DE3150058A1 - Kondensator mit veraenderbarer kapazitaet - Google Patents

Kondensator mit veraenderbarer kapazitaet

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DE3150058A1 DE19813150058 DE3150058A DE3150058A1 DE 3150058 A1 DE3150058 A1 DE 3150058A1 DE 19813150058 DE19813150058 DE 19813150058 DE 3150058 A DE3150058 A DE 3150058A DE 3150058 A1 DE3150058 A1 DE 3150058A1
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Takamasa Tokyo Sakai
Yasuo Sato
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Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
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Description

Kondensator mit veränderbarer Kapazität
Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit veränderbarer Kapazität, der so ausgebildet ist, dass die Kapazitätsänderung in einem breiten Bereich genau gesteuert werden kann.
5
In herkömmlicher Weise wird ein Element mit PN-Übergang, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, allgemein als Kondensator mit veränderbarer Kapazität verwandt. In Fig. 1 sind ein Halbleiterbereich 1 vom N-Leitungstyp, ein HaIbleiterbereich 2 vom P-Leitungstyp, ein PN-Übergang 3, Ohm'sche Elektroden 4 und 5, die an den Bereichen 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 einer derartigen Anordnung wächst und schrumpft die Verarmungsschicht 8 auf eine Vorspannung ansprechend, die an den Leitungsanschlüssen 6 und 7 liegt, wobei die dann hervorgerufene Kapazitätsänderung zwischen den Leitungsanschlüssen 6 und 7 abgenommen wird.
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 Vorspannung Gebrauch macht, ist die kleinste Kapazität durch die Störstellenkonzentration in den Halbleiterbereichen bestimmt, während die grösste Kapazität durch die Zunahme
des Leitfähigkeitsteils bestimmt ist. Es ist daher praktisch unmöglich, einen grossen Variabilitätsbereich der Kapazität zu erhalten, wenn der Q-Faktor gross ist. Je grosser darüberhinaus die Kapazitätsänderung ist, umso grosser wird der Q-Faktor. Der herkömmliche Kondensator mit veränderbarer Kapazität ist daher mit Schwierigkeiten beim Auslegen der Schaltung verbunden. ■
2. Aufgrund der Tatsache, dass das Anlegen der Vorspannung zum Ändern der Kapazität und das Abnehmen der Kapazitätsänderung mittels der gemeinsamen Leitungsanschlüsse erfolgen, besteht die Gefahr, dass der Kondensator eine unerwünschte Kapazitätsänderung auf die Spannung des Eingangssignals selbst zeigt, wenn der Kondensator in einem Resonanz- oder Schwingkreis usw. verwandt wird, was dazu führt, dass eine Beeinträchtigung des Signales hervorgerufen wird. Da weiterhin eine spezielle Schaltungsanordnung erforderlich ist, bei der die Störung zwischen der Eingangssignalspannung und der Vorspannung klein ist, ist der herkömmliche Kondensator mit veTfinderbarer Kapazität auf wenige Anwendungszwecke beschränkt.
3. Die Störstellenkonzentration in den Halbleiterbereichen zum Bestimmen der Kapazität der Verarmungsschicht wird über Steuermassnahmen, wie beispielsweise eine Diffusion, eine Ionenimplantation usw., gesteuert.
Da derartige Massnahmen jedoch keine gute Ausbeute haben, ist eine Ausbildung in integrierter Form als integrierte Schaltung praktisch unmöglich.
Durch die Erfindung sollen die oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher Kondensatoren beseitigt werden und soll insbesondere ein Kondensator mit veränderbarer Kapazität geschaffen werden, bei dem ein Kondensatorelement mit variabler Kapazität ' und einem Verarmungsschichtsteuerteil sowie einem Kapazitäts-
abnahmeteil auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist und die Kapazität, die am Kapazitätsabnahmeteil erscheint, sich entsprechend dem Abstand zwischen dem Verarmungsschichtsteuerteil und dem Kapazitätsabnahmeteil ändert. 5'. . .' ■ -
Der erfindungsgemässe Kondensator mit veränderbarer Kapazität umfasst ein Halbleitersubstrat, eine Vielzahl von Kondensatorelementen mit veränderbarer Kapazität, von denen jedes einen Verarmungsschichtsteuerteil und einen Kapazitätsabnahmeteil aufweist, die beide auf dem Substrat ausgebildet sind, eine eine Vorspannung anlegende Einrichtung, die eine Vorspannung an den Verarmungsschichtsteuerteil legt,und eine Quelle variabler Spannung zum Zuführen der. Vorspannung, wobei die jeweiligen Abstände zwischen den Verarmungsschichtsteuerteilen und den Kapazitätsabnahmeteilen voneinander verschieden sind.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben:
Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht einen herkömmlichen Kondensator mit veränderbarer Kapazität.
Fig, 2, 5, zeigen in Schnittansichten bevorzugte Ausu* führungsbeispiele der Erfindung.
Fig. 8a zeigen eine Schnittansicht und eine Draufsicht
eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 3 zeigen grafische Darstellungen zur Erläuterung
u 4
■-■ * der Erfindung.
Fig. 2 zeigt in einer Schnittansicht ein Äusführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kondensators mit veränderbarer Kapazität, der ein Halbleitersubstrat 9, beispielsweise aus Silicium vom N-Leitungstyp sowie Kondensatorelemente mit veränderbarer Kapazität 1OA, 1OB, 10C ... aufweist, die einen Kapazitätsabnahmeteil 13 und einen Verarmungsschichtsteuerteil -16 haben. Der Kapazitätsabnahmeteil 13 umfasst einen P-Bereich 11, der im N-Substrat 9 vorgesehen ist, sowie eine Metallelektrode 12, die am P-Bereich 11 angeordnet ist, während der Verarmungsschichtsteuerteil 16 wenigstens einen P-Bereich 14, der neben dem P-Bereich 11 vorgesehen ist, sowie eine Metallelektrode
15 umfasst, die am P-Bereich 14 angeordnet ist. Die Abstände L-, L„, L3 ... zwischen den jeweiligen Kapazitätsabnahmeteilen 13 und den Verarmungsschichtsteuerteilen
16 der Kondensatorelemente 10A, 10B, 10C ... mit veränderbarer Kapazität sind so ausgebildet, dass sie voneinander verschieden sind.
Von einer Quelle 20 variabler Spannung liegt eine Vorspannung V_ gemeinsam an den Verarmungsschichtsteuerteilen 16 der Kondensatorelemente 10A, 10B, 10C ... mit veränderbarer Kapazität. In Fig. 2 sind weiterhin Kapazitätsabnahmeanschlüsse 17 und 18 sowie eine Ohm'sche Elektrode 19 dargestellt, die längs der Unterfläche des Halbleitersubstrates vorgesehen ist.
Bei einer derartigen Anordnung ergibt sich eine Kennlinie der Kapazität C eines der Kondensatorelemente mit veränderbarer Kapazität bezüglich der Vorspannung Vn, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Kapazität C steigt auf den gröss-
ten Wert C an, wenn die Vorspannung gleich Null oder max
nahezu gleich Null wird. Wenn jedoch die Vorspannung 35
.- ■■. -sr- *
rückwärts etwas zunimmt,- bis sie einen bestimmten Wert V., d.h. den Schwellenwert des Elementes erreicht, nimmt · die Kapazität C schnell auf den kleinsten Wert C- ab, woraufhin sie auf diesem Wert bleibt. Der Schwellenwert Vfc ändert sich entsprechend den Abständen L-, L„/ L, ...
zwischen den Kapazitätsabnahmeteilen 13 und den Verarmungsschichtsteuerteilen 16 der Kondensatorelemente 1OA, 1OB, 10C mit veränderbarer Kapazität derart, dass der Schwellenwert V. umso grosser wird, je grosser Abstand L-j, L2, L2... wird. ■
Wenn daher eine Vorspannung gemeinsam an Kondensatorelementen mit veränderbarer Kapazität liegt, die verschiedene Schwellenwerte haben, und parallel im Halbleitersubstrat in integrierter Form ausgebildet sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so ergibt sich eine Gesamtkapazitätskennlinie, die sich stufenweise in der in Fig. 4 dargestellten Weise ändert, in der die jeweiligen Kennlinien, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, fortlaufend angeschlossen sind.
· Wenn die jeweils grösste Kapazität C der Kondensatorelemente 10A, 10B, 10C ... mit veränderbarer Kapazität auf einen kleinen Wert festgelegt ist und eine Vielzahl von Kondensatorelementen 10A, 10B, 10C ... mit veränderbarer Kapazität in integrierter Form vorgesehen ist, wird die Breite der Stufen in der in Fig. 4 dargestellten Kennlinie kleiner, so dass eine steil verlaufende und genaue Kapazitätsänderung erhalten wird. Das Verhältnis C /C . kann daher
max mxn
auf einen hohen Wert gebracht werden und der Gesamtvariationsbereich der Kapazität wird gross. Da weiterhin nur einige der Elemente empfindlich auf die Vorspannung in einem gegebenen Bereich reagieren,während die anderen auf den Werten C oder C . bleiben, um dadurch stabile Verhältnisse gegenüber einer Änderung der Vorspannung beizubehalten, kann eine Änderung des Q-Faktors klein gehalten werden.
- st -%
Die Kennlinie der Kapazität C und der Vorspannung V kann in der gewünschten Weise durch eine Steuerung der Abstände L-, L3, L, ... zwischen den Kapazitätsabnahmeteilen 13 und den Verarmungsschichtsteuerteilen 16 im Halbleitersubstrat 9 bestimmt werden.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Kapazitätsabnahmeteil 13 einen sog. MIS-Aufbau hat, der eine dünne Isolierschicht 20, beispielsweise eine Oxidationsschicht, die auf dem Halbleitersubstrat 9 ausgebildet ist, und eine auf der Isolierschicht vorgesehene Elektrode umfasst.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel· der Erfindung, bei dem der Kapazitätsabnahmeteil 13 einen sog. Schottky-Sperrschichtaufbau hat, der eine metallische halbleitende Sperrschicht umfasst, die zwischen dem Halbleitersubstrat 9 und einem darauf vorgesehenen gewünschten Metall 22 ausgebildet ist.
20
Wie es oben beschrieben wurde, kann der Kapazitätsabnahmeteil 13 einen Aufbau in Form eines PN-überganges, einen MIS-Aufbau oder einen Schottky-Sperrschichtaufbau haben. Der Verarmungsschichtsteuerteil 16 kann jedoch gleichfalls in dieser Form ausgebildet sein.
Wenn weiterhin die Teile 13 und 16 so ausgebildet sind, dass sie im Halbleitersubstrat PN-Übergänge bilden, kann irgendein gewünschter Leitfähigkeitstyp gewählt werden. * Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem isolierte Bereiche 23 zwischen den jeweils benachbarten Kondensatorelementen 10A, 1OB, 10C ... mit veränderbarer Kapazität ausgebildet sind. Die isolierten Bereiche 23 können von irgendeinem Isoliermaterial, beispielsweise
» Γ «I I- r » · i-
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* * * · i 		• ♦ to *
einer Oxidationsschicht, Glas usw., gebildet sein, oder in Form einer Luftisolation ausgebildet sein, indem leere Zwischenräume vorgesehen sind.
Dadurch, dass in dieser Weise die isolierten Bereiche 23 vorgesehen sind, können elektrische Beeinflussungen oder Störungen zwischen benachbarten Elementen, d.h. eine Änderung des Q-Faktors beispielsweise verhindert werden.
Obwohl die Kondensatorelemente mit veränderbarer Kapazität bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen so ausgebildet waren, dass sie verschiedene Schwellenwerte haben, ist die erfindungsgemässe Ausbildung nicht auf eine derartige Anordnung beschränkt. Die Kondensatorelemente können beispielsweise auch in, Gruppen klassifiziert sein derart, dass die Schwellenwerte für die jeweiligen Gruppen ver-. schieden sind.
Weiterhin müssen die Elemente nicht so angeordnet sein, dass sich die Schwellenwerte allmählich und regelmässig in einer bestimmten horizontalen Richtung des Halbleitersubstrages ändern. Da die Verarmungsschichtsteuerteile der jeweiligen Elemente gemeinsam mit derselben Vorspannung versorgt werden, ist es möglich, immer die in Fig. 4 dargestellte Kennlinie zu erhalten, bei der sich die Kapazität stufenweise ändert, selbst wenn die Elemente mit den verschiedenen Schwellenwerten willkürlich angeordnet sind.
Fig. 8a und 8b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 8a den Aufbau zeigt, bei dem die Verarmungsschichtsteuerteile 16 und die Kapazitätsabnahmeteile 13 abwechselnd angeordnet sind,'während Fig. 8b das Elektrodenmuster mit den Elektroden 13A und 16B der Teile 13 und 16 jeweils zeigt.
-js- 10
Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass bei dem erfindungsgemässen Kondensator/ bei dem eine Vielzahl von Kondensatorelementen mit veränderbarer Kapazität und jeweils einem Verarmungsschichtsteuerteil und einem Kapazitätsabnahmeteil auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, die jeweiligen Abstände zwischen den Verarmungsschichtsteuerteilen und den Kapazitätsabnahmeteilen voneinander verschieden sind, was die folgenden Auswirkungen hat:
10
1. Die Kapazitätsänderung wird genau über einen . breiten Bereich gesteuert, da die Kapazitätsänderungskennlinie bezüglich der Vorspannung in der gewünschten Weise ausgelegt werden kann.
2. Es ist möglich, eine Q-Faktoränderung klein zu halten und gleichzeitig den Kapazitätsänderungsbereich gross
zu machen. '
3. Die Kapazitätsänderung, die vom Eingangssignal selbst hervorgerufen wird, wird klein gehalten, was zu einer extrem geringen Signalbeeintrachtigung führt, da der Anschluss für die Vorspannung und der Anschluss für die Abnahme der Kapazität unabhängig voneinander vorgesehen sind.
4. Es kann eine bessere Ausbeute erwartet werden, da es
nicht notwendig ist, eine Ionenimplantation als Störstellensteuermassnahme vorzusehen.
30
5. Wenn der erfindungsgemässe Kondensator in integrierter Form in einem Substrat ausgebildet ist, das einer integrierten Halbleiterschaltung gemeinsam ist.,macht- es der Kondensator möglich, das Bauteil in seiner Grosse so klein wie möglich zu halten und dem Bauteil ein geringes Gewicht zu geben, was zur Herabsetzung der Herstellungskosten beiträgt.
Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Abstand zwischen einem Verarmungsschichtsteuerteil und einem Kapazitätsabnahmeteil der Abstand zwischen den Stellen dieser Teile ist, an denen sie mit ihrem Verhalten auf dem Halbleitersubstrat im wesentlichen beginnen.

Claims (7)

  1. Patentanwälte Dipl.-Ing. HJwiiCKMA-Nfc, Dtva-PUrs. Dr. K. Pincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber 1500 53 Dr-Ing. H. LisKA
    8000 MÖNCHEN «6
    POSTPACH 860820 1 ^ ϋβΖ. 1981
    MUHISTRASSE K
    TELFFON (019) »10352
    TELEX S 22 621
    TULUGKAMM ΓΛΤΙ· NTWI-ICKMANN MONCI 11!N
    FP-81-120
    Clarion Co., Ltd. P/ht.
    35-2 Hakusan 5-chome, Bunkyo-ku
    Tokyo, Japan
    Kondensator mit veränderbarer Kapazität
    PATENTANSPRÜCHE
    Kondensator mit veränderbarer Kapazität, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (9), eine Vielzahl von Kondensatorelementen (1OA,10B, 1OC ) mit veränderbarer Kapazität, von denen jedes einen Verarmungsschichtsteuerteil (16) und einen Kapazitätsabnahmeteil
    (13) aufweist, die beide auf dem Substrat (9) ausgebildet sind, eine eine Vorspannung anlegende Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung (V_,) an den Verarmungsschichtsteuerteil (16), und eine Quelle (20) einer variablen Spannung zum Liefern der Vorspannung (Vn), wobei die jeweiligen Abstände (L1, L2, L3...) zwischen den Verarmungsschichtsteuerteilen (16) und den Kapazitätsabnahmeteilen (13) voneinander verschieden sind.
  2. 2. Kondensator nach Anspruch V, dadurch gekennzeichnet , dass isolierte Bereiche (23) zwischen den jeweils benachbarten Kondensatorelementen (TOA, 1OB, 10C...) mit veränderbarer Kapazität vorgesehen sind.
  3. 3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verarmungsschichtsteuerteil (16) den Aufbau eines PN-Überganges hat.
  4. 4. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Verarmungsschichtsteuerteil (16) einen MIS-Aufbau hat.
  5. 5. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch
    gekennzeichnet, dass der Verarmungsschientsteuerteil (16) einen Schottky-Sperrschichtaufbau hat.
  6. 6. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapazitätsabnahmeteil (13) den Aufbau eines PN-Überganges hat.
  7. 7. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das der- Kapazitätsabnahmeteil (13) einen MIS-Aufbau hat. ·
    •8. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapazitätsabnahmeteil (13) einen Schottky-Sperrschichtaufbau hat.
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