JP2007074126A - 可変容量素子および電圧制御発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】広帯域に亘って容量値が可変で、小型、低コストの可変容量素子を提供する。
【解決手段】シリコン基板1と、シリコン基板上に形成された当該シリコン基板とは異なる導電型の第1ウェル層2と、第1ウェル層上に形成された当該第1ウェル層とは異なる導電型の第2ウェル層3と、第2ウェル層上に形成されたゲート酸化膜4と、ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極5とを備える。ゲート電極と第2ウェル層間の電位差に応じて容量値が可変であるとともに、第2ウェル層と第1ウェル層間の電位差に応じて容量値が可変である。
【選択図】図1
【解決手段】シリコン基板1と、シリコン基板上に形成された当該シリコン基板とは異なる導電型の第1ウェル層2と、第1ウェル層上に形成された当該第1ウェル層とは異なる導電型の第2ウェル層3と、第2ウェル層上に形成されたゲート酸化膜4と、ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極5とを備える。ゲート電極と第2ウェル層間の電位差に応じて容量値が可変であるとともに、第2ウェル層と第1ウェル層間の電位差に応じて容量値が可変である。
【選択図】図1
Description
本発明は、ウェル層間のPN接合容量およびMOSゲート容量を利用した可変容量素子、およびそれを用いた電圧制御発振器に関する。
近年、移動体通信市場の発展に伴い、通信機器の小型化、低コスト化などを目的として、電圧制御発振器(VCO)のIC集積化が進んでいる。VCOを構成する素子の1つに可変容量素子がある。
図15に従来のIC上に集積化された可変容量素子の構成例を示す。同図の可変容量素子は、P型シリコン基板21上に、シリコン基板21とは導電性の異なるN型ウェル層22が形成され、ウェル層22の上層にゲート酸化膜23が形成され、ゲート酸化膜23上にゲート電極24が形成されて構成されている。ゲート電極23とウェル層22との間の電圧を変化させることによって容量値を変化させる(例えば特許文献1を参照)。
一方、例えば携帯電話で用いられる周波数は800MHzだけでなく、1.5GHz、2GHzと多周波化され、それに伴い、ICに内蔵されるVCOにも広帯域化の必要が生じている。VCOの発振周波数は、下記の式(1)で表される。
f=1/(2×π×√(L×C) ・・・(1)
L:インダクタ値
C:容量値
VCOを広帯域化する場合、可変容量素子の容量変化率を大きくすればよいが、容量変化率を大きくすればVCOゲインが大きくなり、C/Nが悪化するという短所がある。
L:インダクタ値
C:容量値
VCOを広帯域化する場合、可変容量素子の容量変化率を大きくすればよいが、容量変化率を大きくすればVCOゲインが大きくなり、C/Nが悪化するという短所がある。
そこで、特許文献2、あるいは特許文献3に示されるように、可変容量素子と並列に固定コンデンサ群を接続し、各固定コンデンサの接続状態をスイッチ群により切換えることにより、電圧制御発振器の発振周波数範囲を広帯域化する技術が提案されている。そのような構成の例を図16に示す。
この電圧制御発振器は、負性抵抗回路31、インダクタ32、コンデンサ33と可変容量素子34の直列回路、および固定コンデンサ群35a、35b、・・・が並列接続された構成を有する。固定コンデンサ群35a、35b、・・・は、スイッチ群36a、36b、・・・により接続、非接続が選択される。この電圧制御発振器の発振周波数範囲は、固定コンデンサ35a、35bの接続の組合わせを選択することにより、図17に示すカーブa、b、cように切り替る。また、端子37を介して可変容量素子34を制御する電圧を変化させることにより、各発振周波数範囲におけるカーブa、b、cに従って発振周波数が変化する。このようにして、発振周波数範囲を広帯域化することができる。
特開2001−127253号公報
特表2003−509942号公報
特開2004−80624号公報
上記従来例の可変容量素子において、並列コンデンサ群に用いられるコンデンサは、MOS容量より周波数特性のよいMIM容量が用いられる。しかし、MIM容量は一般的に単位面積の容量値が小さくチップ面積が大きくなり、小型化、低コスト化が困難になるという問題がある。
本発明は、広帯域に亘って容量値が可変で、小型、低コストが可能な可変容量素子を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明の第1の構成の可変容量素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された当該シリコン基板とは異なる導電型の第1ウェル層と、前記第1ウェル層上に形成された当該第1ウェル層とは異なる導電型の第2ウェル層と、前記第2ウェル層上に形成されたゲート酸化膜と、前記ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極とを備え、前記ゲート電極と前記第2ウェル層間の電位差に応じて容量値が可変であるとともに、前記第2ウェル層と前記第1ウェル層間の電位差に応じて容量値が可変である。
本発明の第2の構成の可変容量素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された当該シリコン基板とは異なる導電型の第1ウェル層と、前記第1ウェル層上に形成された当該第1ウェル層とは異なる導電型の第2ウェル層と、前記第2ウェル層上に形成されたゲート酸化膜と、前記ゲート酸化膜上に形成されたn個(nは2以上の整数)のゲート電極とを備え、前記ゲート電極の各々に異なった電位が印加されることにより、前記第2ウェル層と前記各ゲート電極間の各々の容量値が異なった容量変化領域に制御される。
本発明の第3の構成の可変容量素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された当該シリコン基板とは異なる導電形の第1ウェル層と、前記第1ウェル層上に形成された当該第1ウェル層とは異なる導電型のi個の第2ウェル層と、前記i個の第ウェル層上に各々形成されたi個のゲート酸化膜と、前記i個のゲート酸化膜上に各々形成されたi個のゲート電極とを備え、前記i個のゲート電極に同電位が印加されるとともに、前記i個の第2ウェル層に異なる電圧が印加されることにより、前記第2ウェル層と前記ゲート電極間の各々の容量値が異なる容量変化領域に制御される。
上記構成の可変容量素子によれば、ゲート電極と第2ウェル層間のMOSゲート容量とともに、第1ウェル層と第2ウェル層間のPN接合容量を可変容量として利用するので、小型、低コストで広帯域化を実現できる。
本発明の第1の構成の可変容量素子を、前記第1ウェル層と前記ゲート電極が接続され、そのノードと前記第2ウェル層間の1つの可変容量として構成することができる。
本発明の可変容量素子において、前記シリコン基板はP型、前記第1ウェル層はN型、前記第2ウェル層はP型である構成とすることができる。
あるいは、前記シリコン基板はN型、前記第1ウェル層はP型、前記第2ウェル層はN型である構成とすることができる。
本発明の電圧制御発振器は、第1の構成のいずれかの可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、DCカットコンデンサとを備える。前記可変容量素子の前記第2ウェル層と前記DCカットコンデンサが直列に接続された可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、前記可変容量素子の前記ゲート電極に発振周波数を制御するための制御電圧が入力され、前記可変容量素子の前記第1ウェル層に発振周波数の発振バンドを切り替えるための制御電圧が入力される。
あるいは本発明の電圧制御発振器は、第1の構成のいずれかの可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、DCカットコンデンサとを備える。前記可変容量素子の前記第2ウェル層と前記DCカットコンデンサが直列に接続された可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、前記可変容量素子の前記第1ウェル層に発振周波数を制御するための制御電圧が入力され、前記可変容量素子の前記ゲート電極に発振周波数の発振バンドを切り替えるための制御電圧が入力される。
上記構成の電圧制御発振器において、n個の固定コンデンサ(nは1以上)とn個のスイッチとを備え、各々の前記固定コンデンサとスイッチが直列に接続された固定コンデンサ回路がn個形成され、前記n個の固定コンデンサ回路は前記負性抵抗回路と並列に接続され、前記可変容量素子の発振バンドを切り替えるための制御電圧、および前記固定コンデンサ回路の各スイッチの切り替えにより、発振周波数の発振バンドが切り替えられる構成とすることができる。
あるいは本発明の電圧制御発振器は、第1の構成であって前記第1ウェル層と前記ゲート電極が接続され、そのノードと前記第2ウェル層間の1つの可変容量として構成された可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、DCカットコンデンサとを備える。前記可変容量素子の一端と前記DCカットコンデンサが直列に接続された可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、前記可変容量素子の他端に発振周波数を制御するための制御電圧が入力され、前記可変容量素子の前記第1ウェル層と前記第2ウェル層間の可変容量値と、前記可変容量素子の前記第2ウェル層と前記ゲート電極間の可変容量値との合計容量により発振周波数が制御される。
あるいは本発明の電圧制御発振器は、第2の構成のいずれかの可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、DCカットコンデンサとを備える。前記可変容量素子の前記第2ウェル層と前記DCカットコンデンサが直列に接続された可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、前記可変容量素子の前記第1ウェル層に発振周波数の発振バンドを切替えるための制御電圧が入力されるとともに、前記可変容量素子の前記n個のゲート電極に各々異なる制御電圧が印加されて発振周波数が制御される。
この構成において、前記可変容量素子のm番目のゲート電極に印加する電圧と、m+1(m+1≦n)番目のゲート電極に印加する電圧の差がVdである構成とすることができる。
あるいは本発明の電圧制御発振器は、第3の構成のいずれかの可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、i個のDCカットコンデンサを備える。前記可変容量素子の前記i個の第2ウェル層と前記i個のDCカットコンデンサが各々直列に接続されたi個の可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、前記第2ウェル層の各々に異なる電圧が印加されるとともに、前記第1ウェル層に発振周波数の発振バンドを切替えるための制御電圧を印加し、前記i個のゲート電極群に電圧を印加することにより発振周波数を制御する。
この構成において、前記i個の第2ウェル層のk番目の第2ウェル層に印加される電圧と、k+1番目の第2ウェル層に印加される電圧の差がVdである構成とすることができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る可変容量素子について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の第1の実施形態に係る可変容量素子について、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の可変容量素子の縦構造を示す断面図である。シリコン基板1に形成された第1ウェル層2の上面部に第2ウェル層3が形成され、第2ウェル層3の上面にゲート酸化膜4を介してゲート電極5が形成されている。第1ウェル層2と第2ウェル層3の間のPN接合面に逆バイアスを印加することにより、空乏層の厚さを制御して可変PN接合容量を構成する。同時に、第2ウェル層3とゲート電極5の間にMOSゲートを利用した可変MOSゲート容量を構成する。
この可変容量素子は、シリコン基板1をP型、第1ウェル層2をN型、第2ウェル層3をP型とすると、図2のような等価回路で記述することができる。6が可変PN接合容量、7が可変MOSゲート容量である。この可変容量素子の容量値Cは、式(2)のように表される。
C=Cj+Cm+Cs ・・・(2)
Cj:第1ウェル層2と第2ウェル層3間のPN接合容量
Cm:第2ウェル層3とゲート電極5間の容量
Cs:第1ウェル層2とシリコン基板1間の容量
第1ウェル層2と第2ウェル層3間の容量Cj、第1ウェル層2とシリコン基板1間の容量CsはPN接合容量なので、容量値は(3)式のように表される。
Cj:第1ウェル層2と第2ウェル層3間のPN接合容量
Cm:第2ウェル層3とゲート電極5間の容量
Cs:第1ウェル層2とシリコン基板1間の容量
第1ウェル層2と第2ウェル層3間の容量Cj、第1ウェル層2とシリコン基板1間の容量CsはPN接合容量なので、容量値は(3)式のように表される。
Cj=dQ/dV ・・・(3)
dQ=AqNAdW ・・・(4)
V:接合間電圧
A:接合断面積
q:電荷素量(1.6E−13C)
NA:P型不純物濃度
W:n型空乏層幅
一般的にウェルの不純物濃度はシリコン基板に比べて十分に大きいので、式(2)の接合容量Csは無視して考えると、可変容量素子の容量値は式(2a)のように表される。
dQ=AqNAdW ・・・(4)
V:接合間電圧
A:接合断面積
q:電荷素量(1.6E−13C)
NA:P型不純物濃度
W:n型空乏層幅
一般的にウェルの不純物濃度はシリコン基板に比べて十分に大きいので、式(2)の接合容量Csは無視して考えると、可変容量素子の容量値は式(2a)のように表される。
C=Cj+Cm ・・・(2a)
式(2a)は、第1ウェル層2と第2ウェル層3間の電圧を制御することにより、第2ウェル層3とゲート電極5間の容量値Cmの変化に基づく可変容量素子の容量変化領域をシフトできることを意味する。第1ウェル層2と第2ウェル層3間の電圧をVw1とした場合の、可変容量素子の容量値は式(5)で表される。
式(2a)は、第1ウェル層2と第2ウェル層3間の電圧を制御することにより、第2ウェル層3とゲート電極5間の容量値Cmの変化に基づく可変容量素子の容量変化領域をシフトできることを意味する。第1ウェル層2と第2ウェル層3間の電圧をVw1とした場合の、可変容量素子の容量値は式(5)で表される。
C1=Cm+Cj(Vw1) ・・・(5)
Cj(Vw1):第1ウェル層と第2ウェル層間の電圧がVw1時の接合容量
同様に第1ウェル層2と第2ウェル層3間の電圧をVw2とした場合の、可変容量素子の容量値は式(5a)で表される。
Cj(Vw1):第1ウェル層と第2ウェル層間の電圧がVw1時の接合容量
同様に第1ウェル層2と第2ウェル層3間の電圧をVw2とした場合の、可変容量素子の容量値は式(5a)で表される。
C1=Cm+Cj(Vw2) ・・・(5a)
Cj(Vw2):第1ウェル層と第2ウェル層間の電圧がVw2時の接合容量
すなわち、第1ウェル層2と第2ウェル層3間の電圧が(Vw1−Vw2)変化すると、第1ウェル層2と第2ウェル層間の容量値が[Cj(Vw1)−Cj(Vw2)]変化するため、可変容量素子の容量値は図3に示されるように変化する。
Cj(Vw2):第1ウェル層と第2ウェル層間の電圧がVw2時の接合容量
すなわち、第1ウェル層2と第2ウェル層3間の電圧が(Vw1−Vw2)変化すると、第1ウェル層2と第2ウェル層間の容量値が[Cj(Vw1)−Cj(Vw2)]変化するため、可変容量素子の容量値は図3に示されるように変化する。
上記説明は、P型のシリコン基板と、N型の第1ウェル層と、P型の第2ウェル層で構成された可変容量素子の場合を例としたが、N型シリコン基板と、P型の第1ウェル層と、N型の第2ウェル層で構成された可変容量素子の場合でも同様の効果が得られる。
(第2の実施形態)
第2の実施の形態について、図4および図5を参照して説明する。図4は、第1の実施形態の可変容量素子を電圧制御発振器に適用した構成を示す回路図である。
第2の実施の形態について、図4および図5を参照して説明する。図4は、第1の実施形態の可変容量素子を電圧制御発振器に適用した構成を示す回路図である。
同図において、可変容量素子10は、第1の実施形態に示したものと同様であり、第1ウェル層と第2ウェル層間の可変PN接合容量6、および第2ウェル層とゲート電極間の可変MOSゲート容量7からなる。可変容量素子10は、DCカットのためのコンデンサ13を介して、負性抵抗回路11およびインダクタ12に接続され、電圧制御発振器が構成されている。14は、可変PN接合容量6の容量値を可変とする制御電圧を印加するための制御端子、15は、可変MOSゲート容量7の容量値を可変とする制御電圧を印加するための制御端子である。
インダクタ12のインダクタンス値をL[H]、可変MOSゲート容量7の容量値をCm[F]、可変PN接合容量6の容量値をCv[F]、DCカットのためのコンデンサ13の容量値をCm、Cvの値に比べて十分に大きいとすると、発振周波数は(6)式で表される。
f=1/(2×π×√(L×(Cv+Cm))) ・・・(6)
容量値Cvは第1ウェル層と第2ウェル層間の容量であり、制御端子14の電圧を制御することにより可変できる。制御端子14の電圧をV1、V2、V3と変化させた時、可変MOSゲート容量7の制御端子15に印加される制御電圧と発振周波数の関係は、図5に示すようになり、VCOの発振周波数バンドを調整することができる。これにより、発振周波数バンドを調整するコンデンサとスイッチを削減でき、電圧制御発振器を小型化できる。
容量値Cvは第1ウェル層と第2ウェル層間の容量であり、制御端子14の電圧を制御することにより可変できる。制御端子14の電圧をV1、V2、V3と変化させた時、可変MOSゲート容量7の制御端子15に印加される制御電圧と発振周波数の関係は、図5に示すようになり、VCOの発振周波数バンドを調整することができる。これにより、発振周波数バンドを調整するコンデンサとスイッチを削減でき、電圧制御発振器を小型化できる。
上述の説明では、制御端子15に印加する制御電圧により周波数可変の制御を行い、制御端子14の電圧を制御して発振周波数バンドを切替える例を示したが、逆に、制御端子14に印加する制御電圧により周波数可変の制御を行い、制御端子15の電圧を制御して発振周波数バンドを切替えても、同様の効果が得られる。
また、図16に示した従来例と同様に、スイッチ群により切換えられる固定コンデンサ群を、可変容量素子10と組合わせて使用することもできる。
(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態における可変容量素子の縦構造を示す断面図である。本実施の形態における可変容量素子の構成要素は、図1に示した第1の実施形態と同様であり、第1の実施形態と同様の構成要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
図6は、本発明の第3の実施形態における可変容量素子の縦構造を示す断面図である。本実施の形態における可変容量素子の構成要素は、図1に示した第1の実施形態と同様であり、第1の実施形態と同様の構成要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
本実施の形態では、第1ウェル層2とゲート電極5とが接続されている。これは図7の等価回路に示すように、第1ウェル層2と第2ウェル層3間の可変PN接合容量6と、第2ウェル層3とゲート電極5間の可変MOSゲート容量7が並列に接続されていることと等価である。図8は、可変PN接合容量6と可変MOSゲート容量7の端子間電圧による可変容量素子の容量値の変化を示す。図8から明らかなように、第1ウェル層2とゲート電極5とを接続すれば、より大きな容量値の可変容量素子を構成することができる。
また、本実施形態の可変容量素子を電圧制御発振器に適用すれば、可変容量素子を小さく構成することができる。
また本実施形態の可変容量素子は、P型基板、N型の第1ウェル層、およびP型の第2ウェル層により構成されても、あるいは、N型基板、P型の第1ウェル層、およびN型の第2ウェル層により構成されても、同様の効果が得られる。
(第4の実施形態)
図9は、本発明の第4の実施形態における可変容量素子の縦構造を示す断面図である。
図9は、本発明の第4の実施形態における可変容量素子の縦構造を示す断面図である。
一般的に、MOSトランジスタのゲート容量を利用した可変容量素子では、閾値(Vth)近傍で容量値が急峻に変化する。そのため、このような素子を電圧制御発振器に適用した場合、電圧制御発振器の発振周波数が閾値近傍で急峻に変化する。その結果、PLL周波数シンセサイザの過渡応答特性や雑音帯域特性が、周波数によって大きく変動する。本実施の形態は、そのような問題を解消するための構成を提供する。
図9の可変容量素子は、基本的は構造は図1に示した第1の実施形態と同様であり、シリコン基板1に形成された第1ウェル層2の上面部に第2ウェル層3が形成され、第2ウェル層3の上面に、ゲート酸化膜4−1〜4−nを介して、ゲート電極5−1〜5−nが形成されている。ゲート酸化膜4−1〜4−nは、別個ではなく一体に形成してもよい。第1ウェル層2と第2ウェル層3間のPN接合面に逆バイアスを印加することにより空乏層の厚さを制御して可変PN接合容量を構成すると同時に、第2ウェル層3とゲート電極5−1、5−2、・・・、5−n間に、MOSゲートを利用した複数個の可変MOSゲート容量を構成する。この可変容量素子は、図10のような等価回路で記述することができる。7−1〜7−nは、可変MOSゲート容量である。
以下、n=3の場合について説明する。ゲート電極5−1、5−2、5−3と第2ウェル層3間で構成される可変MOSゲート容量7−1〜7−nの可変容量値を、それぞれ図11に示す。ゲート電極5−1、5−2、5−3の制御電圧をそれぞれVt-1、Vt-2、Vt-3として、それぞれ
Vt-1−Vt-2=Vd
Vt-2−Vt-3=Vd
の関係の制御電圧を印加すると、可変容量素子全体としての容量変化特性は、図11の破線7Aで示すように、制御電圧に対して緩やかに変化する。その結果、本実施形態の可変容量素子を電圧制御発振器に適用した場合、発振周波数を可変させる制御電圧Vtに対して、広い制御電圧の範囲で周波数を緩やかに制御することができる。また第1ウェル層2の電圧を制御することにより第1ウェル層2と第2ウェル層3間の接合容量値を制御し、発振周波数バンドを変更して、電圧制御発振器を小さく構成することができる。電圧制御発振器の構成は図4と同様とし、可変容量素子10に代えて、上記構成の可変容量素子を接続した構成にすることができる。
Vt-1−Vt-2=Vd
Vt-2−Vt-3=Vd
の関係の制御電圧を印加すると、可変容量素子全体としての容量変化特性は、図11の破線7Aで示すように、制御電圧に対して緩やかに変化する。その結果、本実施形態の可変容量素子を電圧制御発振器に適用した場合、発振周波数を可変させる制御電圧Vtに対して、広い制御電圧の範囲で周波数を緩やかに制御することができる。また第1ウェル層2の電圧を制御することにより第1ウェル層2と第2ウェル層3間の接合容量値を制御し、発振周波数バンドを変更して、電圧制御発振器を小さく構成することができる。電圧制御発振器の構成は図4と同様とし、可変容量素子10に代えて、上記構成の可変容量素子を接続した構成にすることができる。
上記の例では、ゲート電極がn=3の場合を説明したが、ゲート電極がn=2、あるいはn=4以上の場合でも、同様の効果が得られる。
(第5の実施形態)
図12は、本発明の第5の実施形態における可変容量素子の縦構造を示す断面図である。
図12は、本発明の第5の実施形態における可変容量素子の縦構造を示す断面図である。
第4の実施形態では、電圧制御発振器の周波数を制御する際に、各ゲート電極の制御電圧Vt-1、Vt-2、Vt-3をそれぞれ異なる電位で制御する必要があり、制御方法が煩雑であった。
そこで本実施形態では、第1ウェル層上の上面部に、複数の第2ウェル層3−1、3−2、・・・、3−nがそれぞれ分離して形成され、各第2ウェル層毎に、ゲート酸化膜4−1〜4−nを介して、ゲート電極5−1〜5−nが形成された構成を用いる。
第1ウェル層と各第2ウェル層3−1、3−2、・・・、3−n間の各々のPN接合面に逆バイアスを印加することにより、各々の空乏層の厚さを制御して複数個の可変PN接合容量を構成すると同時に、第2ウェル層3−1、3−2、・・・、3−nとゲート電極5−1、5−2、・・・、5−n間に、MOSゲートを利用した複数個の可変MOSゲート容量を構成する。この可変容量素子は、図13のような等価回路で記述することができる。6−1〜6−nは可変PN接合容量、7−1〜7−nは可変MOSゲート容量である。可変PN接合容量6−1〜6−nと、可変MOSゲート容量7−1〜7−nのそれぞれの組み合わせにより、合成可変容量8−1〜8−nが構成される。合成可変容量8−1〜8−3の可変容量値がそれぞれ、図14に示される。
以下、n=3の場合について説明する。第2ウェル層3−1、3−2、3−3の制御電圧Vw-1、Vw-2、Vw-3として、それぞれ
Vw-1−Vw-2=Vd
Vw-2−Vw-3=Vd
の関係の制御電圧を印加すると、可変容量素子全体としての容量変化特性は図14の破線8Aのように、制御電圧に対して緩やかに変化する。その結果、本実施形態の可変容量を電圧制御発振器に適用した場合、発振周波数を可変させる制御電圧Vtに対して、広い制御電圧の範囲で周波数を緩やかに制御することができる。また第1ウェル層2の電圧を制御することにより、第1ウェル層2と第2ウェル層3−1、3−2、3−3間の接合容量値を制御し、発振周波数バンドを変更することができ、電圧制御発振器を小さく構成することができる。電圧制御発振器の構成は図4と同様とし、可変容量素子10に代えて、上記構成の可変容量素子を接続した構成にすることができる。
Vw-1−Vw-2=Vd
Vw-2−Vw-3=Vd
の関係の制御電圧を印加すると、可変容量素子全体としての容量変化特性は図14の破線8Aのように、制御電圧に対して緩やかに変化する。その結果、本実施形態の可変容量を電圧制御発振器に適用した場合、発振周波数を可変させる制御電圧Vtに対して、広い制御電圧の範囲で周波数を緩やかに制御することができる。また第1ウェル層2の電圧を制御することにより、第1ウェル層2と第2ウェル層3−1、3−2、3−3間の接合容量値を制御し、発振周波数バンドを変更することができ、電圧制御発振器を小さく構成することができる。電圧制御発振器の構成は図4と同様とし、可変容量素子10に代えて、上記構成の可変容量素子を接続した構成にすることができる。
上記の例では、ゲート電極がn=3の場合を説明したが、ゲート電極がn=2、あるいはn=4以上の場合でも、同様の効果が得られる。
本発明の可変容量素子は、小型、低コストでありながら広帯域に亘り容量値が可変であり、ICに内臓するのに適した電圧制御発振器を構成するのに有用である。
1、21 シリコン基板
2 第1ウェル層
3、3−1、3−n 第2ウェル層
4、4−1、4−n、23 ゲート酸化膜
5、5−1、5−n、24 ゲート電極
6、6−1、6−n 可変PN接合容量
7、7−1、7−n 可変MOSゲート容量
8−1、8−n 合成可変容量
10、34 可変容量素子
11、31 負性抵抗回路
12、32 インダクタ
13、33、35a、35b コンデンサ
14、15、17、18、37 制御端子
22 ウェル層
36a、36b スイッチ
2 第1ウェル層
3、3−1、3−n 第2ウェル層
4、4−1、4−n、23 ゲート酸化膜
5、5−1、5−n、24 ゲート電極
6、6−1、6−n 可変PN接合容量
7、7−1、7−n 可変MOSゲート容量
8−1、8−n 合成可変容量
10、34 可変容量素子
11、31 負性抵抗回路
12、32 インダクタ
13、33、35a、35b コンデンサ
14、15、17、18、37 制御端子
22 ウェル層
36a、36b スイッチ
Claims (18)
- シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された当該シリコン基板とは異なる導電型の第1ウェル層と、
前記第1ウェル層上に形成された当該第1ウェル層とは異なる導電型の第2ウェル層と、
前記第2ウェル層上に形成されたゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極と前記第2ウェル層間の電位差に応じて容量値が可変であるとともに、
前記第2ウェル層と前記第1ウェル層間の電位差に応じて容量値が可変であることを特徴とする可変容量素子。 - 前記シリコン基板はP型、前記第1ウェル層はN型、前記第2ウェル層はP型である請求項1に記載の可変容量素子。
- 前記シリコン基板はN型、前記第1ウェル層はP型、前記第2ウェル層はN型である請求項1に記載の可変容量素子。
- 前記第1ウェル層と前記ゲート電極が接続され、そのノードと前記第2ウェル層間の1つの可変容量として構成された請求項1〜3のいずれか1項に記載の可変容量素子。
- シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された当該シリコン基板とは異なる導電型の第1ウェル層と、
前記第1ウェル層上に形成された当該第1ウェル層とは異なる導電型の第2ウェル層と、
前記第2ウェル層上に形成されたゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜上に形成されたn個(nは2以上の整数)のゲート電極とを備え、
前記ゲート電極の各々に異なった電位が印加されることにより、前記第2ウェル層と前記各ゲート電極間の各々の容量値が異なった容量変化領域に制御されることを特徴とする可変容量素子。 - 前記シリコン基板はP型、前記第1ウェル層はN型、前記第2ウェル層はP型である請求項5に記載の可変容量素子。
- 前記シリコン基板はN型、前記第1ウェル層はP型、前記第2ウェル層はN型である請求項5に記載の可変容量素子。
- シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された当該シリコン基板とは異なる導電形の第1ウェル層と、
前記第1ウェル層上に形成された当該第1ウェル層とは異なる導電型のi個の第2ウェル層と、
前記i個の第ウェル層上に各々形成されたi個のゲート酸化膜と、
前記i個のゲート酸化膜上に各々形成されたi個のゲート電極とを備え、
前記i個のゲート電極に同電位が印加されるとともに、前記i個の第2ウェル層に異なる電圧が印加されることにより、前記第2ウェル層と前記ゲート電極間の各々の容量値が異なる容量変化領域に制御されることを特徴とする可変容量素子。 - 前記シリコン基板はP型、前記第1ウェル層はN型、前記第2ウェル層はP型である請求項8に記載の可変容量素子。
- 前記シリコン基板はN型、前記第1ウェル層はP型、前記第2ウェル層はN型である請求項8に記載の可変容量素子。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、DCカットコンデンサとを備え、
前記可変容量素子の前記第2ウェル層と前記DCカットコンデンサが直列に接続された可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、
前記可変容量素子の前記ゲート電極に発振周波数を制御するための制御電圧が入力され、
前記可変容量素子の前記第1ウェル層に発振周波数の発振バンドを切り替えるための制御電圧が入力されることを特徴とする電圧制御発振器。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、DCカットコンデンサとを備え、
前記可変容量素子の前記第2ウェル層と前記DCカットコンデンサが直列に接続された可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、
前記可変容量素子の前記第1ウェル層に発振周波数を制御するための制御電圧が入力され、
前記可変容量素子の前記ゲート電極に発振周波数の発振バンドを切り替えるための制御電圧が入力されることを特徴とする電圧制御発振器。 - n個の固定コンデンサ(nは1以上)とn個のスイッチとを備え、
各々の前記固定コンデンサとスイッチが直列に接続された固定コンデンサ回路がn個形成され、
前記n個の固定コンデンサ回路は前記負性抵抗回路と並列に接続され、
前記可変容量素子の発振バンドを切り替えるための制御電圧、および前記固定コンデンサ回路の各スイッチの切り替えにより、発振周波数の発振バンドが切り替えられる請求項11または12に記載の電圧制御発振器。 - 請求項4に記載の可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、DCカットコンデンサとを備え、
前記可変容量素子の一端と前記DCカットコンデンサが直列に接続された可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、
前記可変容量素子の他端に発振周波数を制御するための制御電圧が入力され、
前記可変容量素子の前記第1ウェル層と前記第2ウェル層間の可変容量値と、前記可変容量素子の前記第2ウェル層と前記ゲート電極間の可変容量値との合計容量により発振周波数が制御されることを特徴とする電圧制御発振器。 - 請求項5〜7のいずれか1項に記載の可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、DCカットコンデンサとを備え、
前記可変容量素子の前記第2ウェル層と前記DCカットコンデンサが直列に接続された可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、
前記可変容量素子の前記第1ウェル層に発振周波数の発振バンドを切替えるための制御電圧が入力されるとともに、前記可変容量素子の前記n個のゲート電極に各々異なる制御電圧が印加されて発振周波数が制御されることを特徴とする電圧制御発振器。 - 前記可変容量素子のm番目のゲート電極に印加する電圧と、m+1(m+1≦n)番目のゲート電極に印加する電圧の差がVdである請求項15に記載の電圧制御発振器。
- 請求項8〜10のいずれか1項に記載の可変容量素子と、負性抵抗回路と、インダクタ回路と、i個のDCカットコンデンサを備え、
前記可変容量素子の前記i個の第2ウェル層と前記i個のDCカットコンデンサが各々直列に接続されたi個の可変容量回路と、前記負性抵抗回路と、前記インダクタ回路が各々並列に接続され、
前記第2ウェル層の各々に異なる電圧が印加されるとともに、前記第1ウェル層に発振周波数の発振バンドを切替えるための制御電圧を印加し、前記i個のゲート電極群に電圧を印加することにより発振周波数を制御することを特徴とする電圧制御発振器。 - 前記i個の第2ウェル層のk番目の第2ウェル層に印加される電圧と、k+1番目の第2ウェル層に印加される電圧の差がVdである請求項17に記載の電圧制御発振器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005256650A JP2007074126A (ja) | 2005-09-05 | 2005-09-05 | 可変容量素子および電圧制御発振器 |
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JP2005256650A JP2007074126A (ja) | 2005-09-05 | 2005-09-05 | 可変容量素子および電圧制御発振器 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014112885A (ja) * | 2014-01-07 | 2014-06-19 | Renesas Electronics Corp | 発振回路及び半導体装置 |
-
2005
- 2005-09-05 JP JP2005256650A patent/JP2007074126A/ja not_active Withdrawn
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