DE3150059A1 - Kondensator mit veraenderbarer kapazitaet - Google Patents
Kondensator mit veraenderbarer kapazitaetInfo
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Description
Λ-
Kondensator ,mit veränderbarer Kapazität
Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit veränderbarer
Kapazität, bei dem die Kapazitätsänderung über einen breiten Bereich genau gesteuert werden kann.
In herkömmlicher Weise wird ein Element mit PN-Übergang als Kondensator mit veränderbarer Kapazität benutzt,
wie es in Fig. 1 dargestellt ist. In Fig. 1 sind ein Halbleiterbereich 1 vom N-Leitungstyp,' ein Halbleiterbereich
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 nimmt die Verarmungsschicht 8 auf eine an den Leitungsanschlüssen 6 und 7 liegende
Vorspannung ansprechend zu oder ab, wobei die Änderung der Kapazität, die der Zunahme oder der Abnahme der Verarmungsschicht
8 entspricht, zwischen den Leitungsan-Schlüssen 6 und 7 abgenommen wird.
Ein herkömmlicher Kondensator mit veränderbarer Kapazität,
der ein derartiges Element mit PN-Übergang verwendet, hat
die folgenden Nachteile:
T. Aufgrund der Tatsache, dass der herkömmliche Kondensator
mit veränderbarer Kapazität von der Zu- 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
- z-
des Leitfähigkeitsteils bestimmt ist. Ein grosser Variabilitätsbereich des Kapazität bei einem hohen Q-Faktor ist
daher praktisch unmöglich. Je grosser darüberhinaus die
Kapazitätsänderung ist, umso höher wird der Q-Faktor. Bei dem herkömmlichen Kondensator mit veränderbarer Kapazität
bestehen daher Schwierigkeiten in der Auslegung der Schaltung .
2. Aufgrund der Tatsache, dass die Zuführung der Vorspannung zum Ändern der Kapazität und die Abnahme der Kapazitätsänderung
mittels der gemeinsamen Leitungsanschlüsse erfolgen, besteht die Gefahr, dass der Kondensator unerwünschte
Kapazitätsänderungen auf die Spannung des Eingangssignales
selbst bewirkt, wenn er in einem Resonanz- oder Schwing-
Ί 5 kreis usw. verwandt wird, was zu einer Beeinträchtigung
des Signales führt. Da weiterhin eine spezielle Schaltungsanordnung erforderlich ist, bei der die Störungen zwischen
der Eingangssignalspannung und der Vorspannung klein sind,
ist der herkömmliche Kondensator mit veränderbarer 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
keine gute Ausbeute liefern, ist-jedoch eine Ausbildung
in integrierter Form als integrierte Schaltung praktisch unmöglich.
Durch die Erfindung sollen daher die Mängel der herkömmlichen Kondensate iron beseitigt worden und soll insbesondere ein
Kondensator mit veränderbarer Kapazität geschaffen werden, bei dem Kondensatorelemente mit veränderbarer Kapazität,
315 G.0 5 9
die einen Verarmungsschichtsteuerteil und einen Kapazitätsabnahmeteil
umfassen, auf einem Halbleitersubstrat so vorgesehen sind, dass die an allen Kapazitätsabnahmeteilen
erscheinenden Kapazitäten entsprechend der Ladungsträgerkonzentration des Substrates um die Kapazitätsabnahmeteile
herum voneinander verschieden sind.
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 zum Anlegen einer Vorspannung an den Verarmungsschichtsteuerteil
und eine Quelle einer variablen Spannung zum Zuführen der Vorspannung, wobei wenigstens die Teile
des Halbleitersubstrates , an denen sich die Kapazitätsabnahmeteile befinden, so ausgebildet sind, dass sie
voneinander verschiedene Ladungsträgerkonzentrationen haben.
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 Ausführungsbeispiele der Erfindung 6 u. 7
Fig. 8a zeigen eine Schnittansicht und eine Draufsicht
jeweils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
3150C59
Fig. 3 zeigen grafische Darstellungen zur Erläuterung und 4 der Erfindung.
In Fig. 2, die in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemässen Kondensators mit veränderbarer
Kapazität zeigt, sind ein Halbleitersubstrat 9, beispielsweise aus Silicium vom N-Leitungstyp, und Kondensatorelemente
1QA, 1OB, 1OC... mit veränderbarer Kapazität dargestellt, von denen jedes einen Kapazitätsabnahmeteil
13 und einen Verarmungsschichtsteuerteil 16 aufweist.
Der Kapazitätsabnahmeteil 13 umfasst'einen P-Bereich 11,
der im N-Substrat 9 vorgesehen ist,sowie eine Metallelektrode
12, die am P-Bereich 11 vorgesehen ist, während der Verarmungsschichtsteuerteil 16 wenigstens einen P-Bereich
14, der neben dem P-Bereich 11 vorgesehen ist, und eine Metallelektrode 15 umfasst, die am P-Bereich 14
vorgesehen ist.
Wenigstens die Kapazitätsabnahmeteile 13 der Kondensatorelemente
1OA, 1OB, 1OC ... mit veränderbarer Kapazität sind an Teilen im Halbleitersubstrat 9 angeordnet, an denen
die Ladungsträgerkonzentration voneinander verschieden ist. Das Halbleitersubstrat 9 kann so ausgebildet sein, dass
die Ladungsträgerkonzentration allmählich beispielsweise 25. in Richtung des Pfeiles ansteigt oder abnimmt.
In Fig. 2 sind weiterhin eine Vorspannung V_, die gemeinsam
an den Verarmungsschichtsteuerteilen 16 der jeweiligen
Kondensatorelemente 10A, 1OB, 1OC ... mit veränderbarer
Kapazität liegt, Abnahmeanschlüsse 17 und 18 für die Gesamtkapazität
und eine Ohm'sche Elektrode 19 dargestellt, die entlang der Rückfläche des Halbleitersubstrates vorgesehen
ist. .
Bei einer derartigen Anordnung ergibt sich eine Kennlinie der Kapazität C eines der Kondensatorelemente mit veränderbarer
Kapazität bezüglich der Vorspannung Vß, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Kapazität C steigt
auf einen grössten Wert C , wenn die Vorspannung
max
gleich oder nahezu gleich Null ist. Wenn die Vorspannung jedoch rückwärts langsam ansteigt, bis sie den
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 mm
Schwellenwert V. ändert sich entsprechend der Ladungsträgerkonzentration
des Halbleitersubstrates 9 an dem Teil, an dem sich das Kondensatörelement mit veränderbarer
Kapazität, d.h. wenigstens der Kapazitätsabnahmeteil befindet.
Wenn daher die Vorspannung gemeinsam an Kondensatorelementen
mit veränderbarer Kapazität und verschiedenen Schwellenwerten liegt, die in integrierter Form parallel zueinander
im Halbleitersubstrat 9 vorgesehen sind,wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so ergibt sich eine Gesamtkapazitätskennlinie,
die sich stufenartig ändert, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, in der die jeweiligen Kennlinien, wie sie in
Fig. 3 gezeigt sind, fortlaufend angeschlossen sind.
Wenn die jeweilige grösste Kapazität C der Kondensatormax
element 10A, 10B, 1OC ... mit veränderbarer Kapazität auf
einen kleinen Wert festgelegt ist, und eine Vielzahl von Kondensatorelementen 10A, 10B, 10C... mit veränderbarer
Kapazität in integrierter Form ausgebildet ist, wird die Breite der Stufen in der Kennlinie von Fig. 4 kleiner, so
dass eine steil verlaufende und genaue Kapazitätsänderung erhalten wird. Das Verhältnis C /C . kann daher auf
max mm
einen hohen Wert gebracht werden und der Gesamtvariationsbereich der Kapazität kann gross werden. Da weiterhin
nur einige der Elemente empfindlich auf die Vorspannung ansprechend in einem bestimmten Bereich reagieren, während
die anderen auf den Werten C oder C . bleiben, so dass
max min
ein stabiler Zustand gegenüber einer Änderung der Vorspannung beibehalten wird, kann die Änderung des Q-Faktors
klein gehalten werden.
Die Kennlinie der Kapazität C bezüglich der Vorspannung V_, kann in der gewünschten Weise dadurch bestimmt werden,
dass die Abstufung der Ladungsträgerkonzentration des Halbleitersubstrates 9 gesteuert wird.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Kapazitätsabnahmeteil 13 einen sog. MIS-Aufbau
aufweist, der eine Isolierschicht 20, wie beispielsweise eine Oxidationsschicht, die auf dem Halbleitersubstrat 9
ausgebildet ist, und eine Elektrode umfasst, die auf der. Isolierschicht ausgebildet ist.
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.
Wie es oben beschrieben wurde, kann der Kapazitätsabnahmeteil 13 einen Aufbau in Form eines PN-Überganges, einen
MIS-Aufbau oder einen Schottky-Sperrschichtaufbau haben. Einen derartigen Aufbau kann jedoch auch der Verarmungsschichtsteuerteil
16 haben.
Wenn die Teile 13 und 16 so ausgebildet sind, dass sie im umgebenden Halbleitersubstrat PN-übergänge bilden,
kann irgendein gewünschterLeitungstyp gewählt werden.
- Ύ-
Dadurch, dass gleichfalls die Ladungsträgerkonzentration des Halbleitersubstrates konstant gehalten wird, und
das Halbleitersubstrat teilweise mit verschiedenen Ladungsträgerkonzentrationen,
beispielsweise durch Ionenimplantation usw., dotiert wird, ist es möglich, Teile
auszubilden, die die Kondensatorelemente mit veränderbarer
Kapazität und voneinander verschiedener Ladungsträgerkonzentration liefern. D.h., dass irgendeine Massnahme
verwandt werden kann, um für Ladungsträgerkonzentrationen zu sorgen, die relativ verschieden sind.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem isolierte Bereiche 23 zwischen jeweils benachbarten Kondensatorelementen 10A, 10B, 10C... mit veränderbarer
Kapazität vorgesehen sind. Die isolierten Bereiche 23 können aus irgendeinem Isoliermaterial, beispielsweise
als Oxidationsschicht,aus Glas usw. bestehen oder in Form einer Luftisolation ausgebildet sein, indem leere Zwischenräume
vorgesehen sind.
Dadurch, dass die isolierten Bereiche 23 vorgesehen sind, können elektrische Störungen zwischen jeweils benachbarten
Elementen, nämlich beispielsweise eine Änderung des Q-Faktors,verhindert
werden.
Obwohl die Kondensatorelemente mit veränderbarer Kapazität bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen so ausgebildet
waren, dass sie verschiedene Schwellenwerte hatten, ist die erfindungsgemässe Ausbildung darauf nicht beschränkt.
Die Elemente können beispielsweise in Gruppen klassifiziert
sein derart, dass die jeweiligen Gruppen verschiedene Schwellenwerte haben.
Die Elemente müssen weiterhin nicht so angeordnet und ausgebildet sein, dass sich ihre Schwellenwerte allmählich und
regelmässig in einer bestimmten horizontalen Richtung des
Halbleitersubstrates ändern. Da die.Verarmungsschiehtsteuerteile
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 verschiedenen Schwellenwerten willkürlich angeordnet sind.
Fig. 8a und 8b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei Fig. 8a einen Aufbau zeigt, bei dem
die Verarmungsschichts teuerteile 16 und die Kapazitätsab-"*
nahmeteile 13 abwechselnd angeordnet sind, während Fig. 8b das Elektrodenmuster mit den Elektroden 13A und ,16A der
Teile 13 und 16 jeweils zeigt. : . .
Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass die erfindungsgremässe
Ausbildung derart ist, dass eine Vielzahl von Kondensatorelementen
mit veränderbarer Kapazität und jeweils einem Verarmungsschichtsteuerteil und einem Kapazitätsabnahmeteil
an Teilen eines Halbleitersubstrates angeordnet sind, deren Halbleiterkonzentration voneinander verschieden ist,
was folgendes bewirkt:
1. Die Kapazitätsänderung wird über einen breiten Bereichgenau gesteuert, da die Kapazitätsänderungskennlxnie bezüglich
der Vorspannung je nach Wunsch ausgebildet werden kann.
2. Es ist"möglich, eine Änderung'des Q-Fäktors so klein
wie möglich zu halten, sowie den Kapazitätsvariationsbereich
gross auszulegen. .
3. Kapazitätsänderungen, die vom Eingangssignal selbst
hervorgerufen werden, werden klein gehalten, was zu einer
extrem geringen Signalbeeinträchtigung führt, da der Vorspannungsanschluss
und der Kapazitätsabnahmanschluss' unabhängig voneinander vorgesehen sind.
4, Es kann eine bessere Ausbeute erwartet werden, da es nicht notwendig ist, eine Ionenimplantation als Störstellensteuermassnahme
vorzusehen.
5. Wenn der erfindungsgemässe Kondensator in integrierter
Form, in einem Substrat ausgebildet wird/ das einer integrierten Halbleiterschaltung gemeinsam ist, ermöglicht
es der erfindungsgemässe Kondensator mit veränderbarer
Kapazität, 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.
Claims (9)
1. Kondensator mit veränderbarer Kapazität, g e k e η η
zeichnet durch ein Halbleitersubstrat (9), eine
Vielzahl von Kondensatorelementen (10A, 10B, 10C) mit veränderbarer Kapazität, von denen jedes einen Verarmungsschichtsteuerteil
(16) und einen Kapazitätsäbnähmeteil (13) aufweist, die beide auf dem Substrat (9) ausgebildet sind,
eine eine Vorspannung anlegende Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung (V_) an die Verarmungsschichtsteuerteile
(16) und eine Quelle einer variablen Spannung zum Liefern
der Vorspannung (V_), wobei wenigstens die Teile des Halbleitersubstrates
(9), an denen sich die Kapazitätsabnahmeteile (13) befinden, voneinander verschiedene Ladungsträgerkonzentrationen
haben.
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsträgerkonzentration
des Halbleitersubstrates (9) in eine Richtung des Substrates allmählich zunimmt oder abnimmt.
5
3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass isolierte Bereiche (23) zwischen
jeweils benachbarten Kondensatorelementen (1OA, 1OB, 1QC)
mit veränderbarer Kapazität vorgesehen sind.
'
4. Kondensator nach einem der Anspruch -1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Verarmungsschichtsteuerteil
(16) den Aufbau eines PN-Überganges hat.
5. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass der Verarmungsschichtsteuerteil
(16) einen MIS-Aufbau hat.
6. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass der Verarmungsschichtsteuerteil
(16) einen Schottky-Sperrschichtaufbau hat. .
7. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet ,dass der Kapazitätsabnahmeteil (13) den Aufbau eines PN-Überganges hat.
8. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kapazitätsabnahmeteil
(13) einen MIS-Aufbau hat.
9. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kapazitätsabnahmeteil (13) einen Schottky-Sperrschichtaufbau hat.
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| 8141 | Disposal/no request for examination |