DE3226673A1

DE3226673A1 - Kapazitaetsvariationsvorrichtung

Info

Publication number: DE3226673A1
Application number: DE19823226673
Authority: DE
Inventors: Shoichi Tokyo Minagawa; Takamasa Sakai
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1981-07-17
Filing date: 1982-07-16
Publication date: 1983-02-17
Also published as: FR2509907A1; NL8202890A; GB2104725A; GB2104725B; US4529995A; FR2509907B1

Description

Kapazitatsvariationsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Kapazitätsvariationsvorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sich ihre Kapazität stark mit Änderungen in der Vorspannung in Sperrichtung ändert.

Als Kapazitätsvariationsvorrichtung wird bisher ein Element mit PN-Übergang verwandt, wie es in Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung dargestellt ist. In Fig. 1 sind eine Halbleiterschicht 1 vom N-Leitungstyp, ein Bereich 2 vom P-Leitungstyp, ein PN-Übergang 3, Elektroden 4 und 5, die jeweils auf der Schicht 1 vom N-Leitungstyp und dem Bereich 2 vom P-Leitungstyp angeordnet sind, Zuleitungsdrähte 6 und 7, die jeweils an den Elektroden 4 und 5 angeordnet sind,und eine Sperrschicht 8 dargestellt, die sich vom PN-Übergang 3 aus hauptsächlich auf die Seite der Schicht 1 vom N-Leitungstyp mit niedriger Störstellenkonzentration erstreckt. In Abhängig von der Vorspannung in Sperrichtung, die zwischen den Zuleitungsdrähten 6 und 7 anliegt, dehnt sich die Sperrschicht 8 aus und zieht sich die Sperrschicht zusammen, wobei die Kapazitätsänderungen aufgrund der Ausdehnung und des Zusammenziehens der Sperrschicht zwischen den Zuleitungsdrähten 6 und 7 abgenommen werden.

Die bekannten Kapaz ität:5variationsvorrichtungen, die ein Element mit PN-Übergang verwenden, wie es oben beschrieben wurde, haben jedoch die folgenden Nachteile.

1. Da diese bekannten Vorrichtungen die Abhängigkeit der Kapazität der Sperrschicht in einen PN-Übergang von der Vorspannung ausnutzen, ist der kleinste Werte der Kapazität durch die Störstellenkonzentration der Halbleiterbereiche ,

bestimmt und ist andererseits der grösste Werte durchdie Zunahme einer Leitwertkomponente bestimmt. Es ist daher praktisch unmöglich, einen breiten Bereich von Kapazitätsänderungen zu erhalten, wenn der Q-Faktor gross ist. Da Änderungen des Q-Faktors aufgrund von Kapazitätsänderungen gross sind, ergeben sich gleichfalls Schwierigkeiten in der Schaltungsausiegung.

2. Da das Anlegen der Vorspannung zum Ändern der Kapazität und zum Abnehmen der Kapazitätsänderungen über gemeinsame Zuleitungsdrähte erfolgt/ werden unnötige Kapazitäts-• änderungen durch die Eingangssignalspannungen selbst leicht hervorgerufen, wenn die Vorrichtung bei einem Resonanzkreis usw. angewandt wird, was zu Signalbeeinträchtigungen . führt. Da ein spezieller Schaltungsaufbau zum Herabsetzen der Wechselwirkung zwischen den Eingangssignalspannungen und der Vorspannung erforderlich ist, sind die Anwendungsmöglichkeiten darüberhinaus beschränkt.

3. Die Störstellenkonzentrationsregulierung für den Halbleiterbereich zum Einstellen der Kapazität der Sperrschicht erfolgt mittels einer Regulierung, wie beispielsweise eines Ionenimplantationsverfahrens.Da die Produktiv!-, tat eines derartigen Verfahrens im allgemeinen niedrig ist, ist es praktisch unmöglich, die Vorrichtung in Form einer integrierten Schaltung auszubilden.

Durch die Erfindung sollen die oben beschriebenen Probleme ■ beseitigt werden und soll somit eine Kapazitätsvariations-.vorrichtung geschaffen werden, die so aufgebaut ist, dass bei Verwendung eines Halbleitersubstrats mit Halbleiterbereichen von einem zweiten Leitungstyp, die wahlweise in einem Oberflächenteil einer Halbleiterschicht von einem ersten Leitungstyp ausgebildet sind, und einer Schicht' zum Erzeugen einer Sperrschicht, die auf der Oberfläche ausgebildet ist,die dem Oberflächenteil der Halbleiter-

schicht vom ersten Leitungstyp gegenüberliegt, wobei die Bereiche vom zweiten Leitungstyp als die Verarmungsschicht begrenzende Bereiche und Kapazitätsabnahmeteile wirken, die Mangel der bekannten Vorrichtungen beseitigt sind. 5

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer bekannten

Kapazitatsvariationsvorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Kapazitäts-Variationsvorrichtung.

Fig. 3 zeigt grafische Darstellungen zur Erläuterung der erfindungsgemässen Ausbildung.

Fig. 4, · zeigen in Querschnittsansichten weitere Aus^u" führungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren

Ausführungsbeispiels der Erfindung, und . 25

Fig. 8 zeigt das äquivalente elektrische Schaltbild der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung..

Fig. 2 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Kapazitätsvariationsvorrichtung. In Fig. 2 sind eine Schicht 9 vom N-Leitungstyp, eine Schicht 10 vom P-Leitungstyp, die auf dieser Schicht 9 vom N-Leitungstyp ausgebildet ist, Bereiche 11 vom N-Leitungstyp, die wahlweise in der Schicht 10 vom P-Leitungstyp ausgebildet sind, eine Isolierschicht 12, eine die

Sperrschicht steuernde Elektrode 13, die auf der Schicht 9 vom N-Leitungstyp ausgebildet ist, Elektroden 14 zum Abnehmen der Kapazität, die .in den Bereichen 11 vom N-Leitungstyp ausgebildet sind, eine gemeinsame Gegenelektrode 15 für beide Elektroden 13 und 14 und Anschlüsse R₁ zum Abnehmen der Kapazität dargestellt.

Wenn bei dem oben beschriebenen Aufbau eine Vorspannung V_n in Sperrichtung zwischen der Sperrschichtsteuerelektrode 13 und der gemeinsamen Elektrode 15 anliegt, beginnt sich die Sperrschicht 8 vom PN-Übergang 3 hauptsächlich auf der Seite der Schicht 10 vom P-Leitungstyp mit niedriger StörStellenkonzentration auszudehnen. Die Stärke d dieser Sperrschicht ändert sich mit der Vorspannung V_R in Sperrrichtung und nimmt mit zunehmender Spannung V₁,. zu, wie es durch eine ausgezogene Linie in Fig. 3A dargestellt ist. Wenn Bereiche mit einem anderen Leitungstyp, beispielsweise Bereiche 11 vom N-Leitungstyp im Oberflächenteil der Schicht 10 vom P-Leitungstyp vorhanden sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, wird die Sperrschicht daran gehindert, sich in diese Bereiche 11 hineinzuerstrecken, wenn die Sperrschicht 8, die sich mit zunehmender Vorspannung in Sperrichtung V₇, ausdehnt, diese Bereiche 11 vom N-Leitungstyp erreicht. D.h., dass in diesem Fall die Bereiche 11 vom N-Leitungstyp als die Sperrschicht beschränkende Bereiche wirken. Folglich dehnt sich danach die Sperrschicht 8 weiter nach oben in einen Teil der Schicht vom P-Leitungstyp, der neben den Bereichen 11 vom N-Leitungs-. typ liegt, in konzentrierter Weise aus. In dem Fall, in dem die Sperrschicht begrenzende Bereiche vorhanden sind, ändert sich die Stärke d der Sperrschicht 8 gegenüber der Vorspannung in Sperrichtung in der Weise, wie es durch eine unterbrochene Linie in Fig. 3A dargestellt ist, so dass dann, wenn die Sperrschicht einmal die Bereiche 11 vom N-Leitungstyp erreicht hat, die Stärke der Sperrschicht

• « * w«

• · * vv V

• · * «Μ VVWv

schnell mit zunehmender Vorspannung V_n in Sperrichtung zunimmt. Das bedeutet, dass die Kapazität in einem breiteren Bereich für einen gegebenen Variationsbereich der Vorspannung in Sperrichtung variiert werden kann. Fig. 3B zeigt die Kennlinien, die die Änderungen der Kapazität C gegenüber der Vorspannung V_R in Sperrichtung wiedergeben. Die ausgezogene und die unterbrochene Linie in Fig. 3B entsprechen den in Fig. 3A dargestellten Linien.

Die Kapazität zwischen den Kapazitatsabnahmeelektroden

14 und der gemeinsamen Elektrode 15 ist folglich eine Übergangskapazität an der Grenzfläche zwischen einem Teil der Schicht vom P-Leitungstyp, wo die Sperrschicht 8 nicht verläuft, und den Bereichen 11 vom N-Leitungstyp.

Da diese Obergangskapazität sich den Änderungen in der Sperrschicht 8 entsprechend ändert, die mit zunehmender Vorspannung V_R in Sperrichtung stärker wird, nimmt diese Kapazität mit zunehmender Spannung V_x, ab.

An den Kapazitatsabnahmeanschlüssen R., die mit den Kapazitatsabnahmeelektroden und der gemeinsamen Elektrode

15 jeweils verbunden sind, ist es mit anderen Worten möglich, durch die Vorspannung V_R in Sperrichtung zwischen .

der die Sperrschicht steuernden Elektrode 13 und der gemeinsamen Elektrode 15 gesteuerte Änderungen in der Kapazität abzunehmen.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem insbesondere die Querschnittsform der Bereiche vom N-Leitungstyp abgewandelt ist. D.h., dass jeder Bereich 11 vom N-Leitungstyp einon zweiteiligen Aufbau aus einem ersten Bereich 11A vom N-J^itungstyp mit einem kleineren Krümmungsradius und aus einem zweiten Teil 11B vom N-Leitungstyp mit einem grösseren Krümmungsradius hat.Durch

- fs- -

die Ausbildung eines Aussenumfanges mit verschiedenen Krümmungsradien in der Querschnittsform der Bereiche 11 vom N-Leitungstyp in der oben beschriebenen Weise ist es möglich, die Art der Ausdehnung der Sperrschicht mit Änderungen in der Vorspannung in Sperrichtung zu ändern, und insbesondere die Änderungen in der Kapazität weniger abrupt bei relativ niedrigen Vorspannungen in Sperrichtung zu machen. In dieser Weise ist es möglich, den zur Zunahme der cibgenommenen Kapazität beitragenden Flächenbereich grosser zu machen· und dadurch den Bereich der Halbleiterplättchen herabzusetzen-, der für einen gegebenen Variationsbereich der abgenommenen Kapazität notwendig ist.

Der zweiteilige Aufbau, wie er oben beschrieben wurde, kann leicht mit dem bekannten selektiven Diffusionsverfahren gebildet werden. Dieser Aufbau ist nicht auf einen zweiteiligen beschränkt, ein mehrteiliger Aufbau aus mehr als zwei Teilen ist gleichfalls möglich.

. .

Fig. 5 zeigt ein weiteres Äusführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine zweite Schicht 16 vom P-Leitungstyp und einer StörStellenkonzentration, die kleiner als die der Schicht 10 vom P-Leitungstyp ist, d.h. eine sog. P-Schicht mit hohem spezifischen Widerstand zwischen der Schicht vom N-Leitungstyp und der Schicht 10 vom P-Leitungstyp angeordnet ist. Durch das Anordnen einer Schicht 16 mit hohem spezifischen Widerstand vom gleichen Leitungstyp neben der Schicht 10 vom P-Leitungstyp ist es möglich, die Ausbreitung der Sperrschicht bei kleinen Vorspannungen in Sperrichtung ohne Beitrag zu Kapazitätsänderungen gross zu machen und dadurch den Vorspannungsverlust in Sperrrichtung herabzusetzen. Gleichzeitig kann die parasitäre Kapazität auf einem niedrigen Wert gehalten werden.

Fig. 6 zeigt noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Bereiche vom N-Leitungstyp eine abgewandelte Querschnittsform haben.

' Fig. 7 zeigt noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Kapazität zwischen den Elektroden 14 abgenommen wird.

Wie es oben beschrieben wurde, ist die Kapazität zwischen den Kapazitätsabnahmeelektroden 14 und der gemeinsamen Elektrode 15 eine Übergangskapazität C. oder C₂ an der Grenzfläche zwischen einem Teil der Schicht vom P-Leitungstyp, an dem die Sperrschicht 8 nicht verlauft_;und den Bereichen 11 vom N-Leitungstyp. Andererseits bleibt die Übergangskapazität zwischen zwei Bereichen 11 vom N-Leitungstyp konstant, da sie äquivalent der Kapazität von Dioden D.. und D- ist, die in Reihe zueinander und gegeneinander zwischen zwei Kapazitätsabnahmeelektroden 14 geschaltet sind, wie es durch das äquivalente Schaltbild in Fig. 8 dargestellt ist. Wenn ein äusseres Eingangssignal

&V an den Dioden liegt, ist die; Richtung der Kapazitätsänderung für die Dioden entgegengesetzt, wie es durch die folgenden Gleichungen dargestellt ist.

D.h. , dass ohne äusseret; Eingangssignal gilt:

1/C = 1/C₁ + 1/C₂ .(A)

Wenn ein äusseres Eingangssignal AV anliegt, ändert sich C in C', so dass gilt:

1/C = 1/C₁ ¥ AV + 1/C₂ + AV ¹ ) ¥ 1/C„(r

,+Δν/C

₁₁) + 1/C₂(1+AV/C₂)

= 1/C₁ + 1/C₂ = 1/C . ■ (B)

Folglich ist B immer mit' A identisch, was bedeutet, dass die Kapazität C, die an den Anschlüssen der Dioden D^ und D₂ abgenommen wird, immer und zwar unabhängig vom . Eingangssignal AV annähernd konstant ist. 5

Diese Übergangskapazität C ändert sich den Änderungen der Sperrschicht 8 entsprechend und wird kleiner mit zunehmender Vorspannung V₁₃ in Sperrichtung, da damit die Sperrschicht dicker wird. Zwischen den beiden Kapazitätsabnahmeelektroden 14 werden somit Kapazitätsänderungen abgenommen, die durch die Vorspannung V_R in Sperrichtung gesteuert sind, die zwischen der Sperrschichtsteuerelektrode 13 und der gemeinsamen Elektrode 15 anliegt. Das Abnehmen oder Auslesen der Kapazität in der oben beschriebenen Weise kann auch bei den in Fig. 4 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen angewandt werden.·

Bei den obigen Ausführungsbeispielen diente ein PN-Übergangsaufbau als Schicht zum Erzeugen einer Sperrschicht, indem eine die Sperrschicht steuernde Elektrode vorgesehen ist. Der Aufbau ist jedoch nicht auf einen PN-Übergang beschränkt, andere Konstruktionen, beispielsweise ein MIS-Aufbau, ein Schottky-Sperrschichtaufbau usw. können gleichfalls verwandt werden,

Da gemäss der Erfindung bei Verwendung eines Halbleitersubstrats mit Bereichen von einem zweiten Leitungstyp, die wahlweise im Oberflächenteil einer Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp ausgebildet sind, und einer Schicht, die eine Sperrschicht bildet, die auf derjenigen Oberfläche ausgebildet ist, die dem Oberflächenteil der Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp gegenüberliegt, die Bereiche vom zweiten Leitungstyp als die Sperrschicht beschränkende Schicht .und gleichzeitig als Kapazitätsabnahmeteil wirken, ergeben sich in der oben beschriebenen Weise Kapazitätsänderungen in einem breiteren Bereich als es dann der Fall ist, wenn einfach eine Sperrschicht, benutz t . wird, die durch eine Vorspannung in Sperrrichtung gebildet wird. Da der die Sperrschicht steuernde Teil und der Kapazitätsabnahmeteil unabhängig voneinander ausgebildet sind, können darüberhinaus negative Einflüsse aufgrund der Eingangssignale vermieden werden. Da weiterhin die Kapazität der Sperrschicht nicht nur durch die Störstellenkonzentration in' den Halbleiterschichten bestimmt ist, sind komplizierte Einrichtungen oder Massnahmen, die zum genauen Steuern der Störstellenkonzentration notwendig sind, nicht mehr erforderlich, so dass eine Integration derartiger Kapazitätsvariationsvorrichtungen in Form integrierter Schaltungen möglich wird.

Es ist ersieht, dass die P- und N-Leitungstypen willkürlichausgestauscht werden können.

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. ^εΥοκίφΑΝί?,* Dipl.;-PhVs. Dr. K. Fincke

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Dipl.-Ing. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska

8000 MÜNCHEN 86 1 6· J U 11 1982

POSTFACH 860 820

MOHLSTRASSE 22

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35-2 Halcusan 5-ch.ome, Btulkyo-ku.

Tokyo / Japan _P/ht>

Eapazitätsvaria-blonsvorrlclatung

PATENTANSPRÜCHE

Kapazitätsvariationsvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat mit einer Halbleiterschicht (10) von einem ersten Leitungstyp, wenigstens einem Bereich (11) von einem zweiten Leitungstyp, der wahlweise in einem Oberflächenteil der Halbleiterschicht (10) vom ersten Leitungstyp ausgebildet ist,und mit einer Grenzschicht zum Bilden einer Sperrschicht (8), die an der Oberfläche ausgebildet ist, die dem Oberflächenteil der Halbleiterschicht(10) vom ersten Leitungstyp gegenüberliegt, einen Kapazitätsabnahmeteil (14), der an dem wenigstens einen Halbleiterbereich (11) vom zweiten Leitungstyp angeordnet ist, einen Sperrschichtsteuerteil (13), der an der Oberfläche angeordnet ist,

die dem Oberflächenteil gegenüberliegt, und eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an den Sperrschichtsteuersteil (13).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , dass eine Vielzahl von Halbleiterbereichen (11) vom zweiten Leitungstyp vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichne t durch eine gemeinsame Elektrode (15)·, die auf der Oberfläche der Halbleiterschicht (10) vom ersten Leitungstyp angeordnet ist, wo der wenigstens eine Bereich (11) vom zweiten Leitungstyp ausgebildet ist, wobei Kapazitätsabnahmeanschlüsse zwischen der gemeinsamen Elektrode (T5) und dem Kapazitätsabnahmeteil (14) angeordnet sind.

f.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere Halbleiterschicht (16) vom ersten Leitungstyp, die zwischen der Halbleiterschicht (10) vom ersten Leitungstyp und der die Sperrschicht bildenden Schicht angeordnet ist, wobei die Störstellenkonzentration der weiteren Schicht (16) vom ersten Leitungstyp niedrigerer als'die der Halbleiterschicht (10) vom ersten Leitungstyp ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der wenigstens eine Bereich (11) vom zweiten Leitungstyp im Querschnitt im wesentlichen eine Kreisform hat.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Bereich (11) vom zweiten Leitungstyp aus zwei Teilen (11A und 11B) besteht, die im Querschnitt im wesentlichen eine Kreisform mit verschiedenen Krümmungsradien haben.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , dass wenigstens ein Paar von Bereichen (11) vom zweiten Leitungstyp vorgesehen ist, und dass die Kapazitätsabnahmeanschlüsse zwischen den beiden Kapazitätsabnahmeteilen (14) angeordnet sind, die auf jedem Element des Paares angeordnet sind.·