Brevet FR2509907A1 — publié le 19830121

La présente invention se rapporte à un dispositif à capacité variable, construit de façon que sa capacité varie fortement par rapport à des variations de la tension de polarisation inverse. Jusqu'à maintenant, un élément à jonction P-N, tel que représenté sur la figure 1, a été utilisé comme dispositif à capacité variable Sur la figure, le repère 1 désigne une couche de semi-conducteur de conductivité du type N; 2 est une région de conductivité du type P; 3 est une jonction P-N, 4 et 5 sont des électrodes qui sont disposées sur la couche 1 de conductivité du type N et sur la région 2 de conductivité du type P, respectivement; 6 et 7 sont des fils conducteurs disposés sur les électrodes 4 et 5, respectivement; et 8 est une couche diélectrique qui s'étend de la jonction P-N 3 principalement dans le côté de la couche 1 de conductivité du type N ayant une faible concentration en impuretés La couche diélectrique 8 se dilate et se contracte selon la tension de polarisation inverse appliquée entre les fils conducteurs 6 et 7 et les variations de capacité dues à l'extension et à la con- traction de la couche diélectrique sont lues entre les fils conducteurs 6 et 7. Cependant, les dispositifs à capacité variable selon l'art antérieur, utilisant un élément à jonction P-N comme on l'a décrit ci-dessus présentent les inconvénients qui suivent: ( 1) comme ils utilisent la dépendance entre la capacité de la couche diélectrique dans une jonction P-N et la tension de polarisation, la valeur minimale de la capacité est déterminée par la concentration en impuretés dans les régions de semiconducteur, et par ailleurs la valeur maximum est déterminée par l'augmentation d'une composante de con- ductance Il est par conséquent pratiquement impossible d'obtenir une large gamme de variations capacitives, quand le facteur Q est important, et de même comme les variations de Q dues aux variations capacitives sont importantes,cela donne lieu à des difficultés de conception de circuit. ( 2) comme l'application de la tension de polarisation pour faire varier la capacité et la lecture des variations capacitives sont effectuées au moyen des fils conducteurs communs, des variations capacitives inutiles sont facilement produites par les tensions elles-mêmes des signaux d'entrée, quand le dispositif s'applique à un circuit de résonance et autres, et cela provoque des détériorations de signaux. Par ailleurs, comme une construction spéciale du circuit réduisant l'interaction entre les tensions du signal d'entrée et la tension de polarisation est nécessaire, les applica- tions sont restreintes. ( 3) la régulation de la concentration en impuretés pour la région de semi-conducteur afin d'ajuster la capacité de la couche diélectrique est accomplie par un moyen de régulation tel qu'une méthode d'implantation dl ions. Comme le rendement de production est généralement faible, il est pratiquement impossible d'intégrer le dispositif en un circuit intégré. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes ci-dessus mentionnés, et elle a pour objet un dispositif à capacité variable, construit de façon que, en utilisant un substrat semi-conducteur ayant des régions de semi-conducteur d'un second type de conductivité qui sont formées sélectivement dans une partie de surface d'une couche de semiconducteur du premier type de conductivité et une barrière pour produire une couche diélectrique à la surface opposée à la partie de surface de la couche de semi-conduc- teur du premier type de conductivité, les régions du second type de conductivité agissent comme une région restreignant la couche diélectrique et une section de lecture de capacité, éliminant ainsi les inconvénients du dispositif selon l'art antérieur. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparai- tront 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 plu- sieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif à capacité variable selon l'art antérieur; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un dispositif à capacité variable selon la présente invention; les figures 3 A et 3 B sont des graphiques expliquant l'invention, l'axe des abscisses indiquant la tension de polarisation inverse et l'axe des ordonnées indiquant, pour la figure 3 A, la couche diélectrique et pour la figure 3 B, la capacité; les figures 4,5 et 6 sont des vues en coupe trans- versale représentant divers modes de réalisation; la figure 7 est une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation de l'invention; et la figure 8 est un schéma de circuit électrique équivalent pour le dispositif de la figure 7. La figure 2 montre une vue en coupe transversale d'un dispositif à capacité variable selon un mode de réalisation de l'invention Sur la figure, le repère 9 représente une couche de conductivité du type N; 10 est une couche de conductivité du type P qui est formée sur cette couche 9 de conductivité du type N; 11 représente des régions de conductivité du type N qui sont formées sélectivement dans la couche 10 de conductivité du type P; 12 est une couche isolante; 13 est une électrode contrôlant la couche diélec- trique qui est formée sur la couche 9 de conductivité du type N; 14 représente des électrodes pour lire la capacité formée dans les régionsll de conductivité du type N; 15 est une contre électrode commune pour les électrodes 13 et 14; et R 1 représente des bornes pour la lecture de la capacité. Pour la construction ci-dessus décrite, quand une tension de polarisation inverse VR est appliquée entre l'électrode 13 contrôlant la couche diélectrique et l'électrode commune 15, une couche diélectrique 8 commence à s'étendre de la jonction P-1 N 3, principalement du côté de la couche 10 de conductivité du type P, dont la concentration en impuretés est faible L'épaisseur de cette couche diélectrique varie avec la tension de polarisation inverse VR, et augmente avec l'augmentation de VR comme le montre. la ligne en trait plein de la figure 3 A Dans le cas o il existe des régions ayant un type différent de conductivité, comme les régions 11 de conductivité du type N, à la partie de surface de la couche 10 de conductivité du type P, comme le montre la figure 2, quand la couche diélectrique 8, qui s'étend avec l'augmentation de la tension de polarisa- tion inverse VR, atteint ces régions 11 de conductivité du type N, la couche diélectrique ne peut s'étendre dans ces régions 11 En effet, dans ce cas, les régions de conductivi-_ té du type N servent de région restreignant la couche diélec- trique En conséquence, ensuite, la couche diélectrique 8 continue à s'étendre vers le haut dans une partie de la couche 10 de conductivité du type P, qui est adjacente aux régions 11 de conductivité du type N, d'une façon concentrée. Dans le cas o des régions de restriction de la couche diélectrique sont présentes, l'épaisseur d dela couche diélectrique 8 par rapport à la tension de polarisation inverse varie comme le montre la ligne en pointillé de la figure 3 A, et ainsi quand la couche diélectrique a atteint les régions 11 de conductivité du type N, son épaisseur augmente rapidement avec l'augmentation de la tension de polarisation inverse VR Cela signifie que la capacité peut être modifiée sur une plus large gamme pour une gamme donnée de variations de la tension de polarisation inverse. La figure 3 B montre des courbes caractéristiques repré- sentant des variations de capacité C par rapport à la tension de polarisation inverse VR Les lignes en trait plein et en pointillé sur la figure 3 B correspondent à celles de la figure 3 A. En conséquence, la capacité entre les électrodes 14 de lecture de capacité et l'électrode commune 15 est une capacité de jonction à l'interface entre une partie de la couche de conductivité du type P, o la couche diélectrique 8 ne s'étend pas et les régions 11 de conductivité du type'N. Comme cette capacité de jonction varie de façon correspondante aux variations de la couche diélectrique 8, qui devient plus épaisse avec l'augmentation de la tension de polarisa- tion inverse VR' elle diminue avec l'augmentation de VR. En d'autres termes, aux bornes R 1 de lecture de capacité qui sont reliées aux électrodes de lecture de capacité et à l'électrode commune 15 respectivement, il est possible de lire les variations de la capacité contrôlée par la tension de polarisation inverse VR appliquée entre l'électrode 13 contrôlant la couche diélectrique et l'élec- trode commune 15. La figure 4 montre un autre mode de réalisation de l'invention, o,en particulier, la forme en coupe transver- sale des régions de conductivité du type N est modifiée. En effet, chaque région 11 de conductivité du type N a une double structure consistant en une première partie 11 A de conductivité du type N ayant un plus petit rayon de courbure et une seconde partie 11 B de conductivité du type N ayant un plus grand rayon de courbure En disposant des pourtours ayant divers rayons de courbure à la forme en coupe trans- versale des régions 11 de conductivité du type N comme on l'a décrit cidessus, il est possible de changer le mode d'extension de la couche diélectrique par rapport aux variations de la tension de polarisation inverse, plus particulièrement pour rendre les variations de capacité moins abruptes pour des tensions de polarisation inverse relative- ment faibles De cette façon, il est possible de rendre plus importante la surface contribuant à l'augmentation de la capacité lue, et de réduire ainsi la surface des pastilles de semi-conducteur nécessaire pour une gamme donnée de variations de la capacité lue. La double structure ci-dessus mentionnée peut facile- ment être fabriquée par une méthode bien connue de diffusion sélective La structure n'est pas du tout limitée à une structure double, mais une structure multiple consistant en plus de deux parties est également possible. La figure 5 montre un autre mode de réalisation de l'invention, o une seconde couche 16 de conductivité du type P, ayant une concentration en impuretés plus faible que celle de la couche 10 du type P (appelée couche de forte résistivité du type P), est disposée entre la couche 9 de conductivité du type N et la couche 10 de conductivité du type P En disposant une couche de forte résistivité 16 ayant le même type de conductivité à proximité de la couche 10 de conductivité du type P, il est possible que l'extension de la couche diélectrique devienne importante pour de petites tensions de polarisation inverse, ne contri- buant pas à des variations capacitives, et ainsi de réduire la perte de tension de polarisation inverse En même temps, la capacité parasite peut être maintenue à un bas niveau. La figure 6 représente un autre mode de réalisation de l'invention, o les régions de conductivité du type N ont une forme modifiée en coupe transversale. La figure 7 montre un autre mode de réalisation de l'invention, o la capacité est lue entre les électrodes 14. Comme on l'a décrit ci-dessus, la capacité entre les électrodes 14 de lecture de capacité et l'électrode commune 15 est une capacité de jonction C 1 ou C 2 à l'interface entre une partie de la couche de conductivité du type P, o la couche diélectrique 8 ne s'étend pas, et les régions 11 de conductivité du type N Par ailleurs, une capacité de jonction entre deux régions 11 de conductivité du type N reste constante, parce qu'elle est équivalente à la capacité des diodes D 1 et D 2 qui sont connectées en série et dans des directions opposées l'une à l'autre entre les deux électrodes de lecture de capacité 14, comme le montre le schéma de circuit équivalent de la figure 8 et quand un signal d'entrée externe l>V est appliqué aux diodes, la direction de la variation capacitive est opposée pour les diodes, comme le montrent les équations qui suivent: En effet, ( 1), dans le cas o aucun signal externe d'entrée n'est appliqué, on a 1/C = 1/C 1 + 1/C 2 (A) Ensuite ( 2), quand un signal d'entrée externe AV est appliqué, C étant changéepour C' on a 1/C' = 1/Ci + àV + 1/C 2 + a V i i =/C^ 1 '1 + AV/C 1 + 1/C 2 ( 1 \V/C 2 = 1/C 1 ( 1 i V/C 1) + 1/C 2 ( 1 + d V/C 2) = 1/C 1 + 1/C 2 = 1/C (B) En conséquence, la valeur de (B) est toujours identi- que à (A), c'est-à-dire que la capacité C lue aux bornes des diodes D 1 et D 2 est toujours à peu près constante, indépendamment du signal d'entrée 4 V. La capacité de jonction C varie de façon correspondante aux variations de la couche diélectrique 8 et diminue avec l'augmentation de la tension de polarisation inverse VR, parce que la couche diélectrique devient plus épaisse. Ainsi, entre les deux électrodes de lecture de capacité 14, il y a des variations de capacité lue qui sont contrô- lées par la tension de polarisation inverse VR appliquée entre l'électrode 13 contrôlant la couche diélectrique et l'électrode commune 15 Le mode de lecture de capacité décrit ci-dessus peut s'appliquer également au mode de réalisation représenté sur les figures 4 à 6. Dans les modes de réalisation ci-dessus, on utilise une structure de jonction P-N comme barrière pour produire une couche diélectrique en disposant une électrode contrôlant la couche diélectrique Mais la structure n'est pas limitée à une jonction P-N, mais d'autres structures comme une structures MIS,une structure à barrière de Schottky et autres, peuvent être utilisées. Comme on l'a expliqué ci-dessus, selon l'invention, comme, en utilisant un substrat semi-conducteur ayant des régions de semi-conducteur d'un second type de conducti- vité qui sont formées sélectivement dans une partie de surface d'une couche de semi-conducteur d'un premier type de conductivité, et une barrière pour produire une couche diélectrique formée à la surface opposée à la partie de surface de la couche de semi-conducteur du premier type de conductivité, les régions du second type de conductivité servent de couche restreignant la couche diélectrique et en même temps de section de lecture de capacité, on peut lire des variations capacitives sur une plus large gamme que dans le cas o l'on utilise une couche diélectrique formée par une tension de polarisation inverse Par ailleurs, comme la section de contrôle de couche diélectrique et la section de lecture de capacité sont formées indépendamment, cela permet d'éviter les mauvaises influences dues aux signaux d'entrée Par ailleurs, comme la capacité dans la couche diélectrique n'est pas déterminée uniquement par la concen- tration en impuretés dans les couchesde semi-conducteur, un moyen compliqué nécessaire pour contrôler exactement la concentration en impuretés devient inutile, et ainsi l'inté- gration de dispositifs à capacité variable dans les circuits intégrés est possible. Il est évident que les types de conductivité P et N ci-dessus mentionnés peuvent être arbitrairement échangés. R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif à capacité variable caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semi-conducteur ayant une couche de semi- conducteur d'un premier type de conductivité ( 10), au moins une région d'un second type de conductivité ( 11) formée sélectivement dans une partie de surface de ladite couche de semi-conducteur du premier type de conductivité, et une barrière pour produire une couche diélectrique ( 8) formée sur la surface opposée à ladite partie de surface de ladite couche de semi-conducteur du premier type de conductivité; une section de lecture de capacité ( 14) disposée sur ladite région de semi-conducteur du second type de conductivité; une section de contrôle de couche diélectrique ( 13) disposée sur ladite surface opposée à ladite partie de surface; un moyen (VR) pour appliquer une tension de polarisa- tion inverse à ladite section de contrôle de couche diélec- trique. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre de régions de semi- conducteur du second type de conductivité. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une électrode commune ( 15) disposée à la surface de la couche de semi-conducteur du premier type de conductivité, o est formée la région du second type de conductivité, et des bornes de lecture de capacité disposées entre ladite électrode commune et ladite section de lecture de capacité. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une autre couche de semi-conducteur du premier type de conductivité ( 16) est disposée entre la première couche de semi-conducteur du premier type de conductivité et la barrière, la concentration en impuretés de ladite autre couche du premier type de conductivité étant plus faible que celle de la couche de semi-conducteur du premier type de conductivité. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région du second type de conductivité a une forme en coupe transversale sensiblement circulaire. 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région du second type de conductivité se compose de deux parties ( 11 A, 11 B) ayant des formes en coupe transversale sensiblement circulaires, ayant des rayons de courbures différents. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région du second type de conductivité forme au moins une paire et en ce que des bornes de lecture de capacité sont disposées entre deux sections de lecture de capacité sur chacun des organes de la paire.