Brevet FR2872959A1 — publié le 20060113

DISPOSITIF A SEMICONDUCTEUR AYANT UN CIRCUIT OSCILLATEUR COMMANDE PAR TENSION PERFECTIONNE La présente invention concerne un dispositif à semiconducteur ayant un circuit oscillateur commandé par tension perfectionné, formé en connectant un élément à capacité variable en combinaison avec un transistor bipolaire sur un même substrat semiconducteur. De façon plus spécifique, un élément à capacité variable est formé en utilisant une couche P destinée à être la base et une couche N destinée à être le collecteur parmi les couches NPN pour former un transistor bipolaire. La figure 3A montre un exemple d'un circuit oscillateur commandé par tension classique, formé en combinant un transistor bipolaire et un élément à capacité variable formés sur un même substrat semi-conducteur. La figure 3B est une vue en plan montrant la structure de l'élément à capacité variable entouré par des lignes en pointillés sur la figure 3A; la figure 3C est une coupe selon la ligne B-B sur la figure 3B, montrant la structure en vue de côté; et la figure 3D est un circuit équivalent en petits signaux de l'élément à capacité variable. Comme ces dessins le montrent, lorsqu'un transistor bipolaire 10 et un élément à capacité variable 30 sont formés sur le même substrat semiconducteur 6, comme le montre la figure 3C, une couche N+ 7 est formée comme un contact sur le substrat semiconducteur semi-isolant 6. Une couche N 8 et une couche P 9 sont formées par dessus pour constituer un collecteur et une base d'un transistor NPN. Une métallisation 1 et une métallisation de connexion 3 sont formées sur la couche de base 9, et les électrodes 2 de la couche de collecteur 8 sont formées sur la couche de contact 7, et des métallisations 5 pour connecter les électrodes 2 à d'autres éléments de circuit sont formées sur les deux côtés de la couche de collecteur 8. Comme le montre la figure 3B, les métallisations 5 connectent mutuellement les deux électrodes 2. En outre, des éléments de circuit représentés sur la figure 3A sont formés sur le substrat semiconducteur 6 pour constituer le circuit oscillateur commandé par tension. De façon spécifique, un condensateur 12 pour isoler des composantes continues vis-à-vis de circuits externes est connecté à la base d'un transistor bipolaire NPN 10 qui forme la partie active du circuit oscillateur, et chaque inductance 11 a et 11 b qui dé-termine le niveau de rétroaction du transistor bipolaire est connectée au condensateur 12 et à l'émetteur du transistor bipolaire 10. La métallisation 5 connectée à la couche de collecteur 8 d'un élément à capacité variable 30 est connectée à l'inductance 11 a du côté de la base du transistor bipolaire. La source d'énergie de commande 13, connectée en série, et la bobine d'arrêt 14 pour isoler les composantes alternatives vis-à-vis de la source d'énergie de commande 13, sont éga- lement connectées à l'inductance 11 a. Le numéro de référence 15 dési- gne la borne de sortie du circuit oscillateur. Dans une telle structure, l'élément à capacité variable 30 utilise le phénomène selon lequel la capacité créée entre la couche de base 9 et la couche de collecteur 8 qui forment la jonction PN varie en correspondance avec la variation de la tension de la source d'énergie de commande 13 (voir par exemple la Demande de Brevet du Japon ouverte à l'examen du public n 2000-124473). Le dispositif à semiconducteur classique est constitué de la manière décrite ci-dessus, et utilise pour l'élément à capacité variable 30 la variation de capacité qui est produite entre la couche de base 9 et la couche de collecteur 8 de la diode à jonction PN. Cependant, dans ce cas, lorsqu'une tension de sens direct est appliquée à la diode à jonction PN décrite ci-dessus, la couche de déplétion qui est générée à partir de la couche de base 9 en direction de la couche de contact 7 se rétrécit. Par conséquent, la région de collecteur, qui s'étend à partir de l'extrémité inférieure de la couche de déplétion jusqu'à la couche de contact 7, s'étend sur la figure 3C. De ce fait, la composante résistive 18, représentée sur la figure 3D, qui est connectée en série avec la résistance 16 et la composante capacitive du condensateur 17 de la diode, augmente, et la valeur Q du circuit résonnant est diminuée. Par conséquent, la carac- téristique de bruit du circuit oscillateur commandé par tension est dégradée. Le but de la présente invention est de résoudre le problème décrit cidessus, et de procurer un dispositif à semiconducteur qui soit ca- pable de former un circuit oscillateur commandé par tension ayant un élément à capacité variable 30, utilisant une jonction PN, présentant une faible composante résistive connectée en série à la composante capacitive sur un substrat semiconducteur 6 qui est le même que celui d'un transistor bipolaire 10. La présente invention procure un dispositif à semiconducteur ayant un circuit oscillateur commandé par tension perfectionné. Le circuit oscillateur commandé par tension comprend une combinaison d'un élément à capacité variable et d'au moins un transistor bipolaire formés sur le même substrat semiconducteur. L'élément à capacité variable corn- prend une pluralité de jonctions PN connectées en série en sens inverse, et la pluralité de jonctions PN étant formée par une seule couche de collecteur commune et une pluralité de couches de base séparées formées sur la couche de collecteur commune. La capacité de l'élément à capacité variable est formée entre des couches de base respectives des jonctions PN avec la couche de collecteur commune, et elle varie en correspon- dance avec la tension appliquée à la couche de collecteur commune. Le dispositif à semiconducteur conforme à la présente invention est composé comme décrit ci-dessus, et la composante résistive dans la direction horizontale entre des couches de base respectives est diminuée. Il en résulte que la composante résistive série de l'élément à capacité variable est diminuée. Selon une variante de l'invention, l'élément à capacité variable a une électrode connectée à une couche de base prédéterminée parmi la pluralité de couches de base, et une autre électrode connectée aux cou- ches de base situées des deux côtés de la couche de base prédéterminée, et chacune de ces électrodes forme une structure en peigne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la descrip- tion se réfère aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1A est une vue en plan montrant la structure d'un élément à capacité variable dans un mode de réalisation de la présente invention; - la figure 1B est une coupe selon la ligne A-A sur la figure 1A, montrant la structure en vue de côté ; - la figure 1C est un circuit équivalent en petits signaux de l'élément à capacité variable dans le mode de réalisation de la présente invention; - la figure 1 D montre un exemple du circuit oscillateur corn- mandé par tension formé en combinant un élément à capacité variable du mode de réalisation et un transistor bipolaire NPN formés sur le même substrat semiconducteur, dans le mode de réalisation de la présente invention; - la figure 2A est une représentation graphique montrant l'as- pect du changement de la composante résistive connectée en série à la composante capacitive entre les bases, conformément au mode de réalisation de la présente invention, en comparaison avec l'aspect du changement de la composante résistive connectée en série à la composante capacitive dans une diode à jonction PN classique; - la figure 2B est une représentation graphique montrant les caractéristiques de bruit de phase d'un circuit oscillateur clommandé par tension utilisant un élément à capacité variable dans le mode de réalisation de la présente invention, en comparaison avec les caractéristiques de bruit de phase d'un circuit oscillateur commandé par tension ayant un élément à capacité variable dans une diode à jonction PN classique; - la figure 3A montre un exemple d'un circuit oscillateur commandé par tension classique formé en combinant un transistor bipolaire et un élément à capacité variable formés sur un même substrat semi-conducteur; - la figure 3B est une vue en plan montrant la structure d'un élément à capacité variable entouré par des lignes en pointillés sur la figure 3A; - la figure 3C est une coupe selon la ligne B-B sur la figure 3B, montrant la structure en vue de côté ; - la figure 3D est un circuit équivalent en petits signaux de l'élément à capacité variable. On décrira ci-dessous un mode de réalisation préféré de la pré-sente invention en se référant aux dessins. La figure 1A est une vue en plan montrant la structure d'un élément à capacité variable dans le mode de réalisation; la figure 1B est une coupe selon la ligne A-A sur la figure 1A montrant la structure en vue de côté; la figure 1C est un circuit équivalent en petits signaux de l'élément à capacité variable; et la figure 1 D montre un exemple du circuit oscillateur commandé par tension formé en combinant un élément à capacité variable du mode de réalisation et un transistor bipolaire NPN formés sur le même substrat conducteur. La caractéristique de ce mode de réalisation consiste en ce qu'au moins deux couches de base électriquement isolées, semblables à des îlots, sont formées sur une seule couche de collecteur pour former au moins deux diodes à jonction PN utilisant des couches de semiconduc- teur formant un transistor bipolaire; des diodes à jonction PN respectives sont connectées en série en sens inverse à travers une couche de collecteur commune; et un élément à capacité variable est constitué en utilisant un phénomène selon lequel la capacité produite entre au moins deux bornes de base des diodes à jonction PN varie en correspondance avec la variation de la source d'énergie de commande qui applique une tension à la couche de collecteur commune. Comme le montre la figure 1B, une couche N+ 7 est formée comme un contact sur un substrat semiconducteur semi-isolant 6. Une couche N 8 et une pluralité de couches P 9 électriquement isolées sont 25 formées par dessus pour former une pluralité de diodes à jonction PN connectées en série en sens inverse. La couche N 8 et les couches P 9 correspondent à une couche de collecteur et une couche de base parmi les couches NPN pour un transistor. Sur chaque couche de base 9 des diodes à jonction PN, chaque électrode 1 est formée, et des métallisa-30 tions 3 et des métallisations de connexion 4 sont formées en alternance sur les électrodes 1, comme le montre la figure 1A, pour former des élec- trodes imbriquées de manière alternée, avec une configuration en peigne. Les électrodes 2 de la couche de collecteur 8 sont formées sur la couche de contact 7, et des métallisations 5 pour connecter les élec-35 trodes 2 à d'autres éléments de circuit sont formées sur les deux côtés 2872959 6 de la couche de collecteur 8; et les métallisations 5 sont connectées mutuellement, et des bobines d'arrêt 14a et une source d'énergie de commande 13 sont connectées à cette partie comme représenté sur la figure 1 D. En outre, d'autres éléments de circuit représentés sur la figure 1 D sont montés sur le substrat semiconducteur 6 pour former un circuit oscillateur commandé par tension. De façon spécifique, un condensateur 12 pour isoler des composantes continues vis-à-vis de circuits externes est connecté à la base d'un transistor bipolaire NPN 10 qui forme la par- tie active du circuit oscillateur, et chaque inductance 11 a et 11 b qui dé-termine le niveau de rétroaction pour le transistor bipolaire est connectée au condensateur 12 et à l'émetteur du transistor bipolaire 10. Du fait que la structure de base du circuit oscillateur commandé par tension est similaire au circuit représenté sur la figure 3A, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes numéros de référence, et leur description est omise; cependant, les aspects qui diffèrent sur la figure 1A consistent en ce que l'élément à capacité variable 31 est formé par une multiplicité de diodes à jonction PN connectées en série et en in- verse, décrites en relation avec les figures 1A et 1B, et en ce que les métallisations 3 et les bobines d'arrêt 14b sont connectées à l'inductance 11 a connectée au côté de base du transistor bipolaire 10, tomme représenté sur la figure ID. Sur la figure 1C, le numéro de référence 16 désigne une composante résistive de la diode à jonction PN; 17 désigne la, composante capacitive de la même diode à jonction PN; 18 désigne une composante résistive de la région de semiconducteur neutre dans la direction verticale, à partir de l'extrémité (extrémité inférieure) de la couche de déplétion jusqu'à la couche de contact 7, qui est formée à partir du côté de la couche de base 9 en direction de la couche de contact 7 sur la figure I B. La région de semiconducteur neutre s'étend à partir de l'extrémité de la couche de déplétion jusqu'à la couche de contact 7 de la diode à jonction PN, et le numéro de référence 19 désigne une composante résistive de la région de semiconducteur neutre dans la direction horizontale. Ainsi, la composante résistive est inversement proportionnelle à l'aire de section droite de la couche de collecteur 8 connectée aux métallisations 3 et 4, c'est-à- dire au produit de "la distance à partir de l'extrémité de la couche de déplétion jusqu'à la couche de contact 7" et de "la longueur de l'électrode 1 dans la direction verticale" sur la représentation de la figure 1A. Le numéro de référence 20 désigne la résistance de la couche de contact 7; et 21 désigne la résistance de contact de l'électrode de collecteur 2. La figure 2A montre une représentation graphique comparant l'aspect du changement de la composante résistive connectée en série à la composante capacitive entre les métallisations de base 3 et 4 lorsque les métallisations de base 3 et 4 sont mises à la masse, et une tension de la source d'énergie de commande 13 est appliquée à la métallisation de collecteur 5, avec l'aspect du changement de la composante résistive connectée en série à la composante capacitive lorsque cette dernière est formée par une diode à jonction PN classique. On voit qu'en comparaison avec l'élément à capacité variable classique, 30, utilisant la diode à jonction PN, l'élément à capacité variable 31 de ce mode de réalisation a une plus faible dépendance, vis-à-vis de la tension de commande, de la composante résistive connectée en série à la composante capacitive. Ceci vient du fait que dans l'élément à capacité variable classique 30 utilisant la diode à jonction PN, la largeur de la couche de déplétion se rétrécit dans la direction verticale sur la figure 3C lorsqu'une polarisation de sens direct est appliquée entre la couche de base 9 et la couche de collecteur 8, et la composante résistive 18 dans la direction verticale à partir de l'extrémité de la couche de déplétion de la jonction PN jusqu'à la couche de contact 7 augmente, comme on le voit sur la figure 3D, ce qui fait que la composante résistive 18 connectée en série au condensateur est augmentée. Dans l'élément à capacité variable 31 dans le mode de réalisation présent, les couches de collecteur de type N 8 et les couches de contact de collecteur de type N+ 7 des deux diodes à jonction PN, ou plus, sont communes. La largeur de la couche de déplétion se rétrécit dans la direction verticale sur la figure 1B lorsqu'une polarisation de sens direct est appliquée entre la couche de base 9 et la couche de collecteur 8, et la composante résistive 18 dans la direction verticale de la région de semiconducteur neutre, à partir de l'extrémité de la couche de déplétion jusqu'à la couche de contact 7 de la jonction PN, est augmentée de façon similaire à l'élément à capaci- té variable classique. Cependant, du fait que la composante résistive 19 dans la direction horizontale entre les métallisations 3 et 4 est inverse- ment proportionnelle à l'aire de section droite déterminée par le produit de "la distance à partir de l'extrémité de la couche de déplétion jusqu'à la couche de contact 7" et de "la longueur de l'électrode 1 dans la direction verticale sur la figure 1A", l'aire de section droite définie ci-dessus s'étend lorsque la largeur de la couche de déplétion se rétrécit. Ceci conduit à une diminution de la composante résistive 19, et à la réduction de la dépendance de la composante résistive série vis-à- vis de la tension de commande. Cet effet utilise une diminution de la composante résistive 19 dans la direction horizontale. Par conséquent, si les électrodes 1 des couches de base 9 en regard, ayant une forme de peigne, sont disposées comme représenté sur la figure 1A, et les électrodes 2 de la couche de collecteur 8 sont disposées des deux côtés comme représenté sur la figure 1A, de façon à augmenter la largeur des couches de base 9 (la longueur de l'électrode 1 dans la direction verticale sur la figure 1A), ou bien si la largeur dans les directions en regard de deux ou plus des couches de base 9 (métallisations 3 et 4) produisant une capacité, comme représenté dans la coupe de la figure 1B, est diminuée, la 'résistance 19 dans la direction horizontale peut alors être effectivement réduite. La figure 2B montre une représentation graphique comparant les caractéristiques de bruit de phase d'un circuit oscillateur commandé par tension utilisant un élément à capacité variable 31 dans le mode de réalisation présent, avec les caractéristiques de bruit de phase d'un circuit oscillateur commandé par tension ayant un élément à capacité variable 30 utilisant la variation de capacité entre l'anode et la cathode, obtenue en appliquant une tension à une diode à jonction PN classique. On voit d'après cette représentation graphique que les caractéristiques de bruit du circuit oscillateur commandé par tension utilisant un élément à capacité variable 31 dans le mode de réalisation présent sont supérieures à celles du circuit utilisant l'élément à capacité base - collecteur 30 classique. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on montre un 35 exemple du circuit oscillateur du type à rétroaction, dans lequel un élé- ment à capacité variable 31 est connecté à la borne de base d'un transistor bipolaire 10. Selon une variante, l'élément à capacité variable 31 peut être connecté directement à la borne de collecteur ou à la borne d'émetteur du transistor bipolaire 10. En outre, on peut obtenir un circuit oscil- lateur du type à rétroaction parallèle dans lequel l'élément à capacité variable 31 est connecté entre deux quelconques des bornes d'émetteur, de base et de collecteur du transistor bipolaire 10. On peut attendre de ces variantes la même action et le même effet. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on montre un exemple dans lequel une bobine d'arrêt 14a est utilisée comme un élément pour isoler des composantes alternatives vis-à-vis de la source d'énergie de commande 13. Il apparaîtra de façon évidente qu'on peut utiliser une résistance comme un élément pour isoler des composantes alternatives vis-à-vis de la source d'énergie de commande 13. Le mode de réalisation présent est constitué comme décrit ci-dessus, et un élément à capacité variable ayant une faible composante résistive parasite peut être réalisé en utilisant une structure de transistor bipolaire. En combinant l'élément à capacité variable et le transistor bipolaire sur le même substrat semiconducteur, on peut obtenir un circuit oscillateur commandé par tension ayant un faible bruit. Il est évident que de nombreux changements et modifications de la présente invention sont possibles à la lumière de ce qui est exposé ci- dessus. Il faut donc noter que, dans le cadre des revendications annexées, l'invention peut être mise pratique autrement que de la manière décrite de façon spécifique. REVENDICATIONS 1. Dispositif à semiconducteur ayant un circuit oscillateur commandé par tension, ledit circuit oscillateur commandé par tension comprenant, en combinaison, un élément à capacité variable (31) et au moins un transistor bipolaire (10) formés sur un même substrat semiconducteur (6); caractérisé en ce que ledit élément à capacité variable (31) comprend une pluralité de jonctions PN connectées en série en sens inverse; la pluralité de jonctions PN étant formée par une seule couche de collecteur (8) commune et une pluralité de couches de base (9) séparées, for- mées sur la couche de collecteur (8) commune; et la capacité de l'élément à capacité variable (31) étant formée entre des couches de base (9) respectives des jonctions PN avec la couche de collecteur (8) commune, cette capacité variant en correspondance avec la tension appliquée à la couche de collecteur (8) commune. 2. Dispositif à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément à capacité variable (31) a une électrode (3) connectée à une couche de base (9) prédéterminée parmi la pluralité de couches de base, et une autre électrode (4) connectée aux couches de base situées des deux côtés de la couche de base (9) prédéterminée, et chacune de ces électrodes forme une structure en peigne.