JP2000124473A

JP2000124473A - 電圧可変容量を具備した集積回路素子及びこれを用いた電圧制御発振器

Info

Publication number: JP2000124473A
Application number: JP10309516A
Authority: JP
Inventors: Kuichi Kubo; 九一久保; Fumio Asamura; 文雄浅村; Katsuosa Yoshida; 克修吉田; Nagahisa Shibuya; 修寿渋谷; Hisato Takeuchi; 久人竹内; Yoshifumi Miki; 祥文三木
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】電圧に対する容量変化の感度に優れ、周波数変
化の直線性を良好に維持した電圧可変容量をＩＣ基板内
に有する集積回路素子及びこれを用いた電圧制御発振器
の提供。【解決手段】発振回路素子を集積化してなる集積基板６
にＰＮＰトランジスタ７とＮＰＮトランジスタ８とを形
成し、両方のトランジスタのエミッタとコレクタをそれ
ぞれ共通接続して、ＰＮＰトランジスタ７のエミッタと
コレクタ及びＮＰＮトランジスタ８のベースとを共通接
続する一方、ＰＮＰトランジスタのベースとＮＰＮトラ
ンジスタの共通接続したエミッタとコレクタを共通接続
してＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタとを並列
接続し、ＰＮＰトランジスタのエミッタとコレクタ及び
ＮＰＮトランジスタのベースを−電位として、ＰＮＰト
ランジスタのベース及びＮＰＮトランジスタのエミッタ
とコレクタを＋電位とした電圧を印加する集積回路素
子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電圧可変容量を具
備した集積回路素子及びこれを用いた電圧制御発振器を
技術分野とし、特に集積回路素子内に形成する電圧可変
容量に関する。

【０００２】

【従来の技術】（発明の背景）電圧制御発振器は、電圧
可変容量素子への印加電圧を変化することにより発振周
波数を制御するものとして広く知られ、例えばＰＬＬ
（PHASE LOCKED LOOP）回路に使用される。また、水晶
発振器等においては、温度に応答して変化する発振周波
数を補償する温度補償発振器にも適用される。近年で
の、温度補償発振器は例えば携帯電話を代表とする移動
無線等に重用され、さらなる小型化及び高性能化が求め
られている。

【０００３】（従来技術の一例）第９図はこの種の一従
来例を説明する温度補償発振器の図である。温度補償発
振器は、電圧制御発振器１と温度補償部２からなる。電
圧制御発振器１は、例えばコルピッツ型の水晶発振器３
と電圧可変容量素子４からなる。水晶発振器３はＡＴカ
ット等とした水晶振動子５と共振回路を形成する分割コ
ンデンサＣ１、Ｃ２、及び帰還増幅器としてのトランジ
スタＴｒ等からなる。電圧可変容量素子４はＰＮ接合の
可変容量ダイオードからなる。なお、図中のＲ１〜Ｒ４
は抵抗、Ｖcは電源、Ｖoは出力である。

【０００４】温度補償部２は、水晶発振器３の周波数温
度特性（第１０図の曲線イ）に応答した補償データを備
え、三次関数的な補償電圧（同図の曲線ロ）を発生する
電圧発生回路からなる。そして、温度に応答した補償電
圧を可変容量ダイオードに印加する。但し、可変容量ダ
イオードのアノードを−電位、カソードを＋電位とし、
所謂逆方向電圧（逆電圧とする）として印加される。

【０００５】可変容量ダイオードは補償電圧を印加され
ると、ＰＮ接合面の状態が変化して接合容量が変化し、
これによって端子間の容量が変化する。したがって、水
晶振動子１から見た回路側の容量（負荷容量）が変化す
るので、補償電圧によって発振周波数を制御できる。こ
のことから、この種の温度補償発振器は電圧制御により
平坦な温度特性を得る。

【０００６】そして、このようなものでは、設計を容易
にするために補償電圧に対する周波数変化が直線的に変
化する、電圧可変容量素子が求められる。すなわち、電
圧容量特性と電圧周波数特性との直線性は、周波数ｆが
容量Ｃの1/2乗に反比例するため（f＝1/2πルートLC）、必
ずしも一致しない。したがって、通常では指数関数的に
変化する電圧容量特性の傾斜を選択して、電圧周波数特
性を直線的にする。

【０００７】なお、可変容量ダイオードは、Ｐ型半導体
とＮ型半導体との接合面における不純物濃度を高くして
初期の接合容量（初期容量とする）を大きくした所謂超
階段構造とする。要するに、接合面での対向する±の電
荷量（ｑ）を多くして初期容量（Ｃ）を大きくする。そ
して、Ｐ型（アノード）に−電圧を、Ｎ型（カソード）
に＋電圧とした逆電圧（ｖ）を印加することにより、接
合面の±電荷を吸引して対向する電荷量を減少させる
（Ｃ＝ｑ／ｖ）。換言すると、空乏層の間隙が初期状態
から大きくなる。このことから、逆電圧が高くなると初
期容量から除々に容量が小さくなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】（従来技術の問題点）
しかしながら、このようなものでは、帰還増幅器Ｔr、
コンデンサＣ（1、2)、抵抗Ｒ(1ー4)及び温度補償部２等
の回路素子はシリコン等を母体とした集積基板（ＩＣ基
板）内に形成できても、可変容量ダイオードは超階段構
造とするため、これとは別個に独立した素子としなけれ
ばならなかった。したがって、可変容量ダイオードは温
度補償発振器の小型化を阻害する要因の一つとなってい
た。

【０００９】なお、超段階構造としたＰＮ接合のダイオ
ードを集積基板に形成することは不可能ではないが、こ
の場合、ダイオード部分のみのＰ型及びＮ型とするため
の不純物濃度を高めることは、製造工程の追加及び変更
等を要し、その実現は困難であった。また、単にダイオ
ードを形成した場合には、十分な容量及び電圧に対する
容量変化が小さいために感度が悪く、実用化はできない
問題があった。

【００１０】（発明の目的）本発明は、電圧に対する容
量変化の感度に優れ（傾斜が大きい）、しかも周波数変
化の直線性を良好に維持した電圧可変容量をＩＣ基板内
に有する集積回路素子、及びこれを用いて小型化を促進
した電圧制御発振器を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】（実験及び着目点）本発
明は、試行錯誤に基づいて既存のトランジスタについて
実験し、その結果に着目した。すなわち、実験では、第
１図（ａｂ）に示したように、ＩＣ基板６に形成された
ＰＮＰトランジスタ７のＰ型半導体（エミッタとコレク
タ）を共通接続して−電位を、そしてＮ型半導体（ベー
ス）に＋電位となる逆電圧を印加する。また、第２図
（ａｂ）に示したように、ＮＰＮトランジスタ８のＮ型
半導体を共通接続して逆電圧を印加し、それぞれ印加電
圧に対する容量特性を測定する。なお、図中の黒点は電
子、白丸は正孔を示す。

【００１２】第３図（曲線イロ）は、これらの実験結果
による電圧容量（Ｖ−Ｃ）特性図である。これらから理
解されるように、ＰＮＰトランジスタ７の場合（曲線
イ）は、印加電圧Ｖを上昇すると電圧Ｖ1（約0.92Ｖ）
にて容量が急激に変化する特異点としての不連続点（矢
印Ｐ）を有する。そして、不連続点以降では、非直線性
（指数関数的）となるものの傾斜が大きくなる、即ち電
圧に対する容量変化が大きい感度が高い領域（以下高感
度領域とする）が存在する。また、ＮＰＮトランジスタ
８の場合（曲線ロ）は、印加電圧に対する感度は悪いも
のの直線性に優れることが判明した。

【００１３】本発明は、従来の可変容量ダイオードのよ
うに超階段構造とすることなく、ＰＮＰトランジスタの
高感度領域とＮＰＮトランジスタの直線性を組み合わせ
れば、ＰＮＰトランジスタの高感度領域を維持して非直
線性（指数関数的曲線の傾斜）を補正して、電圧に対す
る周波数変化を直線的にできる電圧可変容量を得られる
のではないかと推測し、この点に着目した。

【００１４】なお、ＰＮＰトランジスタ及びＮＰＮトラ
ンジスタのいずれにおいてもＰ型半導体とＮ型半導体と
にはそれぞれ逆電圧が印加されるので、前述したように
初期容量の電荷が吸引され（空乏層が広がり）、電圧の
上昇とともに容量は小さくなる。

【００１５】（解決手段）本発明は、ＰＮＰトランジス
タ及びＮＰＮトランジスタのエミッタとコレクタをそれ
ぞれ共通接続し、両者を並列接続してエミッタ、コレク
タ及びベースに逆電圧を印加したことを基本的な解決手
段とする。

【００１６】

【作用】本発明では、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトラ
ンジスタとの電圧容量特性が合成されて中和し、着目し
たとおりに高感度を維持して非直線性の傾斜を補正し
て、電圧に対する周波数変化を直線的にする。

【００１７】

【実施形態】第４図及び第５図は本発明の一実施形態を
説明する図で、第４図は集積回路素子の結線を示した模
式的な断面図、第５図はトランジスタ記号による結線図
である。集積回路素子は、前述したように、水晶振動子
５を除く発振回路３及び温度補償部２を構成する回路素
子（前第９図参照）をＩＣ基板６例えばシリコン基板に
集積化してなる（未図示）。この実施例では、さらにＰ
ＮＰトランジスタ７とＮＰＮトランジスタ８とをＩＣ基
板６の表面層に形成する。そして、ＰＮＰトランジスタ
７のＰ型半導体としたエミッタとコレクタを共通接続
し、ＮＰＮトランジスタ８のＮ型半導体としたエミッタ
とコレクタを共通接続する。

【００１８】さらに、ＰＮＰトランジスタ７のＰ型半導
体（エミッタ及びコレクタ）とＮＰＮトランジスタ８の
Ｐ型半導体（ベース）とを共通接続する。また、ＮＰＮ
トランジスタ８のＮ型半導体（エミッタ及びコレクタ）
とＰＮＰトランジスタ７のＮ型半導体（ベース）とを共
通接続し、両者を並列接続する。

【００１９】そして、いずれもＰ型半導体として共通接
続されたＰＮＰトランジスタ７のエミッタ、コレクタ及
びＮＰＮトランジスタ８のベースに−電位を、またいず
れもＮ型半導体として共通接続されたＰＮＰトランジス
タ７のベース及びＮＰＮトランジスタ８のエミッタ、コ
レクタを＋電位とした逆電圧を印加する。

【００２０】このようなものでは、第６図に示したよう
に、電圧容量特性は両者が合成されてＰＮＰトランジス
タ７による不連続点以降の高感度領域は、その非直線性
（指数関数的曲線の傾斜）がＮＰＮトランジスタの直線
性によって是正される。そして、例えばＰＮＰトランジ
スタ７のＰ型半導体とＮ型半導体との接合領域（特にエ
ミッタ・ベース間）がＮＰＮトランジスタ８の面積より
も大きければ、電圧容量特性はＰＮＰトランジスタ７の
特性が支配的となる。

【００２１】これとは逆に、ＮＰＮトランジスタ８のＰ
Ｎ接合領域（面積）が大きければ、電圧容量特性はＮＰ
Ｎトランジスタ８の特性が支配的となる。要するに、両
者は並列接続なので、電圧容量特性は、端子間の容量が
大きい方のトランジスタに依存する。したがって、ＰＮ
Ｐトランジスタ７またはＮＰＮトランジスタ８のＰＮ接
合領域に基づく端子閣容量を相対的に可変することによ
り、合成される電圧容量特性を任意に制御でき、電圧に
対する周波数変化を直線的に補正できる。

【００２２】このようなことから、補正された電圧容量
特性の高感度領域の例えば中央を基準電圧Ｖsとして直
流の制御電圧を印加すれば、高感度としてしかも電圧周
波数特性を直線的にできる。

【００２３】なお、この実施例では、ＰＮＰトランジス
タ及びＮＰＮトランジスタのいずれもエミッタとコレク
タを共通接続したので、エミッタとベース及びコレクタ
とベースの接合容量が合成され、初期容量を大きくでき
る。但し、既存のトランジスタの場合には、通常ではベ
ース・コレクタ間よりもベース・エミッタ間の接合容量
が大きいことから、初期容量はベース・エミッタ間の接
合容量が支配的になる。

【００２４】このことから、本実施例で示す集積回路素
子を使用して電圧制御による温度補償発振器を構成すれ
ば、集積回路素子とは別個に可変容量ダイオードを要し
ないので小型化を達成できる。そして、集積回路素子内
に形成されたＰＮＰトランジスタ７とＮＰＮトランジス
タ８の並列接続による電圧可変容量素子は、高感度とと
してしかも補償電圧に対する周波数変化特性も直線的と
なって設計等を容易にする。

【００２５】

【他の事項】上記実施例では、ＰＮＰトランジスタ７の
Ｐ型半導体（エミッタとコレクタ）を共通接続してＰ型
及びＮ型半導体７、８にそれぞれ逆電圧を印加したと
き、不連続点及び高感度領域が生ずるとしたが、実験で
は次の接続でも前述と同様の結果であった。すなわち、
第７図（ａ）に示したようにＰＮＰトランジスタ７のコ
レクタとベースを共通接続する。そして、エミッタには
−電位を、コレクタ及びベースには＋電位とした電圧を
印加する。すなわち、エミッタ（Ｐ型半導体）及びベー
ス（Ｎ型半導体）にはそれぞれ逆電圧を印加する。この
場合でも、前述同様に逆電圧によって電荷が吸引されて
（空乏層が広がって）容量が小さくなり、しかも不連続
点が生じた。

【００２６】また、第７図（ｂ）に示したようにＮＰＮ
トランジスタ８でもコレクタとベースを共通接続して、
エミッタ（Ｎ型半導体）及びベース（Ｐ型半導体）に逆
電圧を印加しても、前述同様に感度は小さく直線性に優
れた電圧容量特性が得られた。

【００２７】このようなことから、本発明では、ＰＮＰ
トランジスタ７及びＮＰＮトランジスタ８のコレクタと
ベースをそれぞれ共通接続して、エミッタとベースに逆
電圧が印加されるように両者を並列接続してもよい（第
８図）。この場合でも前述と同様に、両者の電圧容量特
性が合成されて直線性に優れて高感度を得ることができ
る。

【００２８】また、上記実施例では、ＰＮＰトランジス
タ７とＮＰＮトランジスタ８とを単に並列接続して両者
の電圧容量特性を合成するとしたが、例えばＰＮＰトラ
ンジスタ７の面積すなわちＰ型半導体とＮ型半導体との
接合領域（特にエミッタ・ベース間）がＮＰＮトランジ
スタ８の面積よりも大きければ、電圧容量特性はＰＮＰ
トランジスタ７の特性が支配的となる。

【００２９】また、電圧可変容量素子へ印加する直流の
基準電圧ＶSは高感度領域の中央としたが、電圧可変容
量素子には直流とした電圧のみならず、実際には高周波
信号も印加されて重畳電圧となる。したがって、高感度
領域内に重畳電圧があれば、容量変化は大きくなるの
で、基準電圧ＶSは必ずしも高感度領域の中央でなくて
もよい。

【００３０】また、本発明では既存のベースの厚みが小
さくベース・エミッタ間の接合容量がベース・コレクタ
間のそれよりも大きいＰＮＰトランジスタ及びＮＰＮト
ランジスタを用いた場合について説明した。しかしなが
ら、説明の趣旨から理解されるように、ＰＮあるいはＮ
Ｐ接合領域の接合容量を任意に制御した単なるＰＮＰ接
合半導体あるいはＮＰＮ接合半導体でも、同様な電圧可
変容量素子を形成できる。

【００３１】要するに、本発明では、ＰＮＰトランジス
タ７の高感度領域及びＮＰＮトランジスタ８の直線性に
着目して両者を並列接続して他の回路素子とともにＩＣ
基板６内に良好な特性の電圧可変容量を形成したことを
趣旨とするもので、このような趣旨に基づくものは本発
明の技術的範囲に属する。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、ＰＮＰトランジスタ及びＮＰ
Ｎトランジスタのエミッタとコレクタをそれぞれ共通接
続して両者を並列接続し、各エミッタ、コレクタ及びベ
ースには逆電圧を印加する。また、ＰＮＰトランジスタ
及びＮＰＮトランジスタのコレクタとベースをそれぞれ
共通接続して両者を並列接続し、各エミッタには逆電圧
を各ベース及びコレクタには順電圧を印加する。したが
って、直線性及び感度を良好とした電圧可変容量をＩＣ
基板内に有する集積回路素子、及びこれを用いて小型化
を促進した電圧制御発振器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の元となったＰＮＰトランジスタの図
で、同図（ａ）は結線を含む模式的な断面図、同図
（ｂ）は記号を用いた結線図である。

【図２】本発明の元となったＮＰＮトランジスタの図
で、同図（ａ）は結線を含む模式的な断面図、同図
（ｂ）は記号を用いた結線図である。

【図３】本発明の元となったＰＮＰ及びＮＰＮトランジ
スタの電圧容量特性図である。

【図４】本発明の一実施例を説明するＩＣ基板に形成し
た結線を含む電圧可変容量の模式的な断面図である。

【図５】本発明の一実施例を説明する電圧可変容量とし
てのトランジスタ記号による結線図である。

【図６】本発明の一実施例による作用効果を説明する電
圧容量特性図である。

【図７】本発明の他の実施例を説明するトランジスタ記
号による結線図で、同図（ａ）ＰＮＰトランジスタ、同
図（ｂ）はＮＰＮトランジスタの結線図である。

【図８】本発明の他の実施例を説明する電圧可変容量と
してのトランジスタ記号による結線図である。

【図９】従来例を説明する温度補償発振器の回路図であ
る。

【図１０】従来例を説明する水晶発振器の温度に対する
周波数特性図及び補償電圧特性図である。

【符号の説明】

１電圧制御発振器、２温度補償部、３水晶発振
器、４可変容量ダイオード、５水晶振動子、６Ｉ
Ｃ基板、７ＰＮＰトランジスタ、８ＮＰＮトランジ
スタ．不連続点の電圧値トランジスタの型名小信号のレベルＩＣ以外に素子があっても良い点を記入する

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田克修埼玉県狭山市大字上広瀬1275番地の２日本電波工業株式会社狭山事業所内 (72)発明者渋谷修寿大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者竹内久人大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者三木祥文大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5F038 AC03 AC09 AC12 BH16 DF01 EZ20 5J079 AA04 BA17 DA15 FA02 FA17 GA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振回路素子を集積化してなる集積基板に
ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタとを形成し、
前記ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタのエミッ
タとコレクタをそれぞれ共通接続して、前記ＰＮＰトラ
ンジスタの共通接続したエミッタとコレクタ及び前記Ｎ
ＰＮトランジスタのベースとを共通接続するとともに、
前記ＰＮＰトランジスタのベースと前記ＮＰＮトランジ
スタの共通接続したエミッタとコレクタを共通接続して
前記ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタとを並列
接続し、前記ＰＮＰトランジスタのエミッタとコレクタ
及び前記ＮＰＮトランジスタのベースを−電位として、
前記ＰＮＰトランジスタのベース及び前記ＮＰＮトラン
ジスタのエミッタとコレクタを＋電位とした電圧を印加
してなる電圧可変容量を具備した集積回路素子。
【請求項２】発振回路素子を集積化してなる集積基板に
ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタとを形成し、
前記ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタのコレク
タとベースをそれぞれ共通接続して、前記ＰＮＰトラン
ジスタの共通接続したコレクタとベース及び前記ＮＰＮ
トランジスタのエミッタとを共通接続するとともに、前
記ＰＮＰトランジスタのエミッタと前記ＮＰＮトランジ
スタの共通接続したコレクタとベースを共通接続して前
記ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタとを並列接
続し、前記ＰＮＰトランジスタのコレクタとベース及び
前記ＮＰＮトランジスタのエミッタを＋電位として、前
記ＰＮＰトランジスタのエミッタ及び前記ＮＰＮトラン
ジスタのコレクタとベースを−電位とした電圧を印加し
てなる電圧可変容量を具備した集積回路素子。
【請求項３】請求項１または請求項２のの集積回路素子
を適用してなる電圧制御発振器。