Brevet FR2541514A1 — publié le 19840824

La présente invention se rapporte à un condensateur variable particulièrement perfectionné pour réduire les fluctuations de capacité selon les potentiels des signaux d'entrée. Dans l'un des condensateurs variables selon l'art antérieur, on utilise une diode à jonction pn comme le montre la figure 1 Sur la figure, le chiffre de référence 1 désigne une région de semi-conducteur du type n, 2 est une région de semi-conducteur du type p, 3 est une jonction pn, 4 et 5 sont des électrodes ohmiques attachées aux régions du type N et po 1 et 2 respectivement, 6 et 7 sont des bornes conductrices dérivées des électrodes ohmiques 4 et respectivement et 8 est une couche d'appauvrissement. La couche d'appauvrissement 8 change de volume selon la tension de polarisation appliquée aux bornes 6 et 7 afin qu'une capacité correspondant au volume de la couche d'appauvrissement 8 soit détectée entre les bornes 6 et 7. Cependant, l'élément selon l'art antérieur utilise les bornes 6 et 7 à la fois comme borne de lecture de capacité des détériorations de la caractéristique de trans modulation. Plus particulièrement, la capacité résultante fluctue du fait des potentiels des signaux appliqués à l'élément et par ailleurs, cette fluctuation n'est pas linéaire Cela signifie que ces signaux d'entrée sont modulés en fréquence et que des composantes à haute fréquence autres que les signaux d'entrée eux-mêmes apparaissent en conséquence à la sortie. Par conséquent, le condensateur variable selon l'art antérieur pose les divers problèmes qui suivent: ( 1) la capacité résultante est fortement affectée par une les potentiels des signaux d'entrée; ( 2) l'usage à deux voies des électrodes en tant qu'électrode de lecteur de capacité et électrodes de polarisation ne permet pas un libre choix des concep- tions d'agencement de circuit; ( 3) comme la variation de capacité dépend de la densité des porteurs d'une région de semi-conducteur de l'élément, cette variation ne peut être beaucoup accrue; et ( 4) du fait des diverses restrictions du procédé de fabrication de l'élément, il est difficile d'intégrer cet élément avec d'autres éléments de circuit à haute fréquence et à fréquence intermédiaire sur un seul substrat. La présente invention a par conséquent pour objet un condensateur variable dont la capacité est à peine affectée par les signaux d'entrée et qui est au contraire déterminée simplement par les tensions de polarisation. Afin d'atteindre l'objectif et de surmonter les problèmes ci-dessus, l'invention offre un condensateur variable qui comprend un moyen de contrôle de couche d'appauvrissement et un moyen de lecture de capacité ayant une électrode de lecture de capacité, ces deux moyens étant formés sur un substrat semi-conducteur et étant espacés par une couche isolante, le condensateur étant particulièrement caractérisé en ce que le potentiel. de surface du substrat semi-conducteur en-dessous de l'électrode de lecture de capacité est stocké de façon qu'une capacité apparaissant au moyen de lecture de capacité en réponse à une tension de polarisation appliquée au moyen de contrôle de la couche d'appauvrissement puisse ne représenter que deux valeurs stabilisées,importante et faible. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appa- raîtront 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 est une vue en section transversale d'un condensateur variable selon l'art antérieur; les figures 2 a, 3 a, 4 a et 5 sont des vues en section transversale de condensateurs variables selon l'invention; les figures 2 b, 3 b, 4 b, 6 et 7 montrent les caractéristiques des éléments montrés sur la figure 2 a, 3 a, 4 a et 5 respectivement; la figure 8 est un agencement de circuit d'un. dispositif formant condensateur variable comprenant plusieurs éléments de condensateur variable selon l'invention; la figure 9 a est une vue en perspective d'un certain nombre d'élémentsde condensateur variable selon l'invention intégrés sur un substrat semi-conducteur; la figure 9 b est une vue en section transversale de la structure montrée sur la figure 9 a; et la figure 10 est une vue en perspective d'un circuit intégré o plusieurs éléments de condensateur variable selon l'invention et un élément de circuit de commutation sont intégrés sur un seul substrat semi- conducteur. Les figures 2 a et 2 b à 4 a et 4 b sont des vues en section transversale ainsi que des graphiques caractéristiques d'éléments de condensateur variable du type MIS choisis pour expliquer l'invention Le chiffre de référence 11 désigne une région de semi-conducteur du type N d'un susbtrat semi-conducteur Le substrat comprend également des régions conductrices 12 A et 12 B du type p+ Le chiffre de référence 13 désigne des jonctions pn entre la région de semi-conducteur 11 du type N et les régions conduc- trices 12 A et 12 B du type p+ Une couche isolante 14 est formée sur la région de semi-conducteur 11 du type n pour relier les régions 12 A et 12 B du type p+ La région 11 du type n, les deux régions 12 A et 12 b du type p+ et la couche isolante 14 ont individuellement des électrodes 15, 16 A, 16 B et 17 Des bornes conductrices 18, 19 et 20 sont dérivées des électrodes 15, 16 A, 16 B et 17, respectivement Sur la figure 4 a, une couche d'appauvrissement 21 est produit le long des jonctions 13 du type pn, réservant une couche de stockage résiduel 22 qui n'est pas mise en cause dans la couche d'appauvris- sement en dessous de la couche isolante 14 Les régions 12 A et 12 B du type p+ et leifrs électrodes 16 A et 16 B constituentun moyen de contrôle de la couche d'appauvris- sement tandis que la couche isolante 14 et son électrode 17 forment un moyen de lecture de capacité 24. L'élément de condensateur variable du type MIS de la figure 2 a, qui est également révélé dans la publication- du brevet japonais no 120178/1980, est adapté à ce que la couche d'appauvrissement 21 change de volume en réponse à une tension de polarisaton VB appliquée entre les bornes conductrices 18 et 19 pour polariser les jonctions 13 du type pn en inverse, et une capacité résultante correspondant au volume de la couche d'appauvrissement 21 est captée entre les bornes conductrices 18 et 20 La relation entre la capacité C et la tension V est illustrée par la figure 2 b o la capacité H estla valeur obtenue lorsque la tension de polarisation inverse VB est nulle, et la capacité L est la valeur obtenue lorsque la tension de polarisation inverse VB est accrue à une valeur VBL dépassant la tension de seuil VBT Les capacités H et L représentent la capacité maximale Cmax et la capacité minimale Cmin respectivement de la caractéristique MIS C-V. Quand la tension de polarisation inverse VB entre les bornes conductrices 18 et 19 est nulle, et que la tension de polarisation VR entre les bornes conductrices 18 et 20, c'est-à-dire la tension à l'électrode de lecture de capacité 17 augmente ou diminue, on obtient la caractéristique C-V montrée sur la figure 3 b Cela est sensiblement identique à la caractéristique générale MIS C-V de la figure 2 b Il est par conséquent évident que si la tension de polarisation VR à l'électrode de lecture de capacité 17 est modifiéetandis que les électrodes de polarisation 16 A et 16 B ne sont pas polarisées, on obtient la même caractéristique MIS C-V que celle montrée sur la figure 2 b. Si l'on fait varier la tension de polarisation VR entre les bornes 18 et 20 tandis que la tension de polarisa- tion inverse VBL est appliquée entre les bornes 18 et 19 comme le montre la figure 4 a, on obtient la caractéristique C-V montrée sur la figure 4 b Comme on peut le comprendre par cette caractéristique C-y, quand la tension de polarisation inverse VBL est choisie de façon à stabiliser suffisamment la capacité C à la valeur L, un déplacement de la tension de polarisation VR dans la direction plus ou moins autour du point zéro ne provoque pas dechangement sensible de la capa- cité C et au contraire la maintient à la valeur L. Par ailleurs, la caractéristique C-V de la figure 3 b représente un changement de capacité quand la tension de polarisation VR varie dans une direction et dépasse un point VFB Il est par conséquent évident que la capacité dépend de la tension de polarisation V R* Cela signifie que le condensateur variable ayant la construction ci-dessus décrite souffre des fluctuations dues aux signaux d'entrée appliqués à l'électrode 17 de lecture de capacité. Avec le condensateur variable du type MIS montré sur la figure 5, on suppose maintenant que le substrat semi-conducteur S est de conductivité du type n Si une tension de polarisation VB considérablement importante est appliquée à une électrode M par un isolateur I, un certain nombre d'électrons se rassemblent le long de l'interface MIS entre l'isolateur I et le substrat semi-conducteur S, donc le potentiel de surface est stocké La référence A la caractéristique C-V de la figure 6 désigne l'état ou le potentiel de surface est stocké Dans cet état-, la capacité C est maintenue à la valeur H Tandis que le potentiel de surface est stocké, le potentiel désigné par la référence Ps varie d'une quantité extrêmement faible par rapport à la variation de la tension de pola- risation VR à l'électrode de lecture de capacité, comme le montre le graphique de la figure 7 qui partde la théorie MIS Il est par conséquent évident que malgré la variation de la tension de polarisation VR, la fluctuation de la capacité est maintenue très faible à condition que la variation soit produite tandis que le potentiel de surface est stocké. Ce phénomène est employé dans l'invention et cela donne un condensateur variable capable de stocker le potentiel de surface le long de l'interface MIS, pour produire ainsi une capacité résultante qui n'est pas affectée par la tension appliquée à l'électrode MIS et qui au contraire, est stabilisée à une valeur importante H ou faible L. L'un des moyens préférable pour stocker le potentiel de surface consiste à polariser l'électrode de lecture de capacité 17 afin de stocker, au préalable, le potentiel de surface, comme le montre la figure 5. Le second moyen est une implantation d'ions de donneurs d'impuretés comme l'arsenic (As), le phosphore (P) ou l'antimoine (Sb) dans la surface de la région de semi-conducteur du type N en dessous de l'électrode de lecture de capacité 17 Si la région de semi-conducteur 11 est de conductivité du type p, on implante des ions accepteurs d'impuretés Par conséquent, des ions positifs ou négatifs sont produits le long de l'interface MIS. Du point de vue différence de potentiel entre l'électrode 17 de lecture de capacité et les électrodes de polarisation 16 A et 16 B, le second moyen sera mieux approprié parce que le premier moyen peut présenter un changement de la valeur de Q du fait d'une fuite de la charge à travers un isolateur I - En stockant le potentiel de surface le long de l'interface MIS, le point de polarisation nulle dans la caractéristique C-V peut être sensiblement déplacé vers la position L à la droite de la figure 6, de façon que la tension de polarisation VR varie en direction plus et moins autour du point L En conséquence, la plage variable de la tension de polarisation V R maintenant la capacité C à la valeur H est fortement accrue à un point ne dépassant pas la tension VFB, pour éliminer ainsi la dépendance entre la capacité C et la tension de polarisation VR. Il est par conséquent évident qu'en stockant le potentiel de surface le long de l'interface MIS, et en choisissant la tension de polarisation entre les électrodes de polarisation 16 A et 16 B a zéro ou à une valeur supérieure à la valeur de seuil VBT, la capacité résultante représente la valeur importante ou faible stabilisée H ou L, de manière correspondante. Les capacités maximale et minimale Cmax et Cmin correspondant aux valeurs H et L du condensateur variable du type MIS comme le montrent les figures 2 à 4 peuvent être choisies comme on le souhaite en faisant varier les paramètres des matières formant lastructure MIS. Par exemple, des changements de la densité des porteurs et du volume des régions de semi-conducteur 11, 12 A et 12 B, de l'épaisseur de la couche isolante 14, de la dimension de l'électrode 17 ou de tout autre facteur permettront un choix souhaité des valeurs H et L. La figure 8 montre un certain nombre de ces éléments à condensateur variable du type MIS>VC 1, VC 2, VC 3 ayant des valeurs H et S différentes qui sont connectés en parallèle Les électrodes de polarisation GB 1, GB 2, GB 3 des éléments respectifs sont connectées à un circuit de commutation de polarisation CH, de façon que l'une des électrodes de polarisation soit choisies par un circuit de commutation CH et reçoive une tension de polarisation VB pour obtenir la caractéristique C-V résultante souhaitée entre les électrodes de lecture de capacité 18 A et 20 A Par exemple, si l'on combine neuf à douze éléments ayant des valeurs différentes de H et L, par un circuit logique utilisé comme circuit de commutation CH, on peut diverses caractéristiques C-V à une précision de 1 à 0,1 p F. La figure 9 a montre les éléments de condensateur variable du type MISVCO 1, VC VC 3; intégrés sur un substrat semi-conducteur 30 Les électrodes-de lecture de capacité GR 1, GR 2, GR 3 des éléments respectifs sont connectées en commun à une borne conductrice 31 Les électrodes de polarisation GB 1, GB 2, GB 3 sont individuellement connectées à un circuit de commutation de polarisation 32 afin de recevoir indépendamment la tension de polarisation VB La figure 9 b est une vue en section transversale de la structure intégrée de la figure 9 a Les chiffres de référence 23 A et 23 B désignent un moyen de contrôle de la couche d'appauvrissement, et les chiffres de référence 24 A et 24 B désignent un moyen de lecture de capacité. La figure 10 illustre une construction dans laquelle les éléments de condensateur variable VC et le circuit de commutation 32 sont intégrés sur un seul substrat semi- conducteur 33. Les régions de semi-conducteur de l'élément peuvent être choisies pour être du type p ou du type n, comme on le souhaite. Comme on peut le comprendre à la lecture de la description qui précède, la présente invention permet de surmonter divers problèmes concernant un condensateur selon l'art antérieur parce que dans le condensateur variable comprenant le moyen de contrôle de couche d'appauvrissement et le moyen de lecture de capacité ayant l'électrode de lecture de capacité sur un substrat semi-conducteur avec espacement par une couche isolante, le potentiel de surface du substrat semi-conducteur en dessous de l'électrode de lecture de capacité est stocké de façon que la capacité apparaissant au moyen de lecture de capacité représente une valeur importante ou faible stabilisée en réponse à la tension de polarisation appli- quée au moyen de contrôle de couche d'appauvrissement. En résumé, les avantages de l'invention sont les suivants: ( 1) comme la capacité résultante n'est pas affectée par les potentiels des signaux d'entrée, la capacité repré- sente une valeur précise déterminée simplement par une tension de polarisation, ( 2) comme l'électrode de lecture de capacité et l'électrode de polarisation sont indépendantes l'une de l'autre, un relativement libre choix d'agencements de circuit est possible, ( 3) la plage des variations de capacité peut être accrue, et ( 4) les éléments peuvent facilement être intégrés à d'autres éléments de circuit sur un seul substrat. En particulier, l'indépendance sensible des signaux d'entrée appliqués à l'électrode de lecture de capacité conduit à l'empêchement des erreurs d'accord et à l'empê- chement de la production de composantes à haute fréquence, ce qui améliore la caractéristique de transmodulation R E V E N D I C A T I O N S 1 Condensateur variable caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semi-conducteur ( 11) un moyen de contrôle de couche d'appauvrissement ( 23) formé sur ledit substrat; une couche isolante ( 14) formée sur ledit substrat; un moyen de lecture de capacité ( 17) formé sur ladite couche isolante; un moyen de stockage de potentiel de surface pour stocker le potentiel de surface dans ledit substrat semi-conducteur en dessous dudit moyen de lecture de capacité; et un moyen d'application de tension de polarisation ( 18, 19) pour appliquer une tension de polarisation audit moyen de contrôle de couche d'appauvrissement afin que la capacité apparissant audit moyen de lecture de capacité représente une valeur importante ou faible stabilisée. 2 Condensateur variable selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de stockage de potentiel de surface comprend un moyen pour polariser le moyen de lecture de capacité afin de stocker au préalable le potentiel de surfaces. 3 Condensateur variable selon la revendication 1 carac- térisé en ce que le substrat semi-conducteur est de conductivité du type N et le moyen de stockage de potentiel de surface comprend une implantation de donneurs d'impuretés dans le substrat semi-conducteur du type N en dessous du moyen de lecture de capacité. 4 Condensateur variable selon la revendication 1 carac- térisé en ce que le substrat semi-conducteur est de conductivité du type p et le moyen de stockage de potentiel de surface comprend une implantation d'accepteurs d'impuretés dans le substrat semi-conducteur du type p en dessous du moyen de la lecture de capacité. Condensateur variable caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semiconducteur; un certain nombre de moyens de controle de couche d'appauvrissement formés sur le substrat semi-conducteur et connectés les uns aux autres; un certain nombre de imyensde lecture de capacité forins sur ledit substrat et espacés dudit substrat par une couche isolante; et un moyen de stockage de potentiel de surface pour stocker le potentiel de surface dans le substrat semi- conducteur en dessous du moyen respectif de lecture de capacité; et un moyen de commutation de polarisation pour sélective- ment appliquer une tension de polarisation au moyen de contrôle de couche l'appauvrissement. 6 Condensateur variable selon la revendication 5, caractérise en ce que le moyen de commutation de polarisa- tion est formé sur le substrat semi-conducteur.