FR2496343A1 - Condensateur variable - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN CONDENSATEUR VARIABLE. SELON L'INVENTION, IL COMPREND UN SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR 9, DES ELEMENTS DE CONDENSATEUR VARIABLE 10A, 10B, 10C, CHACUN AYANT AU MOINS UNE SECTION DE CONTROLE DE COUCHE DIELECTRIQUE 16 QUI EST FORMEE SUR LE SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR ET UNE SECTION DE LECTURE DE CAPACITE 13; UNE SOURCE D'ALIMENTATION EN TENSION DE POLARISATION INVERSE V; UN MOYEN D'APPLICATION DE TENSION DE POLARISATION INVERSE 19 POUR SELECTIVEMENT L'APPLIQUER A LA SECTION DE CONTROLE DE COUCHE DIELECTRIQUE; ET LES SECTIONS DE LECTURE DE CAPACITE SONT CONNECTEES L'UNE A L'AUTRE. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AUX CIRCUITS RESONNANTS, AUX CIRCUITS D'ACCORD ET AUX CIRCUITS A RETARD.
Description
La présente invention se rapporte à un condensateur variable permettant de
contrôler, avec précision, la
variation de la capacité sur une large gamme.
Traditionnellement, on a généralement utilisé un élément à jonction PN comme condensateur variable, comme cela est représenté sur la figure 10 Sur la figure 1, le repère 1 désigne une région de semi-conducteur du type N, le repère 2 une région de semi-conducteur du type P, le repère 3 une jonction PN, les repères 4 et 5 des électrodes ohmiques prévues dans les régions 1 et 2 respectivement, et 6 et 7 des bornes prévues sur les électrodes 4 et 5, respectivement, le repère 8 désignant
une couche diélectrique.
Avec cet agencement, la couche diélectrique 8
augmente ou diminue en réponse à une tension de polarisa-
tion appliquée aux bornes 6 et 7, et la variation de capacité selon l'augmentation ou la diminution de la
couche diélectrique 8 est lue entre les bornes 6 et 7.
Cependant, un condensateur variable traditionnel utilisant un tel élément à jonction PN présente les inconvénients qui suivent: (1) étant donné le fait que, dans un condensateur variable traditionnel, on utilise l'augmentation ou la diminution de la couche diélectrique à la jonction PN qui dépend de la tension de polarisation, la capacité minimale est déterminée par la concentration des impuretés dans les régions de semiconducteur tandis que la capacité maximum est déterminée par l'augmentation de la composante de conductance. Par conséquent, il est pratiquement impossible de permettre une gamme importante de variations de la capacité si le facteur Q est important. De plus, plus la variation de capacité est importante, plus le facteur Q est important. Par conséquent, un condensateur variable traditionnel présente des difficultés lors de la
conception du circuit.
(2) Etant donné le fait que l'alimentation en tension de polarisation pour faire varier la capacité et la lecture des variations de capacité sont accomplies au moyen des
bornes communes, le condensateur peut produire une varia-
tion non souhaitée de capacité en réponse à la tension du signal d'entrée lui-même quand le condensateur est adapté dans un circuit résonnant, et autres, ce qui a pour résultat une détérioration du signal. Par ailleurs, comme il faut un agencement spécifique de circuit o l'interférence entre la tension du signal d'entrée et la tension de polarisation est faible, un condensateur variable
traditionnel est restreint à quelques utilisations.
(3) La concentration d'impuretés dans les régions de semi-conducteur pour déterminer la capacité de la couche diélectrique est contrôlée par un moyen de contrtle tel
qu'une diffusion, une implantation d'ions et autres.
Cependant, comme un tel moyen ne permet pas de réaliser un bon rendement, l'intégration dans un circuit intégré
est pratiquement impossible.
La figure 2 montre une structure d'un autre conden-
sateur variable traditionnel. La figure est un schéma de circuit illustrant un principe de structure o les
repères C1-Cn désignent des éléments stables de condensa-
teur; C0 est une capacité parasite, S1 - Sn sont des éléments de commutation, 6A et 7A sont des bornes de lecture de la capacité. Par ailleurs, n est un nombre
entier.
Avec cet agencement, si l'on tient compte du fait que chacun des n éléments de commutation S1-Sn peut être indépendamment ouvert et fermé et que la somme des capacités des n éléments stables de condensateur Cî-CCn est désignée par CT (la capacité parasite C0 peut être choisie comme on le souhaite), alors on a CT qui est égale à C1+ C2 + C3 + o..Cn. Ainsi, le circuit représenté sur la figure 2 permet de faire varier la capacité sur une gamme entre C0 et C0 + CT, en ouvrant ou en fermant de
façon appropriée les éléments de commutation S1-Sn.
En général, le condensateur variable est utilisé dans un circuit résonnant, un circuit d'accord, un circuit à retard et autres, o il n'est quelquefois pas nécessaire
de faire varier la capacité de façon parfaitement continue.
Par exemple, dans un circuit d'accord à utiliser dans un radio-récepteur commercialisé et populaire, une variation parfaitement continue de la capacité n'est pas toujours requise uniquement si l'on est assuré d'une variation par des échelons correspondant au nombre de canaux de diffusion. Par ailleurs, en faisant varier les capacités des éléments stables C1-Cn afin de pondérer ainsi les capacités respectives, il est possible d'accomplir un contrIle grossier et un contrble précis de la variation capacitive et par conséquent, en prévoyant un nombre respectivement faible d'éléments stables de condensateur, il est possible de contrôler avec précision, la variation capacitive
totale sur une large gamme.
Dans ce cas, quand on utilise des condensateurs distincts comme éléments stables Ci-Cn, il faut utiliser des pièces rigidement choisies ayant une haute précision afin d'obtenir une variation capacitive précise. De ce point de vue, cela pose des problèmes d'augmentation du nombre d'heures de travail pour choisir des pièces ayant les caractéristiques souhaitées parmi un certain nombre de telles pièces ainsi que d'une augmentation du prix de production déeà un mauvais rendement. Par conséquent, un condensateur variable traditionnel tel que ci-dessus
décrit n'a pas non plus pu être mis en pratique.
La présente invention a par conséquent pour objet de résoudre les inconvénients ci-dessus mentionnés, et plus particulièrement de produire un condensateur variable permettant d'obtenir une capacité souhaitée entre les bornes
de lecture de la capacité, en prévoyant un substrat semi-
conducteur ayant des éléments variables. de condensateur, dont chacun peut représenter deux valeurs de capacité, c'est-à-dire la capacité maximum et la capacité minimum et en commutant une tension de polarisation inverse pour contrôler chaque élément variable afin de représenter l'une
des deux valeurs.
Selon laprésente invention, on prévoit un condensateur variable qui comprend: un substrat semi-conducteur, un certain nombre d'éléments de condensateur variable, chacun ayant au moins une section de contrble de couche diélectrique qui est formée sur le substrat semi-conducteur et une section de lecture de la capacité; une source d'alimentation en tension de polarisation 1o inverse; un moyen d'application de la tension de polarisation
inverse pour sélectivement appliquer la tension de polari-
sation inverse à la section de contrble de la couche diélectrique; et les sections de lecture de capacité étant connectées
les unes aux autres.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaitront plus clairement au cours de la description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels:
- la figure 1 montre une vue en coupe d'un conden-
sateur variable traditionnel; - la figure 2 montre un schéma de circuit illustrant la théorie de la présente invention; - les figures 3, 5, 6 et 7 montrent des vues en
coupe illustrant des modes de réalisation selon l'inven-
tion; et - la figure 4 montre une courbe expliquant la
présente invention.
La présente invention sera maintenant décrite en détail en se référant au mode de réalisation préféré
illustré sur les dessins.
La figure 3 montre une vue en coupe d'un condensateur
variable selon un mode de réalisation de l'invention, o -
sont formés un certain nombre d'éléments de condensateur variable 10A, 10B, 10C... sur un substrat semi-conducteur 9. Chacun des éléments 10A, 10B, 10C a une section de lecture de capacité 13 qui comprend une région 11 du type P formée sur le substrat semi-conducteur 9 comme un silicium du type N et une électrode métallique 12 prévue dans la région du type P ainsi qu'au moins une section 16 de contrtle de couche diélectrique comprenant une région 14 du type P qui est formée adjacente à la région 11 du type P et une électrode métallique 15 prévue dans la région 14 du type P. Les repères 17 et 18 désignent chacun une borne de lecture de capacité pour lire la capacité totale des sections respectives de lecture de capacité 13 des
éléments 10A 10B, 10C... qui sont reliés en parallèle.
VB désigne une tension de polarisation, 19 est un circuit de commutation de polarisation comprenant des éléments
de commutation S1-Sn pour appliquer la tension de polari-
sation VB aux sections 16 de contrble de la couche diélec-
trique et le repère 20 désigne une électrode ohmique
qui est prévue au recto du substrat semi-conducteur 9.
Avec cet agencement, la caractéristique relative
entre la capacité. C dans l'un des éléments de condensa-
teur variable 10A, 10B, 10C et la tension de polarisation VB varie comme le montre la figure 4. La.capacité C (axe des ordonnées) représente la valeur maximum CMax quiandla tension de polarisation VB (axe des abscisses) appliquée aux sections 16 de contrble de couche diélectrique est nulle ou aux environs de zéro tandis que quand la tension de polarisation inverse augmente pour atteindre la tension de seuil Vt de l'élément de condensateur variable lui-même, la capacité représente une inclinaison rapide pour atteindre la valeur minimum C i et ensuite, conserver cette valeur à proximité de la tension de polarisation inverse VBI Cela signifie qu'en commutant la tension de polarisation inverse VB entre deux valeurs 0 et Vb, la valeur apparaissant à la section de lecture 13 de l'un des éléments de condensateur variable peut être contrôlée pour être à la valeur maximum CMax ou à la valeur minimum Cmino Par conséquent, quand un certain nombre d'éléments de condensateur variable 10A, 10B, 10C.Z. sont prévus dans le substrat semi-conducteur 9 comme le montre la figure 3, chacun des éléments 10A, 10B, 10C O.. représente la valeur maximum Cmax ou la valeur minimum Cminen commutant la tension de polarisation VB dans les éléments A, 10B, 10C... au moyen des éléments de commutation S1-S2 afin d'accomplir ainsi un fonctionnement en réponse aux actions par tout ou rien des éléments de commutation S1-Sn dans le circuit de la figure 20 En conséquence, la capacité totale qui est lue aux bornes de lecture 17 et 18 peut être arangée pour avoir toujours presque
la même latitude.
La capacité minimale pour chaque élément de conden-
sateur variable dans le condensateur variable selon l'invention, est une capacité totale de la capacité parasite C0 et de la valeur minimale Cmin ci-dessus décrite. La valeur minimale Cmin peut être établie à une valeur plus faible en modifiant la conception des sections 16 de contrtle de la couche diélectrique (en les formant plus épaisses, et autres). La valeur maximum CMax peut être établie à une valeur plus importante en changeant la surface des électrodes de la section de lecture de capacité 13 ou en modifiant la forme de la jonction PN dans le
substrat semi-conducteur 9.
Par conséquent, la différence entre la valeur maximum et la valeur minimum que l'on obtient aux bornes de lecture 17 et 18 en tant que capacité totale du condensateur variable, peut être rendue considérab] 2eent
plus importante que dans un condensateur traditionnel.
Par ailleurs, en agençant les valeurs maximum Cmax des éléments de condensateur variable pour qu'elles soient différentes les unes des autres afin de les pondérer ainsi, la variation capacitive sur une large gamme importante peut être contrôlée avec précision. De Plus, en appliquant sélectivement deux valeurs de tension de polarisation combinées comme on le souhaite à la section 16 de contrôle de couche diélectrique au moyen de l'action de commutation du circuit de commutation de polarisation 19, on peut obtenir la variation capacitive souhaitée. La figure 5 montre un autre mode de réalisation de l'invention o la section de lecture dela capacité 13 a une structure MIS qui comprend une barrière isolante 21 telle qu'une barrière oxydante qui est formée à la surface du substrat semi-conducteur 9 et une électrode métallique
22 prévue sur la barrière isolante 21.
La figure 6 illustre un autre mode de- réalisation selon l'invention, o la section de lecture de capacité 13 a une structure de barrière de Schottky, en formant
une barrière semi-conducteur-métal entre le substrat semi-
conducteur 9 et un matériau métallique souhaité 23
adhérant au substrat semi-conducteur 9.
Bien que dans les modes de réalisation ci-dessus indiqués soient révélés des exemples o la section de lecture de capacité 13 a une structure de jonction PN, une structure MIS ou une structure de barrière de
Schottky, les sections 16 de contrble de couche diélectri-
que peuvent également être agencées pour avoir l'une de
ces structures.
La figure 7 illustre un autre mode de réalisation de l'invention o sont prévues des régions d'isolement 24 entre des éléments de condensateur variable adjacents respectifs 10A, 10B, 10C,... qui sont formés sur le substrat semi-conducteur 9. Les régions isolantes 24 peuvent être formées d'un matériau isolant tel qu'une couche oxydante, du verre et autres, ou peuvent 'être formées dans une structure d'isolement à l'air en prévoyant des espaces. En prévoyant ainsi des régions d'isolement 24 entre des éléments de condensateur variable adjacents, une interférence entre ces éléments adjacents peut être
évitée afin de garantir ainsi une stabilité de la carac-
téristique électrique du dispositif, c'est-à-dire qu'il est possible de restreindre la variation du facteur Q, par
exemple.
Dans les modes de réalisation ci-dessus décrits, le circuit de commutation de polarisation 19 pour appliquer la tension de polarisation aux sections de contrble de couche diélectrique 16, peut être formé dans le substrat semi-conducteur 9 pour permettre à un signal de provoquer l'action de commutation entre deux valeurs de tension de polarisation dans des sections souhaitées de contrble de
couche diélectrique 16.
Par ailleurs, le substrat semi-conducteur 9 peut être
utilisé en tant que substrat sur circuit intégré semi-
conducteur tel qu'il est, afin de diminuer ainsi les
pièces et de réduire le prix de production.
Comme on l'a décrit ci-dessus, le condensateur variable selon l'invention est prévu sur un substrat semi-conducteur avec des éléments de condensateur variable
qui peuvent représenterdeux valeurs de capacité, c'est-à-
dire les valeurs maximum/minimum et qui sont contrZlés pour représenter l'une des deux valeurs en commutant la tension de polarisation. Ainsi, la présente invention amène les effets qui suivent: 1) on obtient une forte variation de capacité. Ainsi, quand on l'utilise dans un circuit résonnant, un circuit d'accord et autres, il est possible de permettre une grande variation de la fréquence centrale, avec pour résultat que la conception du circuit est facile, 2) le facteur Q de la capacité peut être rendu important en concevant de façon appropriée la résistance spécifique et la configuration des électrodes. Par ailleurs, comme la capacité peut varier du fait de l'action
de commutation, la variation du facteur Q due à la varia-
tion capacitive peut être contrôlée pour être faible.
3) comme la variation capacitive est accomplie par l'action de commutation et que la borne de lecture de capacité et la borne de contrble de la couche diélectrique sont formées séparément, la variation capacitive due au signal d'entrée est essentiellement faible et la détérioration du signal ainsi provoquée est également faible. 4) la capacité peut être contrôlée avec précision sans utiliser un moyen de contrôle d'impuretés tel qu'une implantation d'ions pouvant provoquer une grande inégalité de la concentration des impuretés. Par ailleurs, comme une inégalité des capacités des produits peut en conséquence être faible, on peut atteindre un bon rendement
des produits.
5) en adoptant une technique de circuit intégré sur semi-conducteur, il est possible de fabriquer les condensateurs ayant une certaine égalité entre des capacités des éléments capacitifs, permettant ainsi de diminuer les
condensateurs et de réduire leur prix de production.
Claims (4)
- R E V E N D I C A T I 0 N SCondensateur variable, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat semiconducteur (9) un certain nombre d'élémenis de condensateur variable (10A, 10B, 10C,...), chacun ayant au moins une section de contrble de couche diélectrique (16) formée sur le substrat semi-conducteur et une section de lecture de capacité (13); une source d'alimentation en tension de polarisation inverse (VB);un moyen d'application (19) de la tension de polari-sation inverse pour sélectivement appliquer ladite tension de polarisation inverse à ladite section de contrtlede couche diélectrique; et en ce que -lesdites couches de lecture de capacité sontconnectées les unes aux autres.
- 2. Condensateur variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen précité d'application de tension de polarisation inverse comprend un certain nombre d'éléments de commutation (S1-Sn) qui sont reliés entre les sections de contrtle de couche diélectrique précitées et la source de tension de polarisation inverse précitée respectivement, afin que l'une des deux valeurs de la tension de polarisation soit sélectivement appliquéeà chacune des sections de contrble de couche diélectrique.
- 3. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des régions isolantes (24) prévues entre des éléments de condensateur variableadjacents respectifs.
- 4. Condensateur variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de lecture de capacité précitée comprend une première région de type P du substratsemi-conducteur précité et une première électrode métalli-que prévue sur ladite première région du type P tandis que il la section de contrtle de couche diélectrique précitée comprend au moins une seconde région du type P qui est formée adjacente à ladite première région du type P dudit substrat et une seconde électrode métallique prévue sur ladite seconde région du type P.
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| DE3149257C2 (fr) | 1992-04-09 |
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