, die spannungsabhängige, in der Raumladungszone eines pn-Übergangs lokalisierte Kapazität als steuerbaren Kondensator auszunutzen. Für die Anwendung solcher Kondensatoren, beispielsweise in Hochfrequenz-Tunern oder parametrischen Verstärkern, ist eine starke Abhängigkeit der Kapazität von der angelegten Spannung erwünscht.

Zur Vergrößerung der Spannungsabhängigkeit, d. h. mit anderen Worten des Kapazitätshubs, wurde bei aus der DT-AS 10 75 745 bekannten spannungsabhängigen Kondensatoren der genannten Art das Gebiet des Halbleiterkörpers, in dem der pn-Übergang mit seiner Raumladungszone lokalisiert ist, geometrisch so ausgebildet, daß die Raumladungszone bei Anwachsen der anliegenden Spannung in ein Gebiet geringeren Querschnitts hineinatmet. Da die Kapazität von in Sperrichtung betriebenen pn-Übergängen mit wachsender Sperrspannung abnimmt — dies ist ein Gesetzmäßigkeit, welche für die Kapazität eines pn-Übergangs grundsätzlich gilt — ergibt sich durch die Abnahme des Querschnitts eine weitere Kapazitätsverringerung. Das läßt sich anschaulich so erklären, daß man für den pn-Übergang ein Plattenkondensator-Modell zugrunde legt, so daß sich also durch Verringerung des Querschnitts des Gebietes der Raumladungszone eine Verkleinerung der »Plattenfläche« ergibt.

Der Vergrößerung des Kapazitätshubs durch eine derartige Maßnahme sind jedoch Grenzen gesetzt. Realisiert man beispielsweise den pn-Übergang in Form einer Mesadiode, so ergibt sich eine Querschnittsverminderung der pr^Übergangsfläche, wenigstens für eine Seite des pn-Übergangs von selbst, da sich der

ίο Querschnitt des Mesaberges nach oben verringert. Soll jedoch bei einer solchen Diode die Spannungsabhängigkeit bzw. der Kapazitätshub groß gemacht werden, so muß der Anstiegswinkel des Mesaberges klein werden. Der Herstellung von Mesa-Dioden mit kleinen An-Stiegswinkeln des Mesaberges stehen jedoch technologische Schwierigkeiten entgegen, weil nämlich die Atzung solcher Strukturen kaum möglich ist.

Aus der US-PS 3171 068 ist ein spannungsabhängiger Halbleiterkondensator bekanntgeworden, bei dem mehrere pn-Übergänge elektrisch parallel geschaltet sind.

Durch diese Parallelschaltung wird zunächst einmal eine größere Gesamtkapazität erreicht welches sich aus der Summe der Einzelkapazitäten ergibt.

Hinsichtlich des Kapazitätshubs ergibt sich jedoch

lediglich eine Abhängigkeit durch Änderung der Dielektrikumsbreite als Funktion der Spannung, weil nämlich mit zunehmender Sperrspannung die Breite der Raumladungszonen größer wird.

Eine weitere Vergrößerung des Kapazitätshubs durch zusätzliche Verkleinerung der »Plattenfläche« ist nicht vorhanden.

Es ist weiterhin auch aus dem DT-Gbm 18 51 678 allgemein die Maßnahme vorbekannt, den Kapazitätshub eines spannungsabhängigen Halbleiterkörpers durch Verkleinerung der »Plattenfläche« zu vergrößern. Bei diesem vorbekannten spannungsabhängigen Halbleiterkondensator ist nur ein einziger pn-Übergang zwischen zwei aneinandergrenzenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps vorhanden, wobei die Zonen so geformt sind, daß die Grenzfläche zwischen ihnen aus mehreren zueinander geneigten und aneinander anstoßenden ebenen Flächen besteht. Aufgrund dieser Ausgestaltung der Grenzflächen ergibt sich mit wachsender Spannung am pn-Übergang ebenfalls eine Verkleinerung der Querschnittsfläche der Raumladungszone auf wenigstens einer Seite des pn-Übergangs. Im Prinzip stimmt daher ein solcher spannungsabhängiger Halbleiterkondensator mit dem beispielsweise aus der DT-AS 10 75 745 bekannten spannungsabhängigen Halbleiterkondensator überein.

Es ist auch weiterhin bereits vorgeschlagen worden, bei der Herstellung von kapazitätsbildenden pn-Übergängen Dotierungsgradienten vorzusehen, welche die Spannungsabhängigkeit über das Spannungsabhängig-

keitsgesetz für abrupte pn-Übergänge hinaus erhöht.

Dabei ist es möglich, die gegenüber der erstgenannten Methode vorteilhafte Planartechnik anzuwenden. Es ergibt sich jedoch dabei der Nachteil, daß der Dotierungsgradient mit einer Erhöhung des Bahn-Widerstandes verbunden ist, so daß der Verlustwinkel des Kondensators verschlechtert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen spannungsabhängigen Halbleiterkondensator mit gegenüber bekannten spannungsabhängigen Halbleiterkondensatoren erhöhter Spannungsabhängigkeit der Kapazität anzugeben, wobei gleichzeitig eine technologisch einfache Herstellung möglich ist.
Bei einem spannungsabhängigen Halbleiterkonden-

sator der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehen, daß in einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps eine Vielzahl von Zonen des anderen Leitungstyps nach Art von Planarelementen rasterförmig angeordnet sind, daß der Abstand der rasterförmig angeordneten Zonen so gewählt ist, daß bei Anlegen einer Sperrspannung ein Zusammenwachsen der einzelnen Bereiche der Raumladungszonen der pn-Übergänge auftritt.

Ausgestaltungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch sind Gegenstand der Unteranspüche.

Ausführungsbeispiele zum Stande der Technik und zu der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen nach der Planartechnik hergestellten bekannten spannungsabhängigen Halbleiterkondensator,

F i g. 2 als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen spannungsabhängigen Halbleiterkondensator in Draufsicht,

F i g. 3 einen Querschnitt durch den spannungsabhängigen Halbleiterkondensator nach F i g. 2 und

F i g. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Halbleiterkörper 1 eines Leitungstyps, in dem mittels Diffusion durch eine Maske eine Zone 2 des anderen Leitungstyps erzeugt ist. Durch diese Konfiguration wird ein pn-Übergang gebildet, welcher einen zur Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 parallelen Teil 5 und einen zur Oberfläche 3 senkrechten Teil 4 aufweist. Die Zone 2 sei nun durch Diffusion durch ein quadratisches Fenster hergestellt, wobei der Teil 5 des pn-Übergangs die Breite a und der Teil 4 die Eindringtiefe b besitzt. Wird nun an diesem pn-Übergang eine Sperrspannung angelegt, so ergibt sich eine Aufweitung der Raumladungszone, welche durch eine gestrichelte Linie 6 symbolisiert ist. Dieser bekannte spannungsabhängige Halbleiterkondensator soll als Basis für einen Vergleich des Standes der Technik mit der Erfindung hinsichtlich des technischen Fortschritts dienen.

Die Gesamtfläche des pn-Übergangs, welche die Kapazität bestimmt, ergibt sich bei den angegebenen Maßen zu:

Bei der als Folge der Sperrspannung auftretenden Vergrößerung der Raumladungszone wächst die Seitenlänge um 2 Aa und die Eindringtiefe um A b. Dabei kann angenommen werden, daß Aa ungeiähr gleich Ab ist.

Befinden sich nun wie im Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig.2 und 3 (wobei Fig.2 eine Draufsicht auf den Halbleiterkondensator und F i g. 3 einen Querschnitt durch diesen zeigt) eine Vielzahl von Zonen 2 im Halbleiterkörper 1, deren Rasterabstand c

beträgt und werden die so gebildeten pn-Übergänge

elektrisch parallel geschaltet, so ergibt sich dür die

Gesamtfläche von π parallelgeschalteten pn-Übergangsf lachen:

Fon=n-(a²+4ab)

Wird nun der Rasterabstand c so gewählt, daß

c<2Aa

ist, dann verschwinden bei Anlegen der Sperrspannung die Seitenflächen der eindiffundierten Zonen. Zur Gesamtfläche tragen dann nunmehr die parallel zur Oberfläche liegenden pn-Übergangsteile bei.

Nach Verschwinden der Seitenflächen gilt dann für die Gesamtfläche:

F„=n ■ {a+2Aaf

Zur normalen Kapazitätsvariation durch Verbreiterung der Sperrschicht kommt also noch eine aus der Flächenverminderung um etwa 4 η ■ ab resultierende Kapazitätsverringerung hinzu.

Ein Ausführungsbeispiel mit Halbzylinderstruktur der durch die Zonen 2 gebildeten pn-Übergänge ist in Fig.4 im Querschnitt dargestelllt, wobei gleiche Elemente wie in den übrigen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei Parallelschaltung der

Einzel-pn-Übergänge 41 und Anlegen einer Sperrspannung wachsen die Raumladungszonen ebenfalls zusammen, wie dies durch die gesrichelte Linie 46 dargestellt ist. Auch dabei ergibt sich ersichtlich eine Verminderung der zur Kapazität beitragenden Gesamtfläche und eine daraus resultierende Vergrößerung des Kapazitätshubs der Gesamtanordnung.

Die angegebenen Strukturen sind durch an sich bekannte Maskierungs- und Diffusionstechniken, wie sie in der Planartechnik allgemein zur Anwendung kommen, herstellbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spannungsabhängiger Halbleiterkondensator, bei dem die Kapazität durch die Raumladungszone von in Sperrichtung vorgespannten, elektrisch parallelgeschalteten pn-Übergängen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleiterkörper (1) des einen Leitungstyps eine Vielzahl von Zonen (2) des anderen Leitungstyps nach Art von Planarelementen rasterförmig angeordnet sind, daß der Abstand (c) der rasterförmig angeordneten Zonen so gewählt ist, daß bei Anlegen einer Sperrspannung ein Zusammenwachsen der einzelnen Bereiche der Raumladungszonen der pn-Übergänge auftritt

2. Halbleiterkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Zonen (2) des anderen Leitungstyps ausgebildeten pn-Übergänge quadratisch ausgebildet sind.

3. Halbleiterkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Zonen (2) des anderen Leitungstyps ausgebildeten pn-Übergänge rechteckförmig ausgebildet sind.

4. Halbleiterkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Zonen (2) des anderen Leitungstyps ausgebildeten pn-Übergänge kamm- bzw. mäanderförmig ausgebildet sind.

5. Halbleiterkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Zonen (2) des anderen Leitungstyps ausgebildeten pn-Übergänge halbkugelförmig ausgebildet sind.

5. Halbleiterkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Zonen (2) des anderen Leitungstyps ausgebildeten pn-Übergänge halbzylindrisch ausgebildet sind.