DE2303205B2

DE2303205B2 - Halbleiterkondensator

Info

Publication number: DE2303205B2
Application number: DE19732303205
Authority: DE
Inventors: Jurij Stepanovitsch Akimov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-01-23
Filing date: 1973-01-23
Publication date: 1978-07-27
Also published as: DE2303205C3; DE2303205A1

Description

ύΤ

= 0,

wobei bedeuten:

q>k = Kontaktpotentialdifferenz am in Sperrichtung betriebenen pn-Übergang (7);

LO = Spannung am in Durchlaßrichtung vorgespannten pn-Übergang (8);

T — Umgebungstemperatur.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterkondensator aus einem einkristallinen Halbleiter, der eine erste, zweite und dritte Zone abwechselnden Leitungstyps, die einen ersten und zweiten pn-Übergang bilden, und Anschlußelektroden zu den drei Zonen aufweist. Der Halbleiterkondensator kann in einem großen Frequenzbereich von Funk- und Fernsehanlagen zur elektronischen Abstimmung von Resonanzsystemen eingesetzt werden.

Ein solcher Halbleiterkondensator wird im technischen Schrifttum auch oft mit »Kapazitäts-Variations-Diode«, »Abstimmkondensator«, »Varikap« oder »Varaktor« bezeichnet und besteht im einfachsten Fall, wie allgemein bekannt ist, aus einer Siliziumplatte mit einer p-leitenden und einer η-leitenden Schicht. In Sperrichtung dieser Diode liegt Vorspannung an. Der pn-Übergang ist hierbei mit einer isolierenden Trennschicht vergleichbar. Mit Erhöhung der in Sperrichtung angelegten Spannung wird die entsprechende Raumladungszone verbreitert bzw. die Sperrschichtkapazität kleinen Die Spannungsabhängigkeit der Sperrschichtkapazität wird zur parametrischen Verstärkung, Frequenzvervielfachung und elektronischen Abstimmung genutzt (A. Möschwitzer, »Halbleiterelektronik«, 2. Aufl. (1971), VEB Verlag Technik Berlin, S. 44/45).

Ein Halbleiterkondensator der eingangs beschriebenen Gattung mit drei Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps und unterschiedlicher Leitfähigkeit ist im Zusammenhang einer aus zwei in Gegentakt geschalteten Kapazitätsdioden bes.tehenden Halbleitervorrichtung bekannt (DE-OS 17 64 125). Bei der integrierten, insgesamt fünfschichtigen Struktur dienen die äußeren n⁺-leitenden Schichten lediglich zur Verringerung der Kontaktwiderstände für die Anschlußelektroden; beide pn-Übergänge der mittleren

-) dreischichtigen Struktur sind in Sperrichtung vorgespannt. Die mittlere, von einer zusätzlichen Elektrode kontaktierte Schicht hat einen niedrigen spezifischen Widerstand. Durch Verringerung des Bahnwiderstandes und somit des Reihenwiderstandes insgesamt der bekannten Kapazitätsdiode wird ihre Güte, die sich aus der Reihen- und Parallelgüte zusammensetzt, erhöht.

Die veränderbare Kapazität des in Durchlaßrichtung vorgespannten pn-Überganges (die sogenannte Diffusionskapazität) wird im bekannten Fall als steuerbarer Kondensatorparameter natürlich nicht benutzt, da die Kondensatorgüte bei Polung in Durchlaßrichtung mit Vergrößerung der Spannung stark abfällt.

Praktisch interessant ist auch nur die Möglichkeit, die negative Vorspannung am pn-Übergang für die Steuerung der Kapazitätsgröße zu benutzen, weil bei dieser Lösung eine hohe Güte des Bauelementes, ein niedriger Pegel des Eigenrauschens und die Unabhängigkeit der Kapazität von der Frequenz bis in den Millimeterwellenbereich hinein gewährleistet werden.

>5 Mathematisch läßt sich die hier behandelte Sperrschichtkapazität (Q)des pn-Übergangs darstellen als

d</ _ ,„„S ^Li ~ .ΓΙ..Γ ~ '"■"/."

mit

aq = Zunahme der Ladung bei der Spannungserhöhung um den Betrag du;

j-) u = an den pn-Übergang anzulegende Maximalspannung;

E₀ = Dielektrizitätskonstante von Vakuum;
ei = absolute Dielektrizitätskonstante des Mediums; 5 = Fläche des pn-Überganges;
h = Dickeder Raumladungszone am pn-Übergang.

Charakteristisch für einen Halbleiterkondensator ist das Bestehen einer Spannungsabhängigkeit für die Dicke der Raumladungszone, die sich je nach der

v> Verteilung der Dotierungskonzentration in der Raumladungszone gestaltet.

Bei Herstellung des Halbleiterkondensaiors nach der üblichen Legierungs- oder Diffusionstechnik weist er eine praktisch konstante bzw. linear ansteigende

so Dotierungskonzentration in der pn-Grenzschicht und eine Sperrschichtkapazitätsbeziehung auf, nach der die Sperrschichtkapazität umgekehrt proportional der Quadrat- bzw. Kubikwurzel aus dem Vorspannungsbetrag ist.

Eine bessere Vorspannungsempfindlichkeit erhält man für die Kapazität durch einen umgekehrten bzw. Rückwärts-Dotierungsgradienten, d. h. eine solche Konzentrationsverteilung, daß die Störstellenkonzentration in Richtung von der pn-Grenzschicht aus abnimmt.

bo Bei Einsatz des Halbleiterkondensators ist neben dem Kapazitätsverhältnis, d. h. dem Verhältnis von Größt- zu Kleinstwert der Kapazität in einem bestimmten Bereich der Sperrspannungen, der Kapazitäts-Sperrspannungsbeziehung, der Güte, d. h. den Widerstandsverlusten, die möglichst niedrig sein müssen, als sehr wesentlich die Temperaturabhängigkeit zu beachten. Die temperaturabhängige Kapazitätsänderung wird erfaßt durch den sogenannten Temperaturkoeffizienten der Kapazität

[TKK), der als relative Änderung der Kapazität mit Änderung der Temperatur definiert ist, nämlich

TKK =

1 PC C PT

= Kapazitälswert des Kondensators
= Temperatur [K].

Physikalisch gesehen ist die Temperaturabhängigkeit der Kapazität auf diejenige der Dielektrizitätskonstante (ε) und der Kontaktpotentialdifferenz (φ) zurückzuführen. Insofern das Bestehen eines Temperaturkoeffizienten durch die Temperaturabhängigkeit der Kontaktpotentialdifferenz bedingt ist, ist er der Vorspannung umgekehrt und dem Nichtlinearitätsfaktor des Kondensators direkt proportional. Der Nichtlinearitätsfaktor wird hier definiert als Quotient einer relativen Änderung der Kondensatorkapazität, verursacht durch eine solche der Vorspannung, und dieser Vorspannungsänderung.

Eine Änderung der Kontaktpotentialdifferenz beeinflußt den Temperaturkoeffizienten der Kapazität am meisten und ruft deren Vergrößerung mit Erhöhung der Temperatur hervor. Ein Halbleiterkondensator, hergestellt mit Silizium als Substrat, mit der Kapazitäts-Spannungs-Beziehung

U)

-1/2

C(u)= Kapazität des Kondensators,
A = Proportionalitätsfaktor,
U = Vorspannung,

besitzt z. B. in einem Temperaturbereich von — 60 bis zu + 12O⁰C bei einer Sperrspannung (U) von —4 V einen Temperaturkoeffizeinten, der 300 · 10"⁶[l/°C] erreicht. Als noch empfindlicher gegen Temperaturänderungen erweist sich der Kondensator mit einem Rückwärtsgradienten der Dotierungskonzentration im pn-Übergang.

Die temperaturbedingte Instabilität der Kapazität verschlechtert auch die Stabilität der Funktion funk- oder nachrichtentechnischer Schaltungen, in denen Halbleiterkondensatoren eingesetzt sind. Dies beeinträchtigt naturgemäß die Verwendbarkeit der Schaltungen.

Voraussetzung für die Schaffung funktionssicherer nachrichtentechnischer Geräte, die mit Halbleiterkondensatoren aufgebaut werden, ist die Sichersiellung einer hohen Stabilität der Kapazität für einen breiten Temperaturbereich. Es ist bekannt, zum Ausgleich des TKK im Stromkreis nachrichtentechnischer Schaltungen besondere Kompensationsglieder einzuschalten, die die elektrische Schaltung je nach der Änderung der Betriebstemperaturen bezüglich des Kapazitätswertes korrigieren (»Electronic Industries«, Bd. 18 [1959], Nr. 12, S. 90 bis 96; »Funkschau«, 39. Jg [1967], H. 7, S. 487 bis 490). Im wesentlichen wird jeweils zu einer Kapazitätsdiode eine mittels einer zusätzlichen Spannungsquelle in Durchlaßrichtung vorgespannte diskrete Diode in Reihe geschaltet. Im erstgenannten Fall kann eine ansonsten 25%ige Kapazitätsänderung zwischen 25 und 100⁰C auf eine 2- bis 3%ige Änderung im gleichen Temperaturbereich reduziert werden. Derartige nachrichtentechnische Schaltungen sind sehr kompliziert und geben nicht nur keine Gewähr für die Stabilität anderer elektrischer Ausgangsparamter des Halbleiterkondensators, son- ·) dem führen auch manchmal zwangsläufig zu deren Änderung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines solchen Aufbaus des Halbleiterkondensators, daß das Bauelement Temperatui einflüsse auf

ίο die Kapazität selbsttätig kompensiert. Der nahezu vollständige Ausgleich des TKK soll für den ganzen Betriebstemperaturbereich unter Beibehaltung der anderen Hauptparameter erhalten werden, ohne daß man dafür besondere radiotechnische TKK-Ausgleichs- -, Schaltungen anzuwenden braucht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß die erste und die dritte Zone höher dotiert sind als die zweite Zone, daß der erste pn-Übergang in Sperrichtung und der zweite pn-Übergang in Durchlaßrichtung gepolt ist, daß zwischen der Anschlußelektrode an der zweiten Zone und der Anschlußelektrode an der dritten Zone eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, wobei eine zusätzliche Spannung an den in Durchlaßrichtung gepolten pn-Übergang gelegt ist und in Abhängigkeit von Temperaturänderungen die Kapazität des in Sperrichtung gepolten pn-Überganges selbsttätig gesteuert wird, so daß die folgende Ausgleichsbedingung erfüllt ist:

AkJi-zJIaL - η

wobei bedeuten:
j)

cpk = Kontaktpotentialdifferenz am in Sperrichtung

betriebenen pn-Übergang;

Uo = Spannung am in Durchlaßrichtung vorgespannten pn-Übergang;
4» T = Umgebungstemperatur.

Ein solcher Aufbau des Halbleiterkondensators gestattet es, den TKK nahezu restlos auszugleichen, indem man die Anordnung so bemißt, daß der Strom durch den in Durchlaßrichtung gepolten pn-Übergang einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Hierdurch wird eine hohe Zuverlässigkeit des Kondensators und Stabilität seiner Parameter, insbesondere der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie, und zwar sowohl für ■50 einen breiten Temperaturbereich als auch für erforderliche Teilbereiche, gewährleistet.

Der eingangs erwähnte bekannte im wesentlichen dreischichtige Halbleiterkondensator (DE-OS 17 64 125) läßt sich auch unter Anwendung der aus den v> erwähnten Zeitschriften entnehmbaren Lehre temperaturkompensieren, weil wegen der vorgegebenen Dotierung und bei den vorgegebenen Querschnittsverhältnissen auch eine Vorspannung in Durchlaßrichtung an einem der beiden pn-Übergänge nicht zu Ausgleichbedingungen führt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines

Ausführungsbeispiels für den Halbleiterkondensator und Her aus einer einzigen Figur bestehenden Zeichnung näher erläutert, wobei die Zeichnung den Aufbau des Kondensators im Schnitt zeigt.

Der Halbleiterkondensator ist aus einer einkristallinen η-leitenden Siliziumplatte 1 als Substrat aufgebaut. Der spezifische Widerstand des Grundmaterials beträgt

3 Ohm · cm. In der Platte 1 sind beiderseits Aluminiumelektroden 2 und 3 cinlegiert, so daß sich in der Platte 1 mit Aluminium legierte Schichten 4 und 5 ausbilden, die p-leitend sind und einen spezifischen Widerstand von etwa 0,03 Ohm · cm besitzen.

Somit ist der Halbleiterkondensator aus drei aufeinanderfolgenden Schichten von>p-, n- und p-Leitungstyp aufgebaut, wobei die η-leitende Schicht 6 die Basis ist und einen spezifischen Widerstand etwa lOOmal so groß wie die p-leitenden Schichten hat. Für den spezifischen Widerstand der Schichten können auch andere Werte gewählt werden, aber derjenige der Basis muß jedenfalls wesentlich größer sein als die Widerstände der anderen zwei Schichten.

Die p-leilenden Schichten 4 und 5 ergeben zwei pn-Übergänge 7 und 8.

Den Halbleiterkondensator schaltet man in den Stromkreis derart ein, daß die Elektrode 2 unter negativer Spannung steht. Bei dieser Polung ist der pn-Übergang 7 gesperrt. Die Kapazität des in Sperrichtung gepolten pn-Überganges 7 bestimmt den Kapazitätswert des Kondensators und kann durch Änderung der Sperrspannung (U\) geregelt werden.

Am anderen pn-Übergang 8 muß ein positives Potential liegen, d. h. dieser in Durchlaßrichtung vorgespannt sein. Die Durchlaßspannung führt diesen pn-Übergang in einen offenen Zustand über und läßt eine Diffusionskapazität entstehen.

Somit liegen die pn-Übergänge 7 und 8 bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Stromkreis veränderlicher Signalgröße in Reihe.

An die Basis 6 ist über einen sperrschichtfreien (ohmschen) Kontakt eine Elektrode 9 angeschlossen, die beispielsweise an eine Gleichstromquelle 10 geführt ist.

Die Elektrode 9 speist in die Basis einen elektrischen Strom ein, durch den der in Durchlaßrichtung gepolte pn-Übergang zusätzlich vorgespannt wird, so daß die Bedingung

ti (</ A- -' ' df

= 0.

mit
ψ k U₀ T

Kontaktpotentialdifferenz am in Sperrichtung gepolten pn-Übergang,

Spannung am in Durchlaßrichtung gepollen pn-Übergang,

Umgebungstemperatur,

erfüllt ist.

Das Funktionsprinzip des Halblciterkondensators mit pnp-Anordnung läßt sich wie folgt darstellen:

Beim Einschalten des Halbleiterkondensators in einen Stromkreis, wie es die Figur zeigt, und Anlegen einer Sperrspannung von z. B. -4 V wird der pn-Übergang 7 in Sperrichtung gcpolt, und es entsteht an diesem eine Sperrschichtkapazität. Da der pn-Übergang 8 und der pn-Übergang 7 im Stromkreis in Reihe liegen, ist der crstcrc hierbei in Durchlaßrichtung gcpolt, und es entsteht im ihm eine Diffusionskapazität.

Bei einer Änderung der Temperatur um 10[K] un einer konstanten Vorspannung von —4 V änderte sich in einem Versuch die Kapazität des in Sperrichtung gcpolten pn-Übergangs um 0,3%, d.h., der TKK fü diese Sperrschichtkapazität betrug 300 · 10-^b[1/°C].

Für den Ausgleich dieser Änderung braucht man bekanntlich die Sperrspannung am pn-Übergang 7 um hunderstel Volt zu verändern. Bei dem crfindungsgemä Ben Bauelement geschieht dies durch Änderung de Arbeitszustandes des in Durchlaßrichtung gepolten Überganges, der mit einer an diesen angelegten zusätzlichen Durchlaßspannung geregelt wird.

Weiterhin ist bekannt, daß der TKK eines Halbleiter kondensators sich hauptsächlich nach der Größi JY bzw. im vorliegenden Fall

ii(</ k - U₁) d7

mit

r> U₀ T

Kontaktpctentialdifferenz am in Sperrichtung

gepolten pn-Übergang,

Spannung am in Durchlaßrichtung gepolten

pn-Übergang,

Umgebungstemperatur,

richtet.

so Um einen nahezu vollständigen Ausgleich des TKK zu erhalten, muß die Größe der zusätzlichen Vorspan nung in Durchlaßrichtung der Gleichung genügen:

d (-/ k -df

= 0.

Darüber hinaus wird durch Regelung des Stromes durch den in Durchlaßrichtung gepolten pn-Übergang 8, wozu eine dritte zusätzliche Elektrode vorgesehen ist, ein solches Übergewicht der Diffusionskapazität des in Durchlaßrichtung gepolten Überganges 8 über die Kapazität des in Sperrichtung gepolten Überganges 7 der als steuerbare Kapazität betrieben wird, gewährlei stet, daß die letztere gegenüber der ersteren vernachläs sigbar klein ist. Deshalb bleiben die elektrischen Ausgangsparamter des Halbleiterkondensators unverändert.

Die hier angestellten Betrachtungen gelten auch füi den Fall eines Halbleiterkondensators vom npn-Typ sowie für den Fall einer Temperaturänderung bis in den Tieftemperaturbercich hinein.

Zusammenfassend kann man sagen, daß bei den erfindungsgemäßen Aufbau des Halbleiterkondensator! der höchstmögliche Ausgleich des TKK sowohl für der ganzen Betriebstemperaturbereich von -60 bi< + 120⁰C als auch für einen beliebigen Unterbereich /.. B. von +60 bis 120⁰C, praktisch ohne Änderung det anderen elektrischen Parameter des Bauelementes erreicht werden kann, indem man bloß den Strom durcl den in Durchlaßrichtung gepoltcn pn-Übergang 8 je nach der eingetretenen Tempcrattirändcrung verstellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Halbleiterkondensator aus einem einkristallinen Halbleiter, der eine erste, zweite und dritte Zone abwechselnden Leitungstyps, die einen ersten und zweiten pn-übergang bilden, und Anschlußelektroden zu den drei Zonen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (4) und die dritte (5) Zone höher dotiert sind als die zweite Zone (6), daß der erste pn-Übergang (7) in Sperrichtung und der zweite (8) pn-Übergang in Durchlaßrichtung gepolt ist, daß zwischen der Anschlußelektrode (9) und der zweiten Zone (6) und der Anschlußelektrode an der dritten Zone (5) eine Gleichstromquelle (10) angeschlossen ist, wobei eine zusätzliche Spannung an dem in Durchlaßrichtung gepoken pn-Übergang (8) gelegt ist und in Abhängigkeit von Temperaturänderungen die Kapazität des in Sperrichtung gepolten pn-Überganges (7) selbsttätig gesteuert wird, so daß die folgende Ausgleichsbedingung erfüllt ist: