JPH10500554A - 不所望なキャパシタンスを補償する手段を有する電子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１ノード（２０）及び第２ノード（２１）を有し、これらノード間に不所望なキャパシタンス（９）が存在している装置に、第１ノード（２０）及び第２ノード（２１）間に結合されブレークスルーで駆動されるダイオード（１１）を設ける。ブレークスルーで駆動されるダイオード（１１）は負のキャパシタンスの特性を呈する為、不所望なキャパシタンス（９）の補償が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 不所望なキャパシタンスを補償する手段を有する電子装置 本発明は、２つのノードと、これらのノード間の容量性インピーダンスの少な くとも一部を補償する手段とを具える電子装置に関するものである。 電子装置の分野では、２つのノード間の不所望なキャパシタンス又は寄生キャ パシタンスがしばしばこのような電子装置の有効性を阻害する。その理由は、こ れらの不所望なキャパシタンスが、電子装置を用いうる上側周波数を制限するか 、或いは電子装置を不安定にする為である。一般的な従来技術では、前記の不所 望なキャパシタンスを補償する手段としてしばしばコイルが用いられ、このコイ ルを前記の２つのノード間に、従って前記の不所望なキャパシタンスと並列に配 置している。このようなコイルは、集積化する場合に集積回路上の極めて大きな 表面積を必要とし、従って高価なものとなるという欠点がある。外部コイルの場 合、集積回路に接続する追加のピンを必要とする。更に、コイルは正確な補償の ために調整する必要がある。 本発明の目的は、不所望なキャパシタンスを少なくとも部分的に補償でき、小 型で容易に集積化しうる手段を有する電子装置を提供せんとするにある。 本発明による電子装置は、前記の手段が、前記の２つのノードに結合されブレ ークスルーで駆動される逆バイアスダイオードを具えていることを特徴とする。 本発明は、逆バイアスダイオードは抵抗と並列に接続された負値のキャパシタ ンスの特性を呈し、不所望な正のキャパシタンスを補償するのに用いて有利であ るという認識を基に成したものである。負のキャパシタンスを不所望な正のキャ パシタンスと並列に配置することにより、この正のキャパシタンスを少なくとも 部分的に相殺しうる。本発明による手法を用いることにより、不所望なキャパシ タンスを補償するための小型で容易に集積化しうる手段が実現される。 本発明による電子装置の例では、この電子装置がコレクタ接地構造のトランジ スタを有し、ダイオードがこのトランジスタのエミッタと基準端子との間に結合 されていることを特徴とする。 エミッタ出力端で大きな、しばしば不所望な、キャパシタンスが負荷されてい るコレクタ接地トランジスタ回路は不安定となるおそれがある。前記のエミッタ 出力端に結合されブレークスルーで駆動されるダイオードにより不所望なキャパ シタンスを補償することにより、コレクタ接地トランジスタ回路の安定性が可成 り改善される。 このような本発明による電子装置の他の例では、この電子装置がエミッタ接地 構造のトランジスタを有し、ダイオードがこのトランジスタのコレクタと基準端 子との間に結合されていることを特徴とする。エミッタ接地トランジスタ回路の 帯域幅はしばしばこの回路のコレクタ出力端に現われる寄生キャパシタンス或い は不所望なキャパシタンスにより制限される。コレクタ出力端に結合され、ブレ ークスルーで駆動されるダイオードを設けることにより、帯域幅が可成り改善さ れる。ダイオードには他の成分として微分抵抗がある為、コレクタ抵抗がもはや 不要となるという他の利点が得られる。その理由は、ダイオードを適切な寸法と することにより、ダイオードの微分抵抗をコレクタ抵抗として用いうる為である 。 本発明による電子装置の例では、この電子装置が半導体材料上の集積回路であ ることを特徴とする。本発明の手法は、外部素子を必要としない為に、特に半導 体材料上での集積化に適している。更に、特に半導体装置の分野では、不所望な キャパシタンス又は寄生キャパシタンスの問題がしばしばこのような装置の動作 を制限する。 本発明によるこのような装置の他の例では、前記の２つのノードの一方がボン ディングパッドに接続されていることを特徴とする。集積回路では、回路の入力 及び出力がボンディングパッドを介して与えられる。ボンディングパッドは半導 体材料の基板に対して大きなキャパシタンスを有し、従ってしばしば集積回路の 前記の入力又は出力の帯域幅を制限する。この寄生キャパシタンスはブレークス ルーで駆動されるダイオードをボンディングパッドに結合することにより相殺し うる。 本発明によるこのような装置の例では、前記の２つのノードの一方が集積回路 の相互接続ワイヤに接続されていることを特徴とする。集積回路上の相互接続ワ イヤは回路中の種々の素子を接続するのに用いられる。これらのワイヤは半導体 材料に接近している為、これらのワイヤは寄生キャパシタンスを有しているが、 この寄生キャパシタンスは本発明による手法を用いることにより補償しうる。 本発明によるこのような装置の他の例では、ボンディングパッド又は相互接続 ワイヤと半導体材料の基板との間に埋込層が配置され、ダイオードがボンディン グパッド又は相互接続ワイヤと埋込層との間に接続されていることを特徴とする 。埋込層を半導体材料中でボンディングパッド又は相互接続ワイヤの下側に設け ることにより、寄生キャパシタンスはボンディングパッド又は相互接続ワイヤと 基板との間ではなく、ボンディングパッド又は相互接続ワイヤと前記の埋込層と の間に形成されるようになる。従って、寄生抵抗の値は良好に規定される。その 理由は、半導体装置の製造中、この埋込層とボンディングパッド又は相互接続ワ イヤとの間の距離を正確に調整しうる為である。従って、ブレークスルーで駆動 されるダイオードの寸法を適切にすることにより、前記の寄生キャパシタンスの 正確な補償が可能となる。又、寄生キャパシタンスは前記のボンディングパッド 又は相互接続ワイヤと前記の埋込層との間に含まれる為、半導体材料上に存在す る他の装置との結合が低減されるという他の利点が得られる。 本発明による例では、電子装置が更に、バイアス電流をダイオードに流す手段 を有していることを特徴とする。ダイオードを流れるバイアス電流を選択するこ とにより、ダイオードの負のキャパシタンスの値を適切に選択し、負のキャパシ タンスの値を不所望なキャパシタンスの値に適合するように不所望なキャパシタ ンスを正確に補償することができる。 本発明の上述した目的及び特徴は以下の図面に関する好適実施例の説明から一 層明らかとなるであろう。図中、 図１は、アバランシェ周波数よりも低い周波数でブレークスルーで動作するダ イオードの等価回路を示す回路図であり、 図２は、アバランシェ周波数よりも低い周波数でブレークスルーで動作するダ イオードの等価回路の近似を示す回路図であり、 図３は、第１の既知の増幅回路を示す回路図であり、 図４は、本発明による電子装置の第１実施例を示す回路図であり、 図５は、第２の既知の増幅回路を示す回路図であり、 図６は、本発明による電子装置の第２実施例を示す回路図であり、 図７は、集積化半導体装置を示す線図であり、 図８は、ボンディングパッドと、線図的に示す本発明によって用いるダイオー ドとを有する半導体装置を示す断面図であり、 図９は、本発明によって用いるダイオード用のバイアス回路を示す回路図であ る。 以下図面につき説明するに、各図間で同一素子には同一符号を付してある。 文献IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.ED−13，No.１の第１６９ 〜１７４頁には、アバランシェダイオードの動作が説明されている。この文献は 、アバランシェ周波数よりも高い周波数ではこのダイオードのインピーダンスの 抵抗部分が負となるという効果に関して説明を行なっている。この効果は例えば 発振器に用いて有利である。アバランシェ周波数よりも低い周波数の場合、ダイ オードは抵抗とコイルとの直列回路とみなすことができる。このことは上述した 文献にも記載されている。図１は、アバランシェ周波数よりも低い周波数でブレ ークスルーで動作するダイオードの等価回路を示し、この回路は抵抗値がＲであ る抵抗とインダクタンス値がＬであるコイルとの直列回路を有する。この図１の 直列回路のアドミッタンス Ysは Y_s=1/(R+jωL)=[1-(jωL/R)]/R[1+(ω²L²/R²)] で与えられる。ここにωは角周波数である。抵抗の値がコイルのインピーダンス よりも著しく高い場合には、この直列回路は負のキャパシタンスを有するキャパ シタとこの抵抗との並列回路と近似しうる。この近似はアバランシェ周波数より も低い周波数に対して有効となる。図２は、コンダクタンスＧ（ここに、Ｇ＝１ ／Ｒである）を有するコンダクタと、キャパシタンスＣを有するキャパシタとの 並列回路により前記等価回路の近似を示している。図２の並列回路のアドミッタ ンス Y_pは Y_p＝Ｇ＋ｊωＣ で表わされる。これらのアドミッタンス Y_s及び Y_pを互いに等しくする必要があ る為、 Y_s及び Y_pに対する式から、キャパシタンス値Ｃは負で周波数に依存 し、 Ｃ（ω）＝−Ｌ／（Ｒ²＋ω²Ｌ²） で与えられるようになる。従って、アバランシェ周波数よりも低い周波数におい てブレークスルーで動作するダイオードはコンダクタンスＧのコンダクタと負の キャパシタンスＣのキャパシタとの並列回路とみなすことができる。負のキャパ シタンスを正のキャパシタンスに並列に導入することにより、正のキャパシタン スが補償される。従って、ブレークスルーで動作しているダイオードを容量性成 分を有するインピーダンスに並列に導入することにより、この容量性成分を有効 に補償することができる。ダイオードはむしろ簡単で小型の装置であり、容易に 集積化しうる為、本発明は、特に集積回路において、不所望なキャパシタンスを 補償する優れた解決策を提供する。ここで述べているブレークスルーとはバンド −バンドトンネル効果又は衝突電離効果又はその双方により生ぜしめられるキャ リアの発生を意味するものである。従って、ブレークスルー機構はアバランシェ ブレークスルーに限定されず、トンネル効果等の他のブレークスルー機構をも同 様に含む。 図３は第１の既知の増幅回路、いわゆるコレクタ接地構造の増幅回路を示す回 路図である。電圧源１は抵抗３を経てトランジスタT₁のベースに結合されている 。トランジスタT₁のエミッタは第１ノード２０に接続されている。電流源５は第 １ノード２０及び第２ノード２１間に結合され、これらノードのうち少なくとも 一方に信号が流れる。第２ノード２１は基準端子３１に接続されている。電圧電 源７は基準端子３０及び３１に結合されている。トランジスタT₁のコレクタは基 準端子３０に結合されている。この増幅回路はしばしば、この場合電圧源１及び 抵抗３によって表わされる高インピーダンス出力部と低インピーダンス負荷との 間のバッファとして用いられる。この負荷はしばしば可成り大きな容量性部分を 有し、この場合この容量性部分をノード２０及び２１間に結合されたキャパシタ ９で示してある。この容量性負荷は種々の原因によって生じる。例えば、増幅回 路の出力端は通常他のトランジスタ回路の入力端に結合される。これらトランジ スタ回路の入力端はしばしば、特に集積回路において寄生キャパシタンスを有し 、従って増幅回路の出力端に容量性の負荷を与える。更に、増幅回路の出力端を 他の回路に接続するワイヤがしばしば集積回路において寄生キャパシタンスを有 する。高インピーダンス出力部と容量性の負荷との組合せがしばしば増幅回路を 高周波数で不安定とする。 図４は、本発明による電子装置の第１の実施例を示す回路図である。図４は、 ブレークスルーで動作するダイオード１１が増幅回路に加えられ、このダイオー ドの陽極がノード２０に結合され、このダイオードの陰極がノード２１に結合さ れているという点で、図３と相違している。ブレークスルーで動作するダイオー ドを容量性負荷に対して並列にして用いることにより、負荷の容量性部分を特定 の周波数帯域において完全に（又は所望に応じ部分的に）補償して、前述した不 安定性を回避することができる。負キャパシタンスの値は、追加の電流源をダイ オードと直列に配置することにより調整することができる。その理由は、負キャ パシタンスの値はダイオードを流れる電流の関数となる為である。上述したとこ ろから明らかなように、ブレークスルーで動作するこのようなダイオードの使用 は増幅器の出力端で見られるような寄生キャパシタンスを補償するのに限定され るものではなく、増幅器の入力端における寄生キャパシタンスの補償にも適用し うるものである。 図５は第２の既知の増幅回路を示す回路図である。この図５は以下の点、すな わち −抵抗１３がトランジスタT₁のコレクタと基準端子３０との間に結合されており 、 −トランジスタT₂及び電流源１５が加えられ、トランジスタT₂のベースがトラン ジスタT₁のコレクタに結合され、トランジスタT₂のコレクタが基準端子３０に結 合され、電流源１５がその一端でトランジスタT₂のエミッタに、その他端で基準 端子３１に結合されており、 −ノード２０が、この場合トランジスタT₁のコレクタとトランジスタT₂のベース とが結合されているノードとなっており、 −ノード２１が基準端子３０に接続されており、 −寄生キャパシタンスを表わすキャパシタ９がノード２０及び２１間に結合され 、 −キャパシタ１０が設けられ、トランジスタT₁のエミッタが交流信号に対して実 質的に基準端子３１に短絡されるようになっている、 という点で図３と相違している。この種類の増幅回路は一般に高周波集積回路で 用いられている。この増幅回路の帯域幅の制限は、主として、トランジスタT₁の 寄生キャパシタンス（コレクタ−基板間及びコレクタ−ベース間キャパシタンス ）と、ワイヤの寄生キャパシタンスと、トランジスタT₂の寄生キャパシタンス（ コレクタ−ベース間、ベース−エミッタ間及び拡散キャパシタンス）との合計の キャパシタンス値（このキャパシタンス値をノード２０及び２１間にキャパシタ ９のキャパシタンスとして示してある）と、抵抗１３の抵抗値との積より成る時 定数とによって決定される。 図６は本発明による電子装置の第２の実施例を示す回路図である。この図６は 、抵抗１３の代わりに、ダイオード１１が用いられ、このダイオード１１の陽極 がノード２１に結合され、このダイオードの陰極がノード２０に結合されている という点で図５と相違している。抵抗１３をブレークスルーで動作するダイオー ドに置き換えることにより、キャパシタ９のキャパシタンス値を（少なくとも部 分的に）補償し、これにより増幅回路の帯域幅を広げることができる。ブレーク スルーで動作するダイオード１１の微分抵抗を抵抗１３の代わりに用いることが できるが、このダイオード１１を抵抗１３と並列に配置することもできる。トラ ンジスタT₂は図５及び６の増幅回路にとって本質をなすものでなく、増幅回路の 帯域幅を制限する寄生キャパシタンスが生じうる１つの原因を示しているだけの ものである。更に、ブレークスルーで駆動されるダイオードの陽極をトランジス タT₁のベースに結合し、このダイオードの陰極をこのトランジスタのコレクタに 結合することにより、このダイオードをこのトランジスタのコレクタ−ベース接 合と並列に結合して図５のトランジスタT₁のコレクタ−ベースキャパシタンスを 補償することもできる。トランジスタのコレクタ及びベース間に帰還抵抗を結合 した図５の増幅回路の変形例の場合でも、トランジスタのコレクタ−ベースキャ パシタンスを補償するために、ブレークスルーで駆動されるダイオードを設ける ことができる。このような補償の場合、ダイオードの陽極をトランジスタのベー スに結合し、ダイオードの陰極をトランジスタのコレクタに結合する。 図７は集積化した半導体装置を示す線図である。半導体本体６２は容器すなわ ちハウジング６１内で支持体６３上に装着され、集積化半導体装置のボンディン グパッド６６は接着ワイヤ６５を介して接続ピン６４に接続されている。集積化 半導体装置におけるボンディングパッドは半導体装置の基板に対する寄生キャパ シタンスを有する。ボンディングパッドと基板との間のこの寄生キャパシタンス は、このボンディングパッドと基板との間に結合された、ブレークスルーで動作 するダイオードによって補償しうる。集積化半導体装置はこの特定例ではボンデ ィングパッド６６に結合された少なくとも一本の相互接続ワイヤ６７を有する。 周知のように、相互接続ワイヤは半導体本体６２上に集積化された装置相互間を 接続するのにも用いられる。集積回路中の相互接続ワイヤは、これらワイヤと例 えば半導体本体６２の基板との間に寄生キャパシタンスを有し、これらの寄生キ ャパシタンスはブレークスルーで動作するダイオードをワイヤと基板との間に結 合することにより補償しうる。実際には、ダイオードをいずれにしても相互接続 ワイヤに接続するようにすれば良いものであるが、本例はブレークスルーで動作 するダイオードをこのような相互接続ワイヤの寄生キャパシタンスを補償するの にも用いることができるということを単に示しているだけのものである。 図８は、ボンディングパッドと、本発明によって用いる、線図的に示すダイオ ードとを有する半導体装置の断面図を示す。図示の半導体装置の構造は説明のた めのみのものであり、これに限定されるべきものではない。 半導体材料は一般に知られている処理工程で製造する。領域Ｉは図７のボンデ ィングパッド６６に類似する金属性ボンディングパッドである。領域Ｉがボンデ ィングパッドの代わりに相互接続ワイヤを表わすこともできる。領域IIはSiO₂よ り成る絶縁層である。領域III はSiO₂より成る薄肉層であり、高ドープｎ型材料 である領域Ｖ及びVIとの接続を達成する金属接点VIIIを有する。領域VIはいわゆ る埋込ｎ型層であり、基準電位点に接続されている。領域IVは他のSiO₂層である 。領域VII は半導体材料のｐ型基板であり、通常接地基準点に接続されている。 埋込ｎ型層がないと、ボンディングパッド（領域Ｉ）と基板（領域(VII)との間 に寄生キャパシタンスが生じてしまう。半導体本体上で接近して位置する多数の 装置を有する密実の半導体装置では、ボンディングパッドとこのボンディングパ ッドに接近している装置との間に寄生キャパシタンスが生じるおそれがある。そ の結果、多数の寄生キャパシタンスがボンディングパッドから生じるようになる 。これらの寄生キャパシタンスの量及び値は良好に規定されず、従って補償する のが困難である。埋込ｎ型層VIを加えることにより、寄生キャパシタンスはボン ディングパッドと前記の埋込ｎ型層との間に規定される。この埋込ｎ型層とボン ディングパッドとの間の距離はこれらの間の層の厚さにより良好に調整される為 、ボンディングパッドと埋込ｎ型層との間の領域に限定される良好に規定される 寄生キャパシタンスが得られる。従って、ボンディングパッドと近接の装置との 間にはもはやいかなる重大な寄生キャパシタンスも存在しなくなる。良好に規定 される寄生キャパシタンスは、ボンディングパッドから基板への又は近接の装置 への良好に規定されない寄生キャパシタンスよりも一層容易に補償されうる。前 記の寄生キャパシタンスを補償するために、ブレークスルーで動作するダイオー ド１１をボンディングパッドと埋込ｎ型層との間に接続しうる。この目的のため に、ボンディングパッドを比較的低いバイアス電圧でバイアスし、埋込ｎ型層を 充分に高いバイアス電圧でバイアスして、これにより逆バイアスされるダイオー ド１１をブレークスルーで駆動するようにする。 図４における電圧源１により供給される電圧のバイアス電圧成分を適切に選択 することにより、ダイオード１１がブレークスルーで駆動される。電圧源７によ る電圧を適切な値に選択することにより、図６のダイオード１１も自動的にブレ ークスルーで駆動される。ダイオードが例えばボンディングパッドと基板との間 に結合されている場合には、このダイオードをブレークスルーで駆動するための 別のバイアス回路が必要となる。本発明により用いる、ダイオードに対するバイ アス回路を図９に示す。本例の回路は、図４及び６におけるように電源又はバイ アス電圧を適切に選択することによりブレークスルー動作が可能とならない場合 に、用いうる。図示の回路は、トランジスタT₃のベースが電圧源１７により供給 されるベース電圧を受けるようにした原理的な簡単なトランジスタ回路である。 トランジスタT₃のエミッタは抵抗１９を経て基準端子３０に結合されている。ダ イオードは、基準端子３１に接続されたノード２１とトランジスタT₃のコレクタ に接続されたノード２０との間に結合されている。電圧源７は基準端子３０及び ３１間に結合されている。ダイオード１１の両端間の電圧が充分大きい場合には 、このダイオードはブレークスルーで駆動される。電圧源１７によって供給され る電圧と抵抗１９の抵抗値とを適切に選択することにより、ダイオードを流れる 電流を所望値に設定することができる。このバイアス回路は、例えば、ノード２ ０で示すボンディングパッドに結合されたダイオードをバイアスするのに用いる ことができ、この場合の基板はノード２１で示すことができる。 ブレークスルーで動作するダイオードは、これを可変キャパシタンスのダイオ ードに並列に導入し、これにより可変キャパシタンスの相対範囲を増大させるこ とにより、この可変キャパシタンスのダイオードの最小キャパシタンス値を減少 させるのに用いても有利である。表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタの入力キャパシ タンスの補償にブレークスルーで動作するダイオードを用いたり、インピーダン ス整合回路網にブレークスルーで動作するダイオードを用いたりするような他の 適用分野も可能である。 ブレークスルーで動作するダイオードを補償手段として用いることにより、コ イルのような従来の補償手段に比べて、ダイオードの残りの成分である微分抵抗 により直流に対する短絡が生じないという他の利点が得られる。このことは、直 流阻止キャパシタを必要としないということを意味する。このような直流阻止キ ャパシタは一般に集積回路にとって望ましくないものである。その理由は、これ らの直流阻止キャパシタは充分大きなキャパシタンス値の場合可成り大きなチッ プ面積を必要とするか、或いは外部キャパシタとして構成した場合この直流阻止 キャパシタを外部接続するために集積回路に接続された追加のピンを必要とする 為である。この直流阻止キャパシタを必要としないという特性を図６で用いてお り、ダイオードがキャパシタ９を補償するとともに図５の抵抗１３の代わりとな っている。 本発明は上述した実施例に限定されず、幾多の変更を加えうること勿論である 。前述した回路におけるＮＰＮ（又はＰＮＰ）トランジスタの代わりに、ＰＮＰ （又はＮＰＮ）トランジスタを用いることができ、この場合にはダイオード１１ の方向を反転させる必要がある。又、ダイオードは、ベース−エミッタ又はベー ス−コレクタのみを用いたトランジスタとして構成することができる。その他の 種々の変更も可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クニュフェルス マリヌス ペトルス ヘ ラルダス オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １ (72)発明者 ハルト コルネリス マリア オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つのノード（２０，２１）と、これらのノード間の容量性インピーダンス の少なくとも一部を補償する手段とを具える電子装置において、 前記手段が、前記ノード（２０，２１）に結合されブレークスルーで駆動さ れる逆バイアスダイオード（１１）を有していることを特徴とする電子装置。 ２．請求の範囲１に記載の電子装置において、この電子装置がコレクタ接地構造 のトランジスタ（T₁）を有し、ダイオード（１１）がこのトランジスタ（T₁）の エミッタと基準端子（３１）との間に結合されていることを特徴とする電子装置 。 ３．請求の範囲１又は２に記載の電子装置において、この電子装置がエミッタ接 地構造のトランジスタ（T₁）を有し、ダイオード（１１）がこのトランジスタ（ T₁）のコレクタと基準端子（３０）との間に結合されていることを特徴とする電 子装置。 ４．請求の範囲１〜３のいずれか一項に記載の電子装置において、この電子装置 が半導体材料上の集積回路であることを特徴とする電子装置。 ５．請求の範囲４に記載の電子装置において、前記ノードのうちの一方のノード がボンディングパッドに接続されていることを特徴とする電子装置。 ６．請求の範囲４又は５に記載の電子装置において、前記ノードのうちの一方の ノードが集積回路の相互接続ワイヤに接続され、基板に対するこのワイヤのキャ パシタンスが容量性インピーダンスのうちの補償すべき部分であることを特徴と する電子装置。 ７．請求の範囲５又は６に記載の電子装置において、ボンディングパッド又は相 互接続ワイヤと半導体材料の基板との間に埋込層が配置され、ダイオードがボン ディングパッド又は相互接続ワイヤと埋込層との間に接続されていることを特徴 とする電子装置。 ８．請求の範囲１〜７のいずれか一項に記載の電子装置において、この電子装置 が更に、バイアス電流をダイオード（１１）に流す手段を有していることを特徴 とする電子装置。