JPH0142149B2 - - Google Patents

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JPH0142149B2
JPH0142149B2 JP55176225A JP17622580A JPH0142149B2 JP H0142149 B2 JPH0142149 B2 JP H0142149B2 JP 55176225 A JP55176225 A JP 55176225A JP 17622580 A JP17622580 A JP 17622580A JP H0142149 B2 JPH0142149 B2 JP H0142149B2
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capacitance
depletion layer
semiconductor substrate
layer control
conductivity type
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Shoichi Minagawa
Takamasa Sakai
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Clarion Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/92Capacitors having potential barriers
    • H01L29/93Variable capacitance diodes, e.g. varactors
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03JTUNING RESONANT CIRCUITS; SELECTING RESONANT CIRCUITS
    • H03J2200/00Indexing scheme relating to tuning resonant circuits and selecting resonant circuits
    • H03J2200/10Tuning of a resonator by means of digitally controlled capacitor bank

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、広範囲にわたる容量値の変化を精密
に制御し得るように構成した可変容量装置に関す
るものである。
従来における可変容量装置として第1図のよう
なPN接合素子を利用することが一般的に行われ
ている。同図において1はN型半導体領域、2は
P型半導体領域、3はPN接合、4および5は上
記領域1および2に各々設けられたオーミツク電
極、6および7は上記電極4および5に各々設け
られた引出し端子、8は空乏層である。以上の構
成において、引出し端子6および7に加えられる
バイアス電圧に応じて空乏層8が伸縮し、これに
基く容量値の変化が上記引出し端子6および7間
において読み出されるようになつている。
しかしながら以上のようなPN接合素子を利用
した従来の可変容量装置は以下のような欠点を有
している。
(1) PN接合における空乏層容量のバイアス電圧
依存性を利用するため、最小容量値は半導体領
域の不純物濃度により決定され、一方最大容量
値はコンダクタンス成分の増大により決定され
る。このためQが大きい状態で容量変化巾を大
きくとることは実用上不可能となり、また容量
変化に伴なうQの変化が大きくなるので回路設
計上困難を伴なう。
(2) 容量を変化させるためのバイアス電圧印加お
よび容量変化の読み出しを共通の引出し端子で
行つているため、共振回路等に応用した時に入
力信号電圧自体によつて不必要な容量変化を起
こし易くなり信号劣化をもたらす。また入力信
号電圧とバイアス電圧との相互作用が少なくな
るような特別な回路構成が必要とされるので、
用途が限定されてしまう。
(3) 空乏層容量を決定するための半導体領域の不
純物濃度が拡散法あるいはイオンインプランテ
−シヨン法等の制御手段により行われるが、一
般に歩留りが悪いのでIC回路へ集積化するこ
とは実用上不可能である。
第2図はその他の従来における可変容量装置の
構成を示すものである。同図は構成原理を示す回
路図で、C1〜Coは固定容量素子、C0は回路の浮
遊容量、Sa〜Szは上記各容量素子を選択的に加
算するためのスイツチング素子、6A,7Aは容量
読み出し端子である。なおnは任意の整数であ
る。
以上の構成でn個のスイツチング素子S1〜So
独立に開閉可能として、固定容量素子C1〜Co
n個までの容量(浮遊容量C0は任意に選べる)
の和をCTとすると、CT=C1+C2+C3+……+Co
で表わせる。よつて第2図の回路はスイツチング
素子S1〜Soを適当に開閉することにより、容量値
はC0〜C0+CTの範囲にわたつて変化させること
が可能となる。
一般に可変容量装置は、共振回路、同調回路、
時定数回路等に用いられるが、容量値の変化は完
全な連続的変化が必要とされない応用が多くあ
る。例えば一般の商用放送受信機における同調回
路においては、放送チヤンネルの数に対応したス
テツプ数だけの容量変化があれば良く、必ずしも
完全な連続的変化は要求されない。
また固定容量素子C1〜Coの各容量値を異なら
せて重み付けをすれば、容量変化の粗動および微
調整が可能であり、比較的少ない数の固定容量素
子を用意することにより広範囲にわたる容量値の
変化を精密に制御することが可能となる。
ここで固定容量素子C1〜Coとして、単体コン
デンサ(デスクリートコンデンサ)を用いる場
合、精密な容量値の変化を得るには厳選された高
精度の部品を用意する必要がある。しかしながら
このためには多数の単体部品(コンデンサ)の中
から所定の特性のものを選別するための作業が必
要となり、またそのための歩留りの低下によるコ
ストアツプの問題が生じるので実用的でない。
本発明は上記欠点を除去するためになされたも
ので、第1導電型半導体基板の一方の表面上に形
成されたオーミツク電極と、少なくとも一つの第
2導電型領域と該領域に接する電極を一対とし、
上記第1導電型半導体基板の他方の表面側に並設
された複数対の空乏層制御部と、上記各対の空乏
層制御部に対応して上記第1導電型半導体基板の
他方面に複数並設された容量読出部と、上記一対
の空乏層制御部および各容量読出部と上記オーミ
ツク電極とを一組とする複数組の可変容量素子
と、バイアス源と、上記各対の空乏層制御部とオ
ーミツク電極との間に並設され、前記バイアス源
からのバイアスを前記各対の空乏層制御部とオー
ミツク電極との間へ選択的に供給する複数のスイ
ツチから成り、上記各可変容量素子の容量値がほ
ぼ最大値と最小値とをとるように制御するための
バイアス切替回路と、上記各容量読出部を互いに
並列に接続した第1の端子と上記オーミツク電極
に接続した第2の端子とから成る容量読出し端子
と、を備えた可変容量装置を提供するものであ
る。
以下図面を参照して本発明実施例を説明する。
第3図は本発明実施例による可変容量装置を示す
断面図で、半導体基板9上に複数個の可変容量素
子10A,10B,10C…を形成したものである。
複数個の可変容量素子10A,10B,10C…は
各々半導体基板9例えばN形シリコン上に形成し
たP型領域11およびこれに設けられた金属電極
12から成る容量読出部13と、上記P形領域1
1に隣接して形成された少なくとも一つのP形領
域14およびこれに設けられた金属電極15から
成る空乏層制御部16とを有している。17およ
び18は上記複数個の可変容量素子の各容量読出
部13を互いに並列に接続して全体の容量を読み
取るため容量読出端子、VBはバイアス電圧、1
9は上記バイアス電圧VBを上記複数個の空乏層
制御部16に逆バイアスするように印加するため
のスイツチング素子S1〜Soを含むバイアス切換回
路、20は半導体基板9の裏面に設けられたオー
ミツク電極である。
以上の構成において、複数個の可変容量素子1
A,10B,10C…における一つの素子の容量
C対バイアス電圧VBの特性図は第4図のように
変化する。空乏層制御部16に加えられるバイア
ス電圧VB(横軸)が0あるいはその近傍において
は容量C(縦軸)は最大値Cnaxとなつているが、
逆バイアス電圧が増加してその素子独自のしきい
電圧Vtになつた時容量は急激に最小値Cnioへと変
化し以後逆バイアス電圧Vb近傍ではこの値を維
持する。すなわち、逆バイアス電圧VBを0とVb
との2値の間でスイツチングさせることにより、
一つの可変容量素子の容量読出部13から得られ
る値は最大値Cnaxと最小値Cnioとの2値のいずれ
かに制御することができる。
したがつて第3図のように複数個の可変容量素
子10A,10B,10C…を半導体基板9内に形
成した場合、バイアス電圧VBをスイツチング素
子S1〜Soにより各々スイツチングさせることによ
り各可変容量素子10A,10B,10C…は最大
値Cnaxか最小値Cminかのいずれになり、第2図
の回路図におけるスイツチング素子S1〜Soの開、
閉に対応した動作を行わせることができる。よつ
て容量読出端子17,18から読み出される全容
量は全く同じような範囲に構成することができ
る。本実施例による可変容量装置においての可変
容量素子の一つ当りの最小容量は、回路の浮遊容
量C0と前記最小値Cnioとの並列容量となる。最小
値Cnioは空乏層制御部16の設計(例えば空乏層
制御部16の厚みを大きくとる等)によつて小さ
くすることが可能である。また前記最大値Cnax
容量読出部13の電極面積を変えることによつ
て、あるいは半導体基板9内のPN接合形状を変
えることによつて大きくすることが可能である。
したがつて容量読出端子17,18から得られ
る可変容量装置としての容量の最大値と最小値と
の変化比を、従来のものに比べて格段に大きくす
ることが可能となる。
また上記個々の可変容量素子の最大値Cnaxを異
ならせることによつて複数個の素子の重み付けを
することができ、広範囲にわたる容量値のの変化
を精密に制御することができる。さらに複数個の
可変容量素子に対して適当な組合せで空乏層制御
部16に2値のバイアス電圧をバイアス切換回路
19により切換えて印加することにより、任意の
容量変化が可能となる。
第5図は本発明の他の実施例を示すもので、容
量読出部13を半導体基板9表面に形成した絶縁
膜21例えば酸化絶縁膜およびこの上に設けた金
属電極22から成るいわゆるMIS構造で構成した
場合を示すものである。
第6図は本発明のその他の実施例を示すもの
で、半導体基板9表面に付着した任意の金属材料
23でもつて上記基板9との間に金属・半導体バ
リアを形成し、いわゆるシヨツトキー・バリア構
造で容量読出部13を構成した場合を示すもので
ある。
以上においては容量読出部13をP−N接合構
造、MIS構造、シヨツトキー・バリア構造で構成
する例を示したが、これに限らず空乏層制御部1
6を同様にそのいずれで構成しても良い。
第7図は本発明の他の実施例を示すもので、半
導体基板9上に形成した複数個の可変容量素子1
A,10B,10C…の間に絶縁領域24を形成
した構造を示す。絶縁領域24は酸化膜、ガラス
等の絶縁物によつて構成することができ、あるい
は空隙を設けることによつていわゆるエアーアイ
ソレ−シヨン構造とすることもできる。複数個の
可変容量素子間にこのような絶縁領域24を設け
ることによつて、隣接する素子同士の影響を防止
して電気的特性の安定化を計ることができ例えば
Qの変化を抑えることができる。
以上の各実施例において、空乏層制御16にバ
イアス電圧を印加するためのバイアス切換回路1
9は、半導体基板9内に形成することができ信号
によつて任意の空乏層制御部に対する2値のバイ
アス電圧のスイツチング制御を行わせることがで
きる。
また上記半導体基板9をそのまま半導体集積回
路基板として用いることができ、これにより部品
として小形化化、コストダウンを計ることができ
る。
以上説明して明らかなように本発明によれば、
容量最大値と容量最小値との2値状態をとり得る
可変容量素子を半導体基板上に形成し、バイアス
電圧をスイツチングさせることにより上記2値の
いずれかをとるように制御するものであり、以下
のような効果が得られる。
(1) 容量変化比を大きくすることができ、共振回
路や同調回路等に用いる場合その中心周波数の
変化巾を大きくすることができるので回路設計
が容易となる。
(2) 容量のQは半導体基板の比抵抗や電極形状を
適当に設計することにより大きくすることがで
き、またスイツチング動作により容量の変化を
行わせるので容量変化によるQの変化を小さく
抑えることができる。
(3) 容量変化がスイツチング動作で行われ、また
容量読出端子と空乏層制御端子とが別個になつ
ているために、本質的に入力信号による容量変
化が少なくこれに伴う信号劣化が少ない。
(4) 容量部分の製造にあたりイオンインプランテ
ーシヨン等のバラツキの大きい不純物制御手段
を用いなくとも容量の精密な制御が可能とな
り、またこれに伴い容量のバラツキを小さく抑
えられるので歩留りが向上する。
(5) 半導体集積回路技術を応用することにより、
複数個の素子間の容量をバラツキなく製造で
き、小形化、コストダウンが容易となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来例を示す断面図、第2図は本発明
の原理を示す回路図、第3図、第5図、第6図お
よび第7図はいずれも本発明実施例を示す断面
図、第4図は本発明を説明するための特性図であ
る。 1……半導体基板、10A,10B,10C,…
…可変容量素子、11,14……P形領域、1
2,15,20,22……電極、13……容量読
出部、16……空乏層制御部、17,18……容
量読出端子、19……バイアス切換回路、21…
…絶縁膜、23……シヨツトキー・バリア形成用
金属、24……絶縁領域、VB……バイアス電圧、
S1〜So……スイツチング素子。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 第1導電型半導体基板の一方の表面上に形成
    されたオーミツク電極と、少なくとも一つの第2
    導電型領域と該領域に接する電極を一対とし、上
    記第1導電型半導体基板の他方の表面側に並設さ
    れた複数対の空乏層制御部と、 上記各対の空乏層制御部に対応して上記第1導
    電型半導体基板の他方面に複数並設された容量読
    出部と、 上記一対の空乏層制御部および各容量読出部と
    上記オーミツク電極とを一組とする複数組の可変
    容量素子と、 バイアス源と、 上記各対の空乏層制御部とオーミツク電極との
    間に並設され、前記バイアス源からのバイアスを
    前記各対の空乏層制御部とオーミツク電極との間
    へ選択的に供給する複数のスイツチとから成り、
    上記各可変容量素子の容量値がほぼ最大値と最小
    値とをとるように制御するためのバイアス切替回
    路と、 上記各容量読出部を互いに並列に接続した第1
    の端子と上記オーミツク電極に接続した第2の端
    子とから成る容量読出し端子と、を備えたことを
    特徴とする可変容量装置。 2 第1導電型半導体基板の一方の表面上に形成
    されたオーミツク電極と、少なくとも一つの第2
    導電型領域と該領域に接する電極を一対とし、上
    記第1導電型半導体基板の他方の表面側に並設さ
    れた複数対の空乏層制御部と、 上記各対の空乏層制御部に対応して上記第1導
    電型半導体基板の他方面に複数並設された容量読
    出部と、 上記一対の空乏層制御部および各容量読出部と
    上記オーミツク電極とを一組とする複数組の可変
    容量素子と、 バイアス源と、 上記各対の空乏層制御部とオーミツク電極との
    間に並設され、前記バイアス源からのバイアスを
    前記各対の空乏層制御部とオーミツク電極との間
    へ選択的に供給する複数のスイツチとから成り、
    上記各可変容量素子の容量値がほぼ最大値と最小
    値とをとるように制御するためのバイアス切替回
    路と、 上記各容量読出部を互いに並列に接続した第1
    の端子と上記オーミツク電極に接続した第2の端
    子とから成り、上記各可変容量素子間の第1導電
    型半導体基板内に絶縁領域を形成したことを特徴
    とする可変容量装置。 3 上記複数個の可変容量素子の最大容量値が異
    なるように重み付けがなされることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の可変容量装置。 4 上記バイアス切換回路が上記半導体基板内に
    形成されることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の可変容量装置。
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