DE3406437A1 - Kondensatorelement mit einstellbarer kapazitaet - Google Patents
Kondensatorelement mit einstellbarer kapazitaetInfo
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Description
OHUVHO I
Kondensatorelement mit einstellbarer Kapazität
Die Erfindung betrifft ein Kondensatorelement mit einstellbarer Kapazität, bei dem insbesondere Kapazitätsschwankungen in Abhängigkeit von den Potentialen der Eingangssignale
vermindert sind.
5
5
Eines der bekannten Kondensatorelemente mit einstellbarer Kapazität verwendet eine Diode mit PN-Übergang, wie sie
in Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung dargestellt ist. In Fig. 1 sind ein N-leitender Halbleiterbereich 1, ein P-leitender
Halbleiterbereich 2, ein PN-Übergang 3, Ohmsche Elektroden 4 und 5, die am N-leitenden und P-leitenden
Bereich 1 und 2 jeweils angebracht sind, Leitungsanschlüsse 6 und 7, die von den Ohmschen Elektroden 4 und
jeweils ausgehen,und eine Sperrschicht 8 dargestellt.
Die Sperrschicht 8 ändert ihr Volumen nach Massgabe einer Vorspannung, die an den Leitungsanschlüssen 6 und 7 liegt,
so dass eine Kapazität zwischen den Anschlüssen 6 und 7 wahrgenommen wird, die dem Volumen der Sperrschicht 8 entspricht.
Das bekannte Element verwendet jedoch die Leitungsanschlüsse 6 und 7 sowohl als Kapazitätsabnahmeklemmen (Elektroden)
zum Abnehmen der sich ergebenden Kapazität als auch als Vorspannungsklemmen, um das Volumen der Sperrschicht 8
zu ändern. Die Sperrschicht 8 ändert daher ihr Volumen nicht nur mit der anliegenden Vorspannung, sondern auch mit dem
anliegenden Eingangssignal zwischen den Leitungsanschlüssen 6 und 7, was dadurch zu einer Schwankung in der sich er-
3A0S-A37
- Or -
gebenden Kapazität führt. Wenn ein derartiges Kondensatorelement in einer Abstimmschaltung verwandt wird, führen
derartige Schwankungen der sich ergebenden Kapazität zu -- Abstimmfehlern und Beeinträchtigungen der Kreuzmodulationscharakteristik.
Die sich ergebende Kapazität schwankt insbesondere durch die Potentiale der am Element liegenden
Eingangssignale, wobei darüberhinaus diese Schwankung nicht linear ist. Das bedeutet, dass derartige Eingangssignale frequenzmoduliert werden und andere hochfrequente
Anteile als die Eingangssignale selbst im Ausgangssignal dementsprechend auftreten.
Ein derartiges bekanntes Kondensatorelement mit einstellbarer Kapazität bringt daher die folgenden Schwierigkeiten
mit sich:
1. Die sich ergebende Kapazität wird stark durch die
Potentiale der Eingangssignale beeinflusst.
2. Die Doppelverwendung der Elektroden als Kapazitätsabnahmeelektroden
und als Vorspannungselektroden erlaubt keine freie Wahl der Auslegung der Schaltungsanordnung.
3. Da die Kapazitätsänderung von der Ladungsträgerdichte eines Halbleiterbereiches des Elementes abhängt, kann
der Variationsbereich nicht sehr vergrössert werden.
4. Aufgrund der verschiedenen Beschränkungen beim Herstellungsverfahren
des Elementes ist es schwierig, das Element zusammen mit anderen Hochfrequenz- und Zwischenfrequenzschaltungselementen
auf einem einzigen Substrat in integrierter Form auszubilden.
Durch die Erfindung soll daher ein Kondensatorelement mit
einstellbarer Kapazität geschaffen werden, dessen Kapazität
-T-
-C
kaum.durch die Eingangssignale beeinflusst wird und statt
dessen nur durch die Vorspannungen bestimmt ist.
Das erfindungsgemässe Kondensatorelement mit einstellbarer
Kapazität umfasst dazu eine Sperr Schichtsteuereinrichtung und eine Kapazitätsabnahmeeinrichtung mit einer Kapazitätsabnahmeelektrode,
die beide auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet und durch eine Isolierschicht beabstandet sind, wobei das
erfindungsgemässe Element insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass das Oberflächenpotential des Halbleitersubstrates
■ unter der Kapazitätsabnahmeelektrode gespeichert wird, so
dass die Kapazität, die auf eine Vorspannung, die an der Sperrschichtsteuereinrichtung liegt, ansprechend an der
Kapazitätsabnahmeeinrichtung auftritt, nur zwei stabile Werte, nämlich einen grossen und einen kleinen Wert einnehmen
kann.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:
20
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines bekannten Kondensatorelementes
mit einstellbarer Kapazität.
Fig. 2a, zeigen Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäss mit einstellbarer Kapazität.
g
5 ' * spielen des erfindungsgemässen Kondensatorelementes
5 ' * spielen des erfindungsgemässen Kondensatorelementes
Fig. 2b, zeigen die Kennlinien der in den Fig. 2a, 3a, 4a
' ' und 5 jeweils dargestellten Elemente. 30
Fig. 8 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Kondensatoreinrichtung
mit einstellbarer Kapazität, die eine Vielzahl von Kondensatorelementen mit einstellbarer
Kapazität gemäss der Erfindung umfasst. 35
Fig. 9a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl von Kondensatorelementen mit einstell-
barer Kapazität gemäss der Erfindung/ die auf einem Halbleitersubstrat integriert sind.
5
Fig. 9b zeigt eine Querschnittsansicht des in Fig. 9a
dargestellten Aufbaues.
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer integrierten
Schaltung, bei der eine Vielzahl von Kondensatorelementen mit einstellbarer Kapazität
gemäss der Erfindung und dafür vorgesehene Schaltungselemente mit Schaltfunktion auf einem einzigen
Halbleitersubstrat in integrierter Form ausgebildet sind.
Fig. 2a und 2b bis 4a und 4b zeigen Querschnittsansichten und in grafischen Darstellungen die Kennlinien von Kondensator- ^
elementen mit einstellbarer Kapazität in MIS-Struktur zur
Erläuterung der Erfindung. Das Halbleitersubstrat weist einen t
N-leitenden Halbleiterbereich 11 auf. Das Substrat enthält
gleichfalls P+ leitende Bereiche 12A und 12B. Zwischen .dem
N-leitenden Halbleiterbereich 11 und den P+ leitenden Bereichen 12A und 12B sind PN-übergänge 13 ausgebildet. Eine Isolierschicht
14 ist auf dem N-leitenden Halbleiterbereich 11 so ausgebildet, dass sie die P+ leitenden Bereiche 12A und 12B
überbrückt. Der N-leitende Bereich 11, die beiden P+ leitenden
Bereiche 12A und 12B und die Isolierschicht 14 haben jeweils
einzeln ihre eigenen Elektroden 15, 16A, 16B und 17. Leitungsanschlüsse
18, 19 und 20 gehen von den Elektroden 15, 16A, 16B und 17 jeweils aus. Wie es in Fig. 4a dargestellt ist,
bildet sich eine Sperrschicht 21 längs der PN-Ubergänge 13,
wobei eine Restspeicherschicht 22 unter der Isolierschicht übrigbleibt, die nicht in die Sperrschicht eingeht. Die P+ leitenden
Bereiche 12A und 12B und ihre Elektroden 16A und i6B bilden
eine Sperrschichtsteuereinrichtung 23, wohingegen die
COPY
JHUÜ4O/
Isolierschicht 14 und ihre Elektrode 17 eine Kapazitätsabnahmeeinrichtung
24 bilden.
Das in Fig. 2a dargestellte Kondensatorelement mit einstellbarer
Kapazität und MIS-Struktur, das auch in der japanischen
Offenlegungsschrift 120178/1980 beschrieben ist, ist so ausgebildet,
dass die Sperrschicht 21 ihre Volumen auf eine Vorspannung Vß ansprechend ändert, die zwischen den Leitungsanschlüssen 18 und 19 anliegt, um die PN-Ubergänge 13 in
Sperrichtung vorzuspannen, wobei die sich ergebende Kapazität, die dem Volumen der Sperrschicht 21 entspricht, zwischen
den Leitungsanschlüssen 18 und 20 abgenommen wird. Die Beziehung zwischen der Kapazität C und der Spannung V ist in
Fig. 2b dargestellt, wobei die Kapazität H der Wert ist, der dann erhalten wird, wenn die Vorspannung V0 in Sperrichtung
gleich Null ist,und die Kapazität L der Wert ist, der dann erhalten wird, wenn die Vorspannung V13 in Sperrichtung auf
einen Wert V erhöht wird, der die Schwellenspannung Vn„
überschreitet. Die Kapazitäten H und L geben jeweils die maximale Kapazität C und die minimale Kapazität C .
c max c mm
in dieser MIS-Kapazitätsspannungskennlinie wieder.
Wenn die Vorspannung Vn in Sperrichtung zwischen den Leitungsanschlüssen
18 und 19 gleich Null ist, und wenn die Vorspannung Vx. zwischen den Leitungsanschlüssen 18 und 20, d.h. die
κ
Spannung an der Kapazitätsabnahmeelektrode 17 erhöht oder vermindert wird, ergibt sich die Kapazitätsspannungskennlinie,
wie sie in Fig. 3b dargestellt ist. Diese Kennlinie ist im wesentlichen gleich der allgemeinen MIS-Kapazitätsspannungslinie
von Fig. 2b. Es ist daher ersichtlich, dass dann, wenn die Vorspannung V_ an der Kapazitätsabnahmeelektrode 17
variiert wird, während an den Vorspannungselektroden 16A und 16B keine Vorspannung liegt, dieselbe MIS-Kapazitätsspannungskennlinie
erhalten wird, wie sie in Fig. 2b dargestellt ist.
Wenn die Vorspannung V-. zwischen den Leitungsanschlüssen
und 20 variiert wird, während eine Vorspannung V in Sperrrichtung zwischen den Leitungsanschlüssen 18 und 19 anliegt,
wie es in Fig. 4a dargestellt ist, wird eine Kapazitäts-Spannungskennlinie erhalten, wie sie in Fig. 4b dargestellt
ist. Aus dieser Kapazitätsspannungskennlinie ergibt sich, dass dann, wenn die Vorspannung VOT in Sperrichtung so gewählt
ist, dass die Kapazität C in ausreichendem Masse auf einem Wert L stabilisiert wird, eine Verschiebung der Vorspannung
V in positiver oder negativer"Richtung um den Nullpunkt
herum keine wesentlichen Änderungen des Kapazität C bewirkt und statt dessen diese auf dem Wert L hält.
Die Kapazitätsspannungskennlinie von Fig. 3b zeigt andererseits eine Änderung der Kapazität, wenn sich die Vorspannung
Vn in eine Richtung ändert und einen Wert V„Düberschreitet.
K r υ
Es ist daher ersichtlich, dass die Kapazität von der Vorspannung V„ abhängt. ^
Das bedeutet, dass das Kondensatorelement mit einstellbarer -,
Kapazität und dem oben beschriebenen Aufbau,so wie es ist, KapazitätsSchwankungen aufgrund der an der Kapazitätsabnahmeelektrode
17 liegenden Eingangssignalen unterliegt.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Kondensatorelement mit einstellbarer
Kapazität und MIS-Struktur sei nun angenommen, dass das Halbleitersubstrat S vom N-leitenden Typ ist. Wenn eine
beträchtliche Vorspannung V_ an der Elektrode M über einen Isolator I anliegt, wird eine Anzahl von Elektronen längs
der MIS-Zwischenflache zwischen dem Isolator I und dem Halbleitersubstrat
S angesammelt, so dass das Oberflächenpotential ' gespeichert wird. In der Kapazitätsspannungskennlinie von
Fig. 6 ist mit A der Zustand bezeichnet, in dem das Oberflächenpotential gespeichert wird. In diesem Zustand wird die Kapazität
C auf den Wert H gehalten. Während das Oberflächenpotential
gespeichert wird, ändert sich das Potential Ps in einem extrem kleinen Mass bezüglich der Änderung der Vorspannung Vn an
K.
- 'Zeder Kapazitätsabnahmeelektrode, wie es in der grafischen
Darstellung von Fig. 7 dargestellt ist, die aus der MIS-Theorie abgeleitet ist. Es ist daher ersichtlich, dass
trotz einer Änderung der Vorspannung V die Kapazitäts-Schwankung sehr klein gehalten wird, vorausgesetzt, dass
die Änderung erfolgt, während das Oberflächenpotential gespeichert
wird.
Die Erfindung nutzt dieses Effekt aus und liefert ein Kondensatorelement
mit einstellbarer Kapazität, das das Oberflächenpotential längs der MIS-Zwischenflache speichern kann,
so dass eine sich ergebende Kapazität erzeugt wird, die nicht durch eine Spannung beeinflusst wird, die an der MIS-Elektrode
anliegt, und die statt dessen auf einem grossen oder einem kleinen Wert H oder L stabil gehalten ist.
Eine bevorzugte Möglichkeit der Speicherung des Oberflächenpotentials
besteht darin, die Kapazitätsabnahmeelektrode vorzuspannen, um vorher das Oberflächenpotential zu speichern,
wie es in Fig. 5 dargestellt ist.
Eine zweite Möglichkeit ist die Ionenimplantation von Donatorverunreinigungen,
wie beispielsweise Arsen (As), Phosphor (P) oder Antimon(Sb) in den Oberflächenbereich des N-leitenden
Halbleiterbereiches unter der Kapazitätsabnahmeelektrode 17. Wenn der Halbleiterbereich 11 vom P-leitenden Typ ist,
werden Akzeptorverunreinigungsionen implantiert. Dadurch werden positive oder negative Ionen längs der MIS-Zwischenfläche
erzeugt.
Vom Standpunkt des Potentialunterschiedes zwischen der Kapazitätsabnahmeelektrode
17 und den Vorspannungselektroden 16A und 16B ist die zweite Möglichkeit bevorzugt, da bei der ersten Möglichkeit
die Gefahr besteht, dass eine Ladungsänderung aufgrund eines Ladungsstreuflusses durch den Isolator I auftritt.
- βτ-
Durch die Speicherung des Oberflächenpotentials längs
der MIS-Zwischenfläche kann der Nullvorspannungspunkt der
Kapazitätsspannungscharakteristik im wesentlichen zur Stelle L nach rechts in Fig. 6 verschoben werden, so dass
die Vorspannung VD in positive und negative Richtung um
den Punkt L variiert wird. Dementsprechend wird der Variationsbereich
der Vorspannung Vn, in dem die Kapazität C
auf dem Wert H gehalten wird, stark bis zu einem Ausraass vergrössert, bei dem die Spannung V nicht überschritten
wird, wodurch die Abhängigkeit der Kapazität C von der Vorspannung Vn beseitigt wird.
Es ist daher ersichtlich, dass durch die Speicherung des Oberflächenpotentials längs der MIS-Zwischenflache und
durch die Wahl der Vorspannung zwischen den Vorspannungselektroden 16A und 16B gleich Null oder gleich einem Wert grosser
als der Schwellenwert VnrTl/ die sich ergebende Kapazität
al >
einen stabilisierten grossen oder kleinen Wert H oder L jeweils zeigt.
Die maximale und minimale Kapazität C und C ·„, die
den Werten H und L dieses Kondensatorelementes mit einstellbarer
Kapazität in MIS-Struktur, das in Fig. 2 bis 4 dargestellt
ist, entsprechen, können in der gewünschten Weise dadurch gewählt werden, dass die Parameter der Materialien
variiert werden, aus denen die MIS-Struktur besteht. Änderungen in der Ladungsträgerdichte und im Volumen der Halbleiterbereiche
11, 12A und 12B, in der Stärke der Isolierschicht 14, in der Abmessung der Elektrode 17 und in einigen anderen
Faktoren erlauben die gewünschte Wahl der Werte H und L.
Fig. 8 zeigt eine Vielzahl von Kondensatorelementen VC.,
VC2, VC3 ... mit einstellbaren Kapazität in MIS-Struktur,
dxe verschiedene Werte H und L haben und parallel geschaltet 3^ smd.vornpannungsclektrodcn GB1, GB3, GB3 ... der jeweiligen
Elemente r.ind mit einer die Vorspannung zuschaltenden Schal-
COPY *
OHUUHO I
tung CH verbunden, so dass eine gewünschte Vorspannungselektrode
durch die Schaltung CH gewählt und mit einer Vorspannung V„ versorgt werden kann, um die gewünschte sich ergebende
Kapazitätspannungskennlinie zwischen den Kapazitätsabnahmeelektroden
18A und 2OA zu erhalten. Wenn beispielsweise neun bis zwölf Elemente mit verschiedenen Werten H und L
über eine logische Schaltung kombiniert werden, die als Schaltung CH mit Schaltfunktion dient, können verschiedene
Kapazitätsspannungskennlinien mit einer Genauigkeit von 1 bis 0,1 pF erhalten werden.
Fig. 9a zeigt eine Vielzahl von Kondensatorelementen VC1,
VC2/ VC3 ... mit einstellbarer Kapazität in MIS-Struktur,
die auf einem Halbleitersubstrat 30 in integrierter Form ausgebildet sind. Die Kapazitätsabnahmeelektroden GR1, GR2/
GRo ·- - der jeweiligen Elemente sind gemeinsam mit einem
Leitungsanschluss 31 verbunden. Die Vorspannungselektroden GB1, GB2/ GB3 ... sind einzeln mit einer die Vorspannung
zuschaltenden Schaltung 32 verbunden, so dass sie unabhängig mit einer Vorspannung VR versorgt werden können. Fig. 9b
zeigt eine Querschnittsansicht des integrierten Schaltungsaufbaues von Fig. 9a. In Fig. 9b sind die Sperrschichtsteuereinrichtung
23A und 23B und die Kapazitätsabnahmeeinrichtung 24A und 24B dargestellt.
Fig. 10 zeigt einen Aufbau, bei dem Kondensatorelemente VC
mit einstellbarer Kapazität und eine Schaltung 32 mit Schaltfunktion gemeinsam auf einem einzigen Halbleitersubstrat
33 in integrierter Form ausgebildet sind.
Die Halbleiterbereiche des Elementes können je nach Wunsch als P-leitende oder N-leitende Bereiche gewählt werden.
- 42,- ■
Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, dass durch die Erfindung
die verschiedenen Schwierigkeiten bei dem bekannten Element beseitigt werden, da bei dem erfindungsgemässen
Kondensatorelement mit einstellbarer Kapazität, das eine Sperrschichtsteuereinrichtung und eine Kapazitätsabnahmeeinrichtung
einschliesslich einer Kapazitätsabnahmeelektrode aufwei-st, die beide auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet
und durch eine Isolierschicht beabstandet sind, ein Oberflächenpotential des Halbleitersubstrates unter der Kapazitätsabnahmeelektrode
gespeichert wird, so dass die Kapazität, die an der Kapazitätsabnahmeeinrichtung auftritt,
einen stabilisierten grossen oder kleinen Wert auf eine Vorspannung ansprechend annimmt, die an der Sperrschichtsteuereinrichtung
liegt.
Die erfindungsgemässe Ausbildung hat die folgenden Vorteile:
1. Da die sich ergebende Kapazität nicht durch das Potential
der Eingangssignale beeinflusst wird, gibt die Kapazität einen genauen Wert wieder, der nur durch die Vorspannung
bestimmt ist.
2. Da die Kapazitätsabnahmeelektrode und die Vorspannungselektrode
unabhängig voneinander sind, ist eine relativ freie Wahl der Schaltungsanordnungen möglich.
3. Der Kapazitatsvariationsbereich kann vergrössert werden.
4. Die Elemente können leicht zusammen mit anderen Schaltungselementen
auf einem einzigen Substrat in integrierter Form ausgebildet werden.
Die im wesentlichen gegebene Unabhängigkeit von den Eingangssignalen, die an der Kapazitätsabnahmeelektrode liegen, führt
insbesondere zu einer Vermeidung von Abstimmfehlern und
- IT -
■ ^.
zu einer Vermeidung der Erzeugung von hochfrequenten Anteilen, wodurch die Kreuzmodulationscharakteristik verbessert
wird.
Leerseite
Claims (6)
- PATENTANSPRÜCHE1I/ Kondensatorelement mit einstellbarer Kapazität, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (11), eine Sperrschichtsteuereinrichtung (12A, 12B, 16Α, 16B), die auf dem Substrat (11) ausgebildet ist, eine Isolierschicht (14), die auf dem Substrat (11) ausgebildet ist, eine Kapazitätsabnahmeeinrichtung (17), die auf der Isolierschicht (14) ausgebildet ist, eine Oberflächenpotentialspeichereinrichtung oder -ausbildung zum Speichern des Oberflächenpotentials im Halbleitersubstrat (11) unter der Kapazitätsabnahraeeinrichtung (17) und eine Vorspannungseinrichtung (18, 20) zum Anlegen einer Vorspannung an die Sperrschichtsteuereinrichtung (12A, 12B, 16A, 16B) derart,dass die an der Kapazitätsabnahineeinrichtung (17) auftretende Kapazität einen stabilisierten grossen oder kleinen Wert wiedergibt.
- 2. Kondensatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Oberflächenpotentialspeichereinrichtung eine Einrichtung zum Vorspannen der Kapazitätsabnahmeeinrichtung (17) umfasst, um vorher das Oberflächenpotential zu speichern.
- 3. Kondensatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Halbleitersubstrat (11) vom N-leitenden Typ ist und dass die Oberflächenpotentialspeicherausbildung eine Ionenimplantation von Donatorverunreinigungen in das N-leitende Halbleitersubstrat unter der Kapazitätsabnahmeeinrichtung (17) umfasst.
- 4. Kondensatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Halbleitersubstrat (11) vom P-leitenden Typ ist und dass die Oberflächenpotentialspeicherausbildung eine Ionenimplantation von Akzeptorverunreinigungen in das P-leitende Halbleitersubstrat unter der Kapazitätsabnahmeeinrichtung (17) umfasst.
- 5. Kondensatorelement mit einstellbarer Kapazität, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (33), eine Vielzahl von Sperrschichtsteuereinrichtungen (23A, 23B), die auf dem Halbleitersubstrat (33) ausgebildet und miteinander verbunden sind, eine Vielzahl von Kapazitätsabnahmeeinrichtungen (24A, 24B), die auf dem Substrat (33) ausgebildet sind und durch eine Isolierschicht vom Substrat beabstandet sind, Oberflächenpotentialspeichereinrichtungen oder -ausbildungen zum Speichern des Oberflächenpotentials im Halbleitersubstrat (33) unter denjeweiligen Kapazitätsabnahmeeinrichtungen (24A, 24B) und eine Vorspannungsschalteinrichtung (32), um wahlweise eine Vorspannung an die Sperrschichtsteuereinrichtungen (23A, 23B) zu legen. 5
- 6. Kondensatorelement nach Anspruch 5, dadurch g "e kennzeichnet , dass die Vorspannungsschalteinrichtung (32) auf dem Halbleitersubstrat (33) ausgebildet ist. 10
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