DE3149257C2

DE3149257C2 -

Info

Publication number: DE3149257C2
Application number: DE19813149257
Authority: DE
Inventors: Shoichi Tokio/Tokyo Jp Minagawa; Takamasa Tokyo Jp Sakai
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1980-12-12
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1992-04-09
Also published as: DE3149257A1; FR2496343A1; GB2092372A; FR2496343B1; JPH0142149B2; GB2092372B; JPS5799787A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit veränderbarer Kapazität nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem derartigen aus der DE 30 09 499 A1 bekannten Konden sator mit veränderbarer Kapazität sind mehrere Kondensatorele mente zusammengeschaltet, wobei jeweilige Verarmungsschicht steuerteile, an denen eine variable Vorspannung liegt, so mit einander verbunden sind, daß sich die Kapazität der einzelnen Kondensatorelemente bei einer sich ändernden Vorspannung in gleicher Weise ändert.

Ein derartiger aus mehreren Kondensatorelementen aufgebauter Kondensator unterscheidet sich in seiner Funktionsweise nicht von einem Einzelkondensator, an dem eine variable Vorspannung liegt.

Ein derartiger Einzelkondensator, der in Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung dargestellt ist, besteht in üblicher Weise aus einem Element mit PN-Übergang. In Fig. 1 sind ein Halbleiterbereich 1 vom N-Leitungstyp, ein Halbleiterbereich 2 vom P-Leitungstyp, ein PN-Übergang 3, Ohmsche Elektroden 4 und 5, die an den Be reichen 1 und 2 jeweils vorgesehen sind, Leitungsanschlüsse 6 und 7, die an den Elektroden 4 und 5 jeweils vorgesehen sind, und eine Verarmungsschicht 8 dargestellt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung nimmt die Verarmungs schicht 8 in Abhängigkeit von der an den Leitungsanschlüssen 6 und 7 liegenden Vorspannung ab oder zu, so daß sich eine der Zunahme und Abnahme der Verarmungsschicht 8 entsprechende Ka pazitätsänderung zwischen den Leitungsanschlüssen 6 und 7 ab nehmen läßt.

Ein herkömmlicher Kondensator mit veränderbarer Kapazität, der ein derartiges Element mit PN-Übergang verwendet, hat jedoch die folgenden Nachteile:

1. Aufgrund der Tatsache, daß der herkömmliche Kondensator mit veränderbarer Kapazität von der Zunahme oder Abnahme der Verarmungsschicht am PN-Übergang in Abhängigkeit von der anliegenden Vorspannung Gebrauch macht, ist die kleinste Kapazität durch die Störstellenkonzentration in den Halblei terbereichen bestimmt. Es ist daher praktisch nicht möglich, einen großen Variabilitätsbereich der Kapazität zu erhalten, wenn der Q-Faktor groß ist. Darüberhinaus wird die Kapazi tätsänderung um so grö8er, je höher der Q-Faktor wird. Den herkömmlichen Kondensator mit veränderbarer Kapazität begleiten daher Schwierigkeiten bei der Auslegung der Schal tung.
2. Aufgrund der Tatsache, daß das Anlegen der Vorspannung zum Ändern der Kapazität und das Abnehmen der Kapazitäts änderung mittels der gemeinsamen Leitungsanschlüsse erfolgen, besteht die Gefahr, daß der Kondensator eine unerwünschte Ka pazitätsänderung auf die Spannung des Eingangssignals selbst ansprechend erfährt, wenn der Kondensator in einem Resonanz- oder Schwingkreis usw. verwandt wird, was zu einer Beeinträch tigung des Signals führt. Da weiterhin eine spezielle Schaltungs anordnung erforderlich ist, bei der die Störungen zwischen der Eingangssignalspannung und der Vorspannung so klein wie mög lich sind, ist der herkömmliche Kondensator mit veränderbarer Kapazität auf wenige Anwendungszwecke beschränkt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines weiteren herkömmlichen Konden sators mit veränderbarer Kapazität. Fig. 2 zeigt das Schalt bild zur Darstellung des Grundbauprinzips mit stabilen Kon densatorelementen C₁-C_n, einer Streukapazität C₀, Schaltelementen S₁-S_n und Abnahmeanschlüssen 6A und 7A zum Abnehmen der Kapazität. Mit n ist eine gewünschte ganze Zahl bezeichnet.

Wenn bei einer derartigen Anordnung sichergestellt ist, daß die n Schaltelemente S₁-S_n unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden können, und die Summe der Kapazitäten der n stabilen Kondensatorelemente C₁-C_n mit C_T bezeichnet wird, wobei die Streukapazität C₀ je nach Wunsch gewählt werden kann, ist C_T gleich C₁ + C₂ + C₃ + . . . + C_n. Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung kann daher ihre Kapazität über einen Bereich zwischen C₀ und C₀ + C_T durch ein geeignetes Öffnen und Schließen der Schaltelemente S₁-S_n verändern.

Ein Kondensator mit veränderbarer Kapazität wird im allge meinen in einem Resonanz- oder Schwingkreis, einer Abstimm schaltung, einer Zeitverzögerungsschaltung usw. verwandt, bei denen es manchmal nicht notwendig ist, die Kapazität vollständig kontinuierlich zu verändern. Bei einer Abstimm schaltung für einen volkstümlichen kommerziellen Rundfunk empfänger ist eine vollständig kontinuierliche Änderung der Kapazität nicht immer erforderlich, falls eine Veränderung der Kapazität in einer Anzahl von Schritten sichergestellt ist, die der Anzahl der Rundfunkkanäle entspricht.

Durch eine Änderung der Kapazitäten der stabilen Kondensa torelemente C₁-C_n, um dadurch die jeweiligen Kapazitäten zu bemessen oder zu wichten, ist es weiterhin möglich, eine Grob- und eine Feinsteuerung der Kapazitätsänderung auszu führen, so daß es mit Hilfe einer vergleichsweise kleinen Anzahl stabiler Kondensatorelemente möglich ist, die Gesamt kapazitätsänderung über einen breiten Bereich genau zu steuern.

Wenn in diesem Fall diskrete einzelne Kondensatoren als stabile Kondensatorelemente C₁-C_n verwandt werden, ist es notwendig, streng ausgewählte Bauteile mit hoher Ge nauigkeit zu verwenden, um eine genaue Kapazitätsänderung zu erzielen. In diesem Zusammenhang treten Probleme mit einer höheren Arbeitszeit zum Auswählen der Bauteile mit den gewünschten Charakteristiken aus einer Anzahl derar tiger Kondensatorbauteile sowie mit zunehmenden Herstel lungskosten aufgrund der schlechten Ausbeute auf. Der herkömmliche Kondensator mit veränderbarer Kapazität, wie er oben beschrieben wurde, ist daher auch nicht praktikabel.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Kondensator mit veränderbarer Kapazität nach dem Gat tungsbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der auch in einem vergleichsweise großen Änderungsbereich eine exakte Einstellung der Kapazität ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Besonders bevorzugte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Kondensators sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung bevor zugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht einen herkömmlichen Kondensator mit veränderbarer Kapazität,

Fig. 2 zeigt in einem Schaltbild einen weiteren herkömm lichen Kondensator mit veränderbarer Kapazität,

Fig. 3, 5, 6 und 7 zeigen in Schnittansichten Ausführungsbeispiele der Erfindung,

Fig. 4 zeigt ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Erfindung.

Fig. 3 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kondensators mit veränderbarer Kapa zität, bei dem eine Vielzahl von Kondensatorelementen 10 _A, 10 _B, 10 _C . . . mit veränderbarer Kapazität auf einem Halbleiter substrat 9 ausgebildet ist. Die Kondensatorelemente 10 _A, 10 _B, 10 _C weisen jeweils einen Kapazitätsabnahmeteil 13, der einen P-Bereich 11 auf dem Halbleitersubstrat 9, beispielsweise Silicium vom N-Leitungstyp, und eine Metallelektrode 12 im P-Bereich 11 umfaßt, sowie wenigstens eine Verarmungsschicht 8 und einen Verarmungsschichtsteuerteil 16 auf, der einen P-Bereich 14, der neben dem P-Bereich 11 ausgebildet ist, und eine Me tallelektrode 15 umfaßt, die am P-Bereich 14 vorgesehen ist. Kapazitätsabnahmeanschlüsse 17 und 18 dienen dazu, die Ge samtkapazität der jeweiligen Kapazitätsabnahmeteile 13 der Kondensatorelemente 10 _A, 10 _B, 10 _C . . . mit veränderbarer Kapa zität abzunehmen, die parallel zueinander geschaltet sind. In Fig. 3 sind weiterhin eine Vorspannung V_B, eine Schaltung 19 zum Schalten der Vorspannung mit Schaltelementen S₁-S_n zum Anlegen der Vorspannung V_B an die Verarmungsschichtsteuer teile 16 sowie eine Ohmsche Elektrode 20 dargestellt, die auf der Rückfläche des Halbleitersubstrates 9 vorgesehen ist.

Bei einer derartigen Anordnung ändert sich die relative Charakteristik zwischen der Kapazität C eines der Kondensa torelemente 10 _A, 10 _B, 10 _C . . . mit veränderbarer Kapazität und der Vorspannung V_B in der in Fig. 4 dargestellten Weise. Die Kapazität C, die auf der Ordinate aufgetragen ist, hat einen größten Wert C_max, wenn die auf der Abszisse aufgetra gene Vorspannung V_B, die an den Verarmungsschichtsteuerteilen 16 liegt, gleich Null oder etwa gleich Null ist, während dann, wenn die Sperrvorspannung zunimmt und die Schwellenspannung V_t des Kondensatorelementes mit veränderlicher Kapazität selbst erreicht, die Kapazität schnell auf den kleinsten Wert C_min abnimmt und diesen Wert nahe der Sperrvorspannung V_b beibehält. Das bedeutet, daß durch ein Umschalten der Sperrvorspannung V_B zwischen den Werten 0 und V_b der am Kapazitätsabnahmeteil 13 eines der Kondensatorelemente mit veränderbarer Kapazität auftretende Wert so gesteuert werden kann, daß er gleich dem größten Wert C_max oder gleich dem kleinsten Wert C_min ist.

Wenn daher mehrere Kondonsatorelemente 10 _A, 10 _B, 10 _C . . . mit veränderbarer Kapazität im Halbleitersubstrat 9 in der in Fig. 3 dargestellten Weise vorgesehen sind, gibt jedes der Kondensatorelemente 10 _A, 10 _B, 10 _C . . . mit veränderbarer Kapazität den größten Wert C_max oder den kleinsten Wert C_min, indem die Vorspannung V_B an den Kondensatorelementen 10 _A, 10 _B, 10 _C . . . mit veränderbarer Kapazität über die Schalt elemente S₁-S_n umgeschaltet wird, was durch Ein- oder Aus schalten der Schaltelemente S₁-S_n in der in Fig. 2 darge stellten Schaltung bewirkt wird.

Die Gesamtkapazität, die an den Kapazitätsabnahmeanschlüssen 17 und 18 abgenommen werden kann, kann daher immer nahezu dieselbe Streuungsbreite haben.

Die kleinste Kapazität pro Kondensatorelement mit veränder barer Kapazität bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kondensators mit veränderbarer Kapazität ist die Gesamtkapazität aus der Streukapazität C₀ und dem oben beschriebenen kleinsten Wert C_min. Dieser kleinste Wert C_min kann dadurch kleiner gemacht werden, daß die Auslegung der Verarmungsschichtsteuerteile 16 geändert wird, indem diese beispielsweise dicker ausgebildet werden usw. Der größte Wert C_max kann dadurch größer gemacht werden, daß der Elek trodenbereich des Kapazitätsabnahmeteils 13 geändert wird oder daß die Form des PN-Überganges im Halbleitersubstrat 9 verändert wird.

Der Unterschied zwischen dem größten Wert und dem kleinsten Wert, der an den Kapazitätsabnahmeanschlüssen 17 und 18 als Gesamtkapazität des Kondensators mit veränderbarer Ka pazität erhalten werden kann, kann daher merklich größer als bei einem herkömmlichen Kondensator sein.

Dadurch, daß dafür gesorgt wird, daß die größten Werte C_max der Kondensatorelemente mit veränderbarer Kapazität vonein ander verschieden sind, indem die Kondensatorelemente ge wichtet oder bemessen werden, kann die Kapazitätsänderung über einen breiten und großen Bereich genau gesteuert werden. Darüberhinaus kann durch ein wahlweises Anlegen einer Vor spannung mit zwei Werten in der gewünschten Kombination an die Verarmungsschichtsteuerteile 16 über die Schaltwirkung der Schaltung 19 mit Vorspannungsschaltfunktion die gewünsch te Kapazitätsänderung erhalten werden.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Kapazitätsabnahmeteil 13 einen sogenannten MIS- Aufbau hat, der eine Isolierschicht 21, beispielsweise eine Oxidationssperrschicht, die auf der Oberfläche des Halbleiter substrates 9 ausgebildet ist, und eine Metallelektrode 22 umfaßt, die auf der Isolierschicht 21 vorgesehen ist.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Kapazitätsabnahmeteil 13 einen sogenannten Schott ky-Sperrschichtaufbau hat, in dem eine Metallhalbleitersperr schicht zwischen dem Halbleitersubstrat 9 und ein gewünsch tes Metallmaterial 23, das auf dem Halbleitersubstrat 9 haf tet, vorgesehen werden.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Isolierbereiche 24 zwischen den jeweils benachbarten Kondensatorelementen 10 _A, 10 _B, 10 _C . . . mit veränderbarer Kapazität vorgesehen sind, die auf dem Halbleitersubstrat 9 ausgebildet sind. Die Isolierbereiche 24 können aus einem Isoliermaterial, wie einem Oxidationsmittelüberzug, Glas usw. oder in Form einer sogenannten Luftisolation durch das Vor sehen von Zwischenräumen ausgebildet sein. Dadurch, daß in dieser Weise Isolierbereiche 24 zwischen jeweils benachbar ten Kondensatorelementen mit veränderbarer Kapazität vorgese hen sind, kann eine Störung zwischen benachbarten Elementen vermieden werden, wodurch die Stabilität der elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung sichergestellt ist. D.h., daß es möglich ist, beispielsweise eine Änderung des Q-Faktors zu beschränken.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Schaltung 19 mit Vorspannungsschaltfunktion zum Anlegen der Vorspannung an die Verarmungsschichtsteuerteile 14 im Halb leitersubstrat 9 ausgebildet sein, damit ein Signal eine Schaltwirkung zwischen den beiden Werten der Vorspannung an dem gewünschten Verarmungsschichtsteuerteil 16 bewirken kann.

Wie es oben beschrieben wurde, ist der erfindungsgemäße Kondensator mit veränderbarer Kapazität auf einem Halbleiter substrat mit Kondensatorelementen veränderbarer Kapazität vorgesehen, die zwei Kapazitätswerte, nämlich einen größten und einen kleinsten Wert liefern können, und die durch das Anschalten einer Vorspannung so gesteuert werden, daß sie einen dieser beiden Werte liefern. Die erfindungsgemäße Ausbildung bewirkt daher folgendes:

1. Es wird eine große Kapazitätsänderung erhalten. Wenn der Kondensator somit in einem Resonanz- oder Schwingkreis einer Abstimmschaltung usw. verwandt wird, ist es möglich, für eine große Änderung der Mittenfrequenz zu sorgen, was die Ausbildung der Schaltung erleichtert.
2. Der Q-Faktor des Kondensators kann dadurch groß gemacht werden, daß in geeigneter Weise der spezifische Widerstand und die Form der Elektroden gewählt werden. Da weiterhin die Kapazität durch eine Schaltwirkung geändert werden kann, wird eine Q-Faktoränderung aufgrund einer Kapazitätsänderung klein gehalten.
3. Da die Kapazitätsänderung über eine Schaltwirkung erfolgt und der Kapazitätsabnahmeanschluß und der Verarmungsschicht steueranschluß separat ausgebildet sind, ist eine Kapazitätsän derung aufgrund des Eingangssignals außerordentlich klein und kann daher eine darüber erfolgende Beeinträchtigung des Signals gleichfalls klein gehalten werden.

Claims

1. Kondensator mit veränderbarer Kapazität, umfassend

- mehrere Verarmungsschichtkondensatorelemente (10) auf einem auf einer Außenfläche mit einer gemeinsamen Ohmschen Elek trode (20) versehenen Halbleitersubstrat (9) , welches auf seiner gegenüberliegenden Außenfläche zur Bildung steuerba rer Verarmungsschichten (8) für die Kondensatorelemente (10) Bereiche (14) eines dem Leitfähigkeitstyp des Halbleiter substrates (9) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, mit diesen Bereichen (14) in Kontakt stehende Steuerelektroden (15) sowie den Kondensatorelementen (10) zugeordnete Kapa zitätsabnahmeteile (12; 13; 22; 23) aufweist, die einen PN- Übergangsaufbau, einen MIS-Aufbau oder einen Schottkysperr schichtaufbau haben,
- eine mit der Ohmschen Elektrode (20) und den Steuerelektro den (15) verbundene Vorspannungsquelle (V_B) und
- eine die Kapazitätsabnahmeteile (12; 13; 22; 23) einander parallel schaltende Verbindung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungs quelle (V_B) mit den Steuerelektroden (15) der einzelnen Kondensatorelemente (10) über Schalter (S) verbunden ist, die die Vorspannung zwischen zwei Werten umschalten, von denen einer im wesentlichen die größte Kapazität und der andere im wesentlichen die kleinste Kapazität des Kondensa torelementes (10) einstellt.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorelemente (10) für unterschiedliche größte Kapazitätswerte bemessen sind.

3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S) in das Halbleitersubstrat (9) integriert sind.

4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleitersubstrat (9) Isolierbereiche (24) zwischen den einzelnen Kondensatorelemen ten (10) vorgesehen sind.