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Isolierschichtkondensator
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Isolierschichtkondensator nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung von Isolierschichtkondensatoren
in integrierter Schaltungstechnik bekannt. In dem Aufsatz von L. Talamonti, "Binäre
Kapazitäten in MOS-Schaltungen", Elektronik 1973, Heft 5, Seiten 179 bis 181 ist
eine Realisierungsmöglichkeit für MOS-Eondensatoren beschrieben, die einen relativ
hohen flächenspezifischen Kapazitätswert aufweisen. Ein Nachteil der herkömmlichen
Kondensatoren dieser Art bestehtsdarin, daß sie nur einen kleinen Kapazitäts-Einstellbereich
aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Isolierschichtkondensator
anzugeben, bei dem der genannte Nachteil nicht auftritt. Diese Aufgabe wird bei
einem Isolierschichtkondensator der eingangs genannten Art
durch
die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Der wesentliche Vorteil eines Isolierschichtkondensators nach der
Erfindung besteht darin, daß er innerhalb eines großen Kapazitätsbereiches einstellbar
ist. Dabei kann ein Stellsignal verwendet werden, das aus einem Spannungssignal
oder einem Stromsignal besteht.
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Die Abhängigkeit der eingestellten Kapazität von der Amplitude des
Stellsignals kann mit einfachen Maßnahmen linearisiert werden.
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Mit besonderem Vorteil kann der erfindungsgemäße Isolierschichtkondensator
durch einen ebenfalls in integrierter Schaltungstechnik herstellbaren Gyrator oder
durch eine Induktivität zu einem Schwingkreis ergänzt werden, der insbesondere als
Frequenzfilter oder als Teil eines solchen verwendbar ist.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der erfindungsgemäß Isolierschichtkondensator
eine obere Grenzfrequenz von mehr als 100 MHz aufweist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Isolierschichtkondensator,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1, Fig. 3 einen Spannungsverlauf
längs der Elektrode des Kondensators nach Fig. 1, Fig. 4 eine Ansteuerschaltung
für den Kondensator nach Fig. 1, Fig. 5 die Abhängigkeit der nach Fig. 4 eingestellten
Kapazität von einer Steuerspannung U1,
Fig. 6 eine weitere Ansteuerschaltung
für den Kondensator nach Fig. 1, Fig. 7 einen Spannungsverlauf unterhalb der Elektrode
des nach Fig. 6 angesteuerten Kondensators, Fig. 8 das Einstellen der Kapazität
eines erfindungsgemäßen Kondensators mittels einer Steuerspannung an einem in dem
Halbleitersubstrat vorgesehenen, entgegengesetzt zu diesem dotierten Gebiet, Fig.
9 einen Spannungsverlauf unterhalb der Elektrode bei der Ansteuerung nach Fig. 8,
Fig. 10 eine Ansteuerschaltung für eine lineare Abhängigkeit der Kapazität des erfindungsgemäßen
Kondensators von einer Steuerspannung, Fig. 11 in schematischer Darstellung einen
erfindungsgemäßen Kondensator, dem eine Induktivität parallelgeschaltet ist, Fig.
12 einen erfindungsgemäßen Kondensator, dem ein Gyrator parallelgeschaltet ist,
und Fig. 13 eine Weiterbildung der Schaltung nach Fig. 12.
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In Fig. 1 ist das Substrat, auf dem der Isolierschichtkondensator
aufgebaut ist, mit 1 bezeichnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht
das Substrat aus p-dotiertem Silizium. In das Substrat 1 ist ein entgegengesetzt
dotiertes Gebiet 2, das als Source-Gebiet dient, eingebracht. Es ist bei der angenommenen
Substratdotierung n-dotiert und über eine Elektrode 21 mit einem Anschluß 22 verbunden.
Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 ist eine elektrisch isolierende Schicht
aufgebracht. Seitlich neben dem Gebiet 2 ist die Schicht innerhalb eines mit Lo
bezeichneten Bereiches als eine DUzinschicht 32 ausgebildet, deren Dicke z.B. 0,1
/um beträgt. Außerhalb des Bereiches Lo stellt sie eine Dickschicht 33 mit einer
Dicke von
etwa 1 - 2 /um dar. Vorzugsweise besteht die isolierende
Schicht 32, 33 dabei aus SiO2. Auf der Dünnschicht 32 und auf den angrenzenden Teilen
der Dickschicht 33 ist eine Elektrode 4 aus einem Material mit einem homogen verteilten
Flächenwiderstand aufgebracht. Die Elektrode 4 besteht beispielsweise aus polykristallinem
Silizium, das einen Widerstand von etwa 50 kJQ/a aufweist. In den Bereichen zweier
einander gegenüberliegender Randzonen der Elektrode 4 sind Elektrodenanschlüsse
41 und 42 vorgesehen, die mit Spannungen U2 und U1 beschaltet sind. Dies hat einen
Strom J zur Folge, der die Elektrode 4 durchfließt und zwischen den Anschlüssen
41 und 42 einen Spannungsabfall der Größe U2-U1 hervorruft.
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Unterhalb der Elektrode 4 wird dann ausgehend von dem Gebiet 2 eine
Inversionsrandschicht 23 erzeugt, die in Fig. 1 doppelt schraffiert dargestellt
ist und bis zu dem Ort 24 reicht, über dem an der widerstandsbehafteten Elektrode
4 eine Spannung UG abfällt, die die Beziehung UG = U + UT erfüllt. Dabei bedeutet
UT die sogenannte Einsatzspannung der aus den Teilen 1, 32 und 4 bestehenden Anordnung,
U die dem Anschluß 22 zugeführte Spannung.
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Die Länge L der Inversionsrandschicht 23 ist somit durch den Verlauf
von Uß zwischen den Anschlüssen 41 und 42 und durch die dem Anschluß 22 zugeführte
Spannung U beeinflußbar. Mit 25 ist eine Raumladungszone bezeichnet, die das Gebiet
2 umgibt, mit 26 eine Raumladungszone, die unterhalb der Elektrode 4 in Abhängigkeit
von dem Verlauf von UG gebildet wird. Da man die Inversionsrandschicht 23 auch als
eine Gegenelektrode zu der Elektrode 4 auffassen kann, ergibt sich zwischen den
Anschlüssen 22 und 41 ein Isolierschichtkondensator, dessen Kapazität von L abhängt.
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Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1. Einzelheiten
der Fig. 2, die bereits im Zusammen-
hang mit Fig. 1 beschrieben
wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Mit 43 ist die Breite der Elektrode
4 bezeichnet.
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In Fig. 3 ist der Spannungsverlauf UG längs der Elektrode 4 über dem
mit x bezeichneten Abstand vom Rand des Gebiets 2 dargestellt. Für die ebenfalls
eingezeichneten Werte U und UT ergibt sich dann die dargestellte Länge L der Inversionsrandschicht
23.
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In der Fig. 4 ist eine erste Art der Ansteuerung eines erfindungsgemäßen
Isolierschichtkondensators dargestellt.
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Dabei ist die Elektrode 4 über den Anschluß 42 mit Massepotential
beschaltet, über den Anschluß 41 dagegen mit einer Steuerspannungsquelle 44, die
die Spannung U1 liefert. Das Gebiet 2 ist mit Masse verbunden. Ganz allgemein ist
die Abhängigkeit der Kapazität C des Isolierschichtkondensators von der Spannung
U1 durch die Formel
gegeben. Dabei besitzt der Kondensator die Kapazität wenn die Inversionsrandschicht
die Länge Lo erreicht.
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Die Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit des Kapazitätsverhältnisses C/CO
von der angelegten Spannung U1.
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Um eine lineare Abhängigkeit der Kapazität des Isolierschichtkondensators
von der Amplitude der Steuerspannung zu erreichen, ist eine zweite Art der Ansteuerung
erforderlich, bei der das Potential an allen Punkten der Elektrode 4 Jeweils um
denselben Betrag geändert wird, um den sich auch die Steuerspannung ändert. In Fig.
6 ist eine solche Ansteuerung mit Hilfe einer
Ansteuerschaltung
5 dargestellt. Diese weist einen Spannungsteiler auf, der aus zwei in Serie zueinander
geschalteten, ohmschen Widerständen R1 und R2 besteht.
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Der eine Anschluß dieser Serienschaltung ist mit dem Anschluß 41 verbunden,
der andere mit dem Massepotential. Der Verbindungspunkt 51 beider Widerstände ist
an den positiven Eingang eines Differenzverstärkers 52 geschaltet, dessen Ausgang
mit dem Anschluß 42 verbunden ist. Ferner ist der negative Eingang des Verstärkers
52 einerseits über einen Widerstand R3 mit seinem Ausgang und andererseits über
einen Widerstand R4 mit dem Massepotential beschaltet. Die Steuerspannung 1 wird
wieder dem Elektrodenanschluß 41 zugeführt, während der Anschluß 22 mit einer konstanten
Spannung U beschaltet ist.
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Die Fig. 7 zeigt die mittels der Ansteuerschaltung 5 erreichten Spannungsverläufe
längs der Elektrode 4.
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Steigt die Amplitude des Eingangssignals von U1 nach U1,, so wird
mit Hilfe der Ansteuerschaltung 5 die Spannung U2 ebenfalls um die Spannungsdifferenz
U1' - U1 auf U2' angehoben. Der gesamte Spannungsverlauf UG wird damit um den Betrag
U1' - Ul in die Lage U verschoben. Damit ist der Zusammenhang zwischen der Amplitude
von U1 und der Kapazität des Isolierschichtkondensators linear und kann mit der
Gleichung
beschrieben werden. In dieser Gleichung bedeutet L' die Länge der Inversionsrandschicht
23, die nach der Spannungsverschiebung um U1' - U1 erreicht wird. C' bedeutet die
hierbei eingestellte Kapazität. In der Fig. 7 ist außerdem der Spannungsverlauf
UG" dargestellt, der sich bei einer Verringerung der Steuerspannung U1
auf
den kleineren Wert Uln ergibt. Die hierbei entstehende Länge der Inversionsrandschicht
ist mit Ln bezeichnet.
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Eine weitere vorteilhafte Art der Ansteuerung ist in Fig. 8 angegeben.
Durch Anlegen von konstanten Spannungen U1 und U2 an die Elektrodenanschlüsse 42
und 41, wobei 1 größer ist als U2, und durch Anlegen einer Steuerspannung U an das
Gebiet 2 kann die Länge der Inversionsrandschicht ebenfalls eingestellt werden.
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Die Inversionsrandschicht reicht bis zu Jenem Ort, an dem die Beziehung
UG = U + UT erfüllt ist. Die Abhängigkeit der Kapazität C von der Steuerspannung
U ist durch die Gleichung
gegeben.
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In Fig. 9 ist der Spannungsverlauf UG dargestellt, der sich beim Anlegen
von Spannungen U1 und U2 an die Anschlüsse 42 und 41 ergibt. Weiterhin sind zwei
horizontale Gerade eingezeichnet, die Jeweils Spannungswerten U + UT und U' + UT
entsprechen. Die Schnittpunkte dieser Geraden mit dem Spannungsverlauf UG bestimmen
die Längen L und L'E der Inversionsrandschicht 23, die sich für dem Anschluß 22
zugeführte Steuerspannungen U und U' ergeben.
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Bei der Verwendung einer konstanten Vorspannung für das Substrat 1
muß der Einfluß des Substratsteuerfaktors beachtet werden. In Fig. 10 ist eine Schaltung
dargestellt, bei der die Spannung UA zwischen dem Gebiet 2 und dem Substrat 1 konstant
gehalten wird. Die Steuerspannung U an dem Gebiet 2 entspricht der Differenz
UA
- U' der konstanten Spannung UA zwischen Substrat und Diffusionsgebiet 2 und der
Steuerspannung U'. Wird die Spannung UA gleich groß wie die Spannung U2 am Anschluß
41 gewählt, so ergibt sich die folgende lineare Bezeichnung zwischen der Kapazität
C und der Steuerspannung U':
Fig. 11 zeigt einen mit 6 bezeichneten, schematisch dargestellten Isolierschichtkondensator
nach der Erfindung, dessen Anschlüsse 22 und 42 mit einer Induktivität 7 beschaltet
sind. Damit entsteht ein Parallelschwingkreis, dessen Anschlüsse die Bezugszeichen
71 und 72 tragen. Die Schwingkreisabstimmung erfolgt zweckmäßigerweise mittels der
dem Anschluß 41 zugeführten Steuerspannung 41 (entsprechend Fig. 4 oder Fig. 6)
oder mittels der Steuerspannung U am Anschluß 22 (entsprechend Fig. 8 oder Fig.
10). Im letzteren Fall ist ein Kondensator CB vorgesehen, der die Spannung U von
den übrigen Teilen des Schwingkreises abblockt.
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In Fig. 12 ist wieder ein Isolierschichtkondensator 6 nach der Erfindung
dargestellt, dessen Anschlüsse 22 und 42 mit den Eingängen 73 und 74 eines an sich
bekannten Gyrators 7' beschaltet sind. Dieser Gyrator ist beispielsweise in dem
IEEE Journal of Solid-State Ciscuits, Vol. SC-7, No. 6, Dezember 1972 auf den Seiten
469 bis 474 eingehend beschrieben. Wie insbesondere die Fig. 2 dieser Veröffentlichung
erkennen läßt, handelt es sich dabei um eine aus Transistoren und Widerständen aufgebaute
Vierpolschaltung, die an ihren eingangsseitigen Anschlüssen eine Induktivität nachbildet,
wenn sie ausgangsseitig mit einer Kapazität
abgeschlossen ist.
In Fig. 12 sind die Ausgänge des Gyrators mit 75 und 76 bezeichnet und der kapazitive
Abschluß durch den Kondensator CA gegeben. Damit liegt an den Schaltungspunkten
73 und 74 eine Induktivität, die den Kondensator 6 wieder zu einem Parallelschwingkreis
mit den Anschlüssen 71 und 72 ergänzt. Die Schaltung nach Fig. 12 ist leicht integrierbar,
während in Fig. 11 die Realisierung der Induktivität 7 in integrierter Schaltungstechnik
zu Schwierigkeiten führen kann.
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In gleicher Weise kann auch ein Serienschwingkreis mit dem Isolierschichtkondensator
nach der Erfindung aufgebaut werden.
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Fig. 13 entspricht der Schaltung nach Fig. 12 mit dem Unterschied,
daß der Kondensator CA durch einen Isolierschichtkondensator 6' nach der Erfindung
ersetzt ist.
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Steuert man diesen über die Anschlüsse 22', 41' und 42' in der bereits
anhand der Fig. 11 beschriebenen Weise an, so erhält man wegen der weiteren Ansteuerung
des Kondensators 6 über die Anschlüsse 22, 41 und 42 einen sehr großen Einstellbereich
der Resonanzfrequenz.
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Schaltungen nach den Fig. 11 bis 13 sind mit großem Vorteil als Frequenzfilter
oder Teile von solchen verwendbar.
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11 Patentansprüche 13 Figuren