DE3786807T2

DE3786807T2 - Halbleiterbauelement mit variabler Kapazität.

Info

Publication number: DE3786807T2
Application number: DE87300722T
Authority: DE
Inventors: Yoshio Seiko Instrumen Hattori
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1986-01-31
Filing date: 1987-01-28
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2007-01-29
Also published as: EP0232117A2; EP0232117A3; JPH0362310B2; DE3786807D1; EP0232117B1; JPS62179162A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterelemente mit variabler Kapazität.
Halbleiterelemente mit variabler Kapazität sind in der Literatur bekannt (siehe Proceedings, Vol. 2 in 11. International Congress of Chronometry, 1984, herausgegeben durch The French Society of Microtechnology and Chronometry, Seite 9).
Fig. 2 ist eine die Struktur eines konventionellen Halbleiterelementes mit variabler Kapazität zeigende Schnittansicht. Auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats 21 sind eine mit einer n-leitenden diffundierten Zone 22 verbundene Kapazitätselektrode 12, eine zu ihrer Isolation nach außen mit einem Isolatorfilm 25 bedeckte floatende Elektrode 23 sowie eine variable Elektrode 13 zur Einstellung der von der floatenden Elektrode 23 aufgenommenen elektrischen Ladung vorgesehen.
In diesem Halbleiterelement mit variabler Kapazität wird eine in einem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats 21 unter der floatenden Elektrode 23 erzeugte Verarmungsschichtkapazität 24 durch ein Potential gesteuert, das an der floatenden Elektrode 23 durch die von der floatenden Elektrode 23 aufgenommenen Ladung gesteuert wird. Da die floatende Elektrode 23 und die Kapazitätselektrode 12 kapazitiv stark miteinander gekoppelt sind, ändert sich das Potential der floatenden Elektrode 23 in Abhängigkeit von der an die Kapazitätselektrode 12 angelegten Spannung.
Da die Kapazitätselektrode 12 des konventionellen Halbleiterelementes mit variablern Kapazität direkt mit einer externen Schaltung verbunden ist, wird eine für die externe Schaltung verwendete Vorspannung direkt an die Kapazitätselektrode 12 angelegt. Aus diesem Grunde bewirken Änderungen der von der externen Schaltung angelegten Spannung eine Änderung der Vorspannung, was zu Änderungen der Kapazität des Halbleiterelementes mit variabler Kapazität führt. Wenn die von der externen Schaltung angelegte Spannung relativ groß ist, so wird zwischen der Kapazitätselektrode 12 und der floatenden Elektrode 23 eine relativ hohe Spannung angelegt, wodurch über den Isolatorfilm 25 ein geringfügiger Tunnelstrom zur floatenden Elektrode 23 fließt. Die von der floatenden Elektrode 23 aufgenommene Ladung wird daher geändert, wodurch sich auch in nachteiliger Weise die Kapazität des Halbleiterelementes mit variabler Kapazität zeitlich graduell ändert.
Die vorliegende Erfindung sucht ein Halbleiterelement mit variabler Kapazität zu schaffen, in dem eine Vorspannung, welche in einer mit einem Kapazitätsanschluß verbundenen externen Schaltung verwendet wird, nicht an eine Kapazitätselektrode angelegt wird.
Gemäß vorliegender Erfindung ist ein Halbleiterelement mit variabler Kapazität umfassend:
ein Halbleitersubstrat;
eine über der Oberfläche des Substrats angeordnete floatende Elektrode zur Steuerung der Kapazität des Elementes; einen die floatende Elektrode zu deren Isolation bedeckenden Isolatorfilm;
eine mit der floatenden Elektrode kapazitiv gekoppelte Kapazitätselektrode durch
einen mit der Kapazitätselektrode gekoppelten Vorspannungsanschluß zur Änderung des Potentials der floatenden Elektrode durch Anlegen einer Vorspannung an die Kapazitätselektrode; und einen zwischen einer externen Schaltung und die Kapazitätselektrode gekoppelten Vorspannungs-Abschaltkondensator zur Abschaltung einer Gleichspannung der externen Schaltung gekennzeichnet.
Die Erfindung ist lediglich beispielhaft in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen:
Fig. 1 eine Schaltungskonfiguration eines Halbleiterelementes mit variabler Kapazität gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Schnittansicht der Grundstruktur eines konventionellen Halbleiterelementes mit variabler Kapazität ist; und
Fig. 3 eine Vorspannungs/Kapazitätscharakteristik ist, welche den Zusammenhang zwischen der Kapazität eines Halbleiterelementes mit variabler Kapazität gemäß der Erfindung und der an einen Vorspannungsanschluß dieses Elementes angelegten Vorspannung zeigt.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Halbleiterelementes 1 mit variabler Kapazität gemäß vorliegender Erfindung.
Dieses Halbleiterelement mit variabler Kapazität besitzt eine Kapazitätselektrode 12, die zum externen Anlegen einer Vorspannung über einen HF-Abschaltwiderstand (oder Spule) 2 mit einem Vorspannungsanschluß 3 verbunden ist. Weiterhin ist eine Elektrode eines Vorspannungs-Abschaltkondensators 4 mit der Kapazitätselektrode 12 und die andere Elektrode des Kondensators 4 über einen Kondensatoranschluß 5 mit einer externen Schaltung verbunden.
Eine variable Elektrode 13 steuert die von der floatenden Elektrode 23 aufgenommene elektrische Ladung des oben beschriebenen Halbleiterelementes mit variabler Kapazität. Wird eine relativ hohe positive oder negative Spannung an die variable Elektrode 13 angelegt, so fließt ein Tunnelstrom durch einen extrem dünnen Oxidfilm, der zwischen der floatenden Elektrode 23 und der variablen Elektrode 13 im Halbleiterelement mit variabler Kapazität angeordnet ist, so daß die von der floatenden Elektrode 23 aufgenommene elektrische Ladung geändert werden kann. Eine Änderung des Potentials, das durch die von der floatenden Elektrode 23 aufgenommene elektrische Ladung erzeugt wird, bewirkt eine Änderung der im Oberflächenbereich des Substrates erzeugten Verarmungsschichtkapazität 24. Da die floatende Elektrode 23 mit einem Oxidfilm mit ausgezeichneten isolierenden Eigenschaften bedeckt ist, ändert sich die aufgenommene elektrische Ladung solange nicht, bis ein variabler Spannungsimpuls an den variablen Anschluß 13 angelegt wird. Das Halbleiterelement mit variabler Kapazität macht daher durch Änderung des von der floatenden Elektrode 23 aufgenommenen Betrages der elektrischen Ladung im oben beschriebenen Sinne eine Änderung der zwischen den Substrat und der Kapazitätselektrode 12 ausgebildeten Kapazität möglich.
Da die floatende Elektrode 23 und die Kapazitätselektrode 12 kapazitiv stark miteinander gekoppelt sind, wird das Potential der floatenden Elektrode 23 durch die an die Kapazitätselektrode 12 angelegte Spannung stark beeinflußt.
Bei dieser Ausführungsform wird die an die Kapazitätselektrode 12 angelegte Spannung durch den Vorspannungs-Abschaltkondensator 4 selbst dann abgeschaltet, wenn die Speisespannung einer mit dem Kondensatoranschluß 5 verbundenen externen Schaltung relativ hoch ist und daher eine relativ hohe Gleichspannung an den Anschluß 5 angelegt wird. Wird an den Vorspannungsanschluß 3 eine konstante und relativ kleine Vorspannung angelegt, so wird die allein an den Vorspannungsanschluß 3 angelegte Spannung an die Kapazitätselektrode 12 angelegt. Wird die an den Vorspannungsanschluß 3 angelegte Vorspannung minimal gemacht, so wird zwischen der floatenden Elektrode 23 und der Kapazitätselektrode 12 keine hohe Spannung angelegt, so daß keine zeitliche Änderung der von der floatenden Elektrode 23 aufgenommenen elektrischen Ladung vorhanden ist.
Andererseits wird eine von einer externen Schaltung an den Kondensatoranschluß 5 angelegte Wechselkomponente durch den HF-Abschaltwiderstand (oder Spule) 2 abgeschaltet. Es ist daher darauf hinzuweisen, daß die Kapazität des Halbleiterelementes mit variabler Kapazität vom Kondensatoranschluß 5 aus gesehen konstant ist und durch den Vorspannungsanschluß 3 nicht beeinflußt wird.
Es ist weiterhin darauf hinzuweisen, daß es möglich ist, die Kapazität des Halbleiterelementes mit variabler Kapazität durch Änderung der an den Vorspannungsanschluß 3 angelegten Spannung zu ändern, weil eine Änderung des Potentials der floatenden Elektrode 23 eine Änderung der Kapazität des Halbleiterelementes 1 mit variabler Kapazität bewirkt. Wird die an den Vorspannungsanschluß 3 angelegte Spannung geändert, so wird die an die Kapazitätselektrode 12 angelegte Spannung geändert, so daß die Kapazität änderbar ist, weil das Potential der floatenden Elektrode 23 sich in Abhängigkeit von der an die Kapazitätselektrode 12 angelegten Spannung ändert.
Fig. 3 ist eine Vorspannungs-Kapazitätcharakteristik, welche den Zusammenhang zwischen der Kapazität eines Halbleiterelementes mit variabler Kapazität gemäß vorliegender Erfindung und der an den Vorspannungsanschluß 3 angelegten Vorspannung zeigt. Auf der Abszisse ist die an den Vorspannungsanschluß 3 angelegte Vorspannung und auf der Ordinate die Kapazität aufgetragen. Eine Kurve A repräsentiert die Anfangscharakteristik. Da die von der floatenden Elektrode 23 aufgenommene elektrische Ladung durch Anlegen eines variablen Spannungsimpulses an die variable Elektrode 13 geändert wird, kann die Kurve A zu sich selbst parallel in eine Kurve B oder eine Kurve C verschoben werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist es möglich, durch Änderung der elektrischen Ladung auf der floatenden Elektrode 23 verschiedene Kurven, wie beispielsweise durch die Kurven 3 und C repräsentierte Kurven zu realisieren. Da die floatende Elektrode 23 mit einem Oxidfilm mit ausgezeichneten isolierenden Eigenschaften bedeckt ist, zeigt die aufgenommene Ladung keine zeitliche Änderung über eine relativ lange Periode, von beispielsweise 10 Jahren oder mehr. Es ergibt sich daher solange keine Änderung der beispielsweise durch die Kurve A, B oder c repräsentierten Charakteristik, bis ein variabler Spannungsimpuls an die variable Elektrode 13 angelegt wird.
Ist eine Vorspannung V&sub1; konstant, so kann die Kapazität durch Anlegen eines variablen Spannungsimpulses an die variable Elektrode 13 geändert werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei einer Änderung der Vorspannung von V&sub1; auf V&sub2; die Kapazität gemäß Delta-CA, Delta-CB und Delta-CC geändert wird.
Die Kapazität wird also durch Änderung der an den Vorspannungsanschluß angelegten Vorspannung geändert. Da eine Spannung, welche von einer mit dem Kapazitätsanschluß verbundenen externen Schaltung angelegt wird, durch den Vorspannungs-Abschaltkondensator abgeschaltet wird, kann eine konstante und relativ kleine Vorspannung an die Kapazitätselektrode angelegt werden. Es ergibt sich daher keine Kapazitätsänderung als Funktion der Zeit, was bedeutet, daß es möglich ist, ein Halbleiterelement mit variabler Kapazität mit hoher Zuverlässigkeit zu realisieren.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung im einzelnen anhand des gezeigten Schaltbildes beschrieben; in einem aktuellen Halbleiterelement mit variabler Kapazität können jedoch der HF- Abschaltwiderstand (oder Spule) 2 und der Vorspannungs-Abschaltkondensator auf einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Es ist weiterhin möglich, ein Halbleiterelement mit variabler Kapazität mit den oben beschriebenen konstituierenden Elementen zu bilden, und weiterhin ein Halbleiterelement mit variabler Kapazität als Teil eines integrierten Halbleiterschaltkreises herzustellen.
Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ist das Halbleiterelement mit variabler Kapazität gemäß vorliegender Erfindung mit einem Vorspannungsanschluß versehen, welcher das externe Anlegen einer Vorspannung an die Kapazitätselektrode ermöglicht, wodurch die Kapazität des Halbleiterelementes mit variabler Kapazität in Abhängigkeit von der an den Vorspannungsanschluß angelegten Vorspannung geändert werden kann. Da eine Spannung, welche von einer mit der Kapazitätselektrode verbundenen externen Schaltung angelegt wird, durch den Vorspannungs-Abschaltkondensator abgeschaltet wird, kann immer eine konstante und relativ kleiner Vorspannung an die Kapazitätselektrode angelegt werden. Da verhindert wird, daß in der externen Schaltung verwendete Vorspannungen unnötigerweise an die Kapazitätselektrode angelegt werden, ist es möglich, ein Halbleiterelement mit variabler Kapazität zu realisieren, das frei von Kapazitätsänderungen als Funktion der Zeit ist und eine hohe Zuverlässigkeit besitzt.

Claims

1. Halbleiterelement (1) mit variabler Kapazität umfassend:

ein Halbleitersubstrat (21);

eine über der Oberfläche des Substrats (21) angeordnete floatende Elektrode (23) zur Steuerung der Kapazität des Elementes;

einen die floatende Elektrode (23) zu deren Isolation bedeckenden Isolatorfilm (25);

eine mit der floatenden Elektrode (23) kapazitiv gekoppelte Kapazitätselektrode (12), gekennzeichnet durch:

einen mit der Kapazitätselektrode (12) gekoppelten Vorspannungsanschluß (3) zur Änderung des Potentials der floatenden Elektrode (23) durch Anlegen einer Vorspannung an die Kapazitätselektrode (12); und einen zwischen eine externe Schaltung und die Kapazitätselektrode (12) gekoppelten Vorspannungs-Abschaltkondensator (4) zur Abschaltung einer Gleichspannung der externen Schaltung.

2. Halbleiterelement mit variabler Kapazität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolatorfilm (25) ein Oxidfilm ist.

3. Halbleiterelement mit variabler Kapazität nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein HF-Abschaltelement (2) zwischen dem Vorspannungsanschluß (3) und der Kapazitätselektrode (12) enthält.

4. Halbleiterelement mit variabler Kapazität nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das HF-Abschaltelement (2) ein Widerstandselement ist.