(57)【要約】【課題】電圧Ｖｃで制御可能なキャパシタ素子を提供する。【解決手段】少なくとも、ひとつの第１アーマチュア（Ｌ）とひとつの第２アーマチュア（Ｒ）とを有し、該アーマチュアは絶縁層（Ｄ）により分離され、該絶縁層は相互に分離された導電集合体をふくむ。共振回路におけるキャパシタに使用される。【選択図】図５
2004514283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともひとつの第１アーマチュア（Ｌ）とひとつの第２アーマチュア（Ｒ）を有し電圧Ｖｃにより制御可能な可変キャパシタンス素子において、
前記アーマチュアは相互に分離された導電集合体をふくむ絶縁層（Ｄ）により分離される、可変キャパシタンス装置。
【請求項２】
前記アーマチュア（Ｌ）と（Ｒ）は距離ｄだけ分離され、集合体から近い方のアーマチュアまでの距離ｄＬは１＜（ｄＬ／ｄＲ）＜１０、ここでｄ＝ｄＬ＋ｄＲ、である請求項１記載のキャパシタンス装置。
【請求項３】
前記集合体が２次元平面に分布する請求項１記載のキャパシタンス装置。
【請求項４】
前記集合体が周期的間隔で複数の２次元平面に分布し、集合体から第１アーマチュア（Ｌ）にもっとも近い平面までの距離ｄＬは１＜（ｄＬ／ｄＲ）＜１０、であり、ここでｄ＝ｄＬ＋ｄＲ、ｄＲはひとつの集合体から第２アーマチュアまでの距離である、請求項１記載のキャパシタンス装置。
【請求項５】
前記絶縁体が少なくとも２つの異なる性質の誘電体から形成され、前記集合体が２つの近傍の誘電体を分離するインターフェースに分布する、前記各請求項のいずれかひとつに記載のキャパシタンス装置。
【請求項６】
前記誘電体が２つの材料ＤＲとＤＬで形成され、各々の誘電定数をεＲとεＬとするとき、比εＲ／εＬの値がスレッシュホールド電圧に関連して選択され、該スレッシュホールド電圧は好ましくは２−３百ミリボルト又は１Ｖのオーダである、前記各請求項のいずれかひとつに記載のキャパシタンス装置。
【請求項７】
前記絶縁体はアルミナ又はＳｉＯ２，ＴｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＢＮ，ＭｇＯ，Ｔａ２Ｏ５から単独又は組合せて選択される前記各請求項のいずれかひとつに記載のキャパシタンス装置。
【請求項８】
請求項１−７のひとつの特性を具備するキャパシタ。
【請求項９】
誘電体（Ｄ）により分離される少なくとも２つのアーマチュア（Ｌ）及び（Ｒ）を有し、適応装置（Ｇ）の出力である制御電圧（Ｖｃ）により充電又は放電される複数の集合体が前記誘電体にもうけられる、少なくともひとつのキャパシタを有する共振回路。
【請求項１０】
印加される制御電圧がＤＣ電圧である請求項９記載の回路。
【請求項１１】
前記制御電圧はキャパシタンスの次の相対変化を得るように選択され、
【数１】
2004514283.tif 000018
ここで
【数２】
2004514283.tif 000019
ここでＮは集合体に荷電される電荷の平均量、ＮＩＳは集合体の単位面積当たりの密度、Ｓｃは集合体の平均の面積、ρは集合体のサイズの正規化された分布、である請求項９又は１０の一方に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はクーロンブロック現象の使用により制御される可変キャパシタのごとき容量装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クーロンブロック現象は導体又は半導体集合体に電荷が累積され、環境から絶縁されトンネル効果によりわずかに環境に結合するときに起る。特に、この現象は絶縁マトリクスＤで分離された２つの金属アーマチュアＬ，Ｒで構成される金属−絶縁体−金属に特徴づけられ、上記マトリクスには小さな金属の粒子又は集合体、代表的には２−３ナノメータのサイズ、が分散される。図１はこの構造の断面を示す。クーロンブロックははじめに２つのアーマチュアＬ，Ｒつまり電極の間の、電圧スレッシュホールドＶｓ以下でのゼロコンダクタンスにより観測される。それは単に克服されるべき静電エネルギーをあらわし、電子を中央の集合体を介して通過させ、従って電流を一方のアーマチュアから他方に循環させる。
【０００３】
図２は、キャパシタのアーマチュアに印加されるスレッシュホールド電圧Ｖｓの関数として、与えられた電圧に対して、集合体により受容される荷電体Ｎを示す。与えられたエネルギースレッシュホールドに対し、集合体の電荷はＮｅから（Ｎ＋１）ｅまで１ユニットだけ増加し、これは一連の一定部分とステップによるトンネル接合のＩ（Ｖ）特性にみられ、ステップはＶｓの単位での一定間隔の電圧に対応する。
【０００４】
上記ブロック効果は低温で記述されるが、周囲温度で動作する装置に対しては熱活性エネルギー（３００ＫでｋＴ＝２５ｍｅＶ）により重みづけされなければならない。
【０００５】
従来、可変半導体型制御のキャパシタがあるが、比較的大きなリーク抵抗の欠点がある。リーク抵抗はキャパシタの円滑な動作に害があり、例えばＱ値が劣化する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、例えばＤＣ電圧を使用した電圧制御可変キャパシタのごときキャパシタ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の概念はキャパシタの集合体と各アーマチュアに蓄積される電荷の量を電位差により制御することにある。キャパシタはアーマチュアに蓄積される電荷の量と結果として変調される電圧の比と考えることができる。
【０００８】
本発明の目的は少なくともひとつの第１アーマチュアＬと第２アーマチュアＲを有し、電圧Ｖｃで制御される可変キャパシタ装置に関する。その特徴は前記アーマチュアが絶縁層により分離され、該絶縁層は相互に分離された多数の導電集合体を有することにある。
【０００９】
ひとつの実施例によると、アーマチュアＬとＲは例えば距離ｄだけ分離され、ひとつの集合体から第１アーマチュア、例えば直近の、長さｄＬは１＜（ｄＬ／ｄＲ）＜１０を満足し、ここにｄ＝ｄＬ＋ｄＲであり、ｄＲはひとつの集合体から第２アーマチュアまでの距離である。
【００１０】
集合体は、１又は複数の２次元平面に所定間隔で分布し、アーマチュアに近い平面のひとつの集合体からアーマチュアまでの距離ｄＬは１＜（ｄＬ／ｄＲ）＜１０を満足し、ここにｄ＝ｄＬ＋ｄＲである。
【００１１】
例えば、絶縁体は異なる性質の少なくとも２つの誘電体で構成され、集合体は２つの誘電体を分離するインターフェースに分布する。
【００１２】
絶縁体は誘電定数εＲとεＬの２つの材料ＤＲとＤＬから形成され、比εＲ／εＬの値は例えばスレッシュホールド電圧の関数として選択され、好ましくはスレッシュホールド電圧は２００−３００ｍＶのオーダ又は１Ｖのオーダに等しい。
【００１３】
絶縁体はアルミナ、又はＳｉＯ２，ＴｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＢＮ，ＭｇＯ，Ｔａ２Ｏ５を単独に又は組合せて選択される絶縁体である。
【００１４】
本発明は又少なくともひとつのキャパシタを有する共振回路に関し、該キャパシタは誘電体（Ｄ）で分離された少なくとも２つのアーマチュア（Ｌ）と（Ｒ）を有し、該誘電体はジェネレータから出力される制御電圧（Ｖｃ）の効果のもとで充電又は放電することのできる多数の集合体を有する。
【００１５】
例えば、印加される制御電圧はＤＣ電圧である。
【００１６】
ひとつの実施例によると、制御電圧の値は下記の相対キャパシタンスにおける変化を与えるように選択される。
【００１７】
【数３】
2004514283.tif 000003
ここで
【数４】
2004514283.tif 000004
Ｎｉ；集合体の平均電荷量
ＮＩＳ；単位面積当たりの集合体の密度
Ｓｃ；集合体の平均面積
ρ；集合体の大きさの正常分布
特に、本発明はキャパシタが電圧制御され、従って必要な動作範囲に適応するキャパシタ素子を提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１のキャパシタ素子は本発明によるキャパシタの構造を示す。このキャパシタの構造は、絶縁層Ｄつまり厚さｄの誘電体により分離される、第１金属アーマチュアＬと第２金属アーマチュアＲとを有する。
【００１９】
誘電体Ｄは相互に絶縁された導電性集合体Ｉをふくむ。例えば、集合体は金属又は半導体材料で構成され、荷電粒子例えば電子が累積されるサイトを形成する。集合体の電荷はその静電電位Ｖｓに依存する。この電荷は制御電圧（図３）の印加により変化する。
【００２０】
集合体の大きさは十分に小さく、２−３ｎｍ（ナノメータ）のオーダであり、熱活性項がスレッシュホールドエネルギーより大幅に低く、クーロンブロックが周囲温度及びより高い温度で観測される。
【００２１】
誘電体に分布する集合体は大きさにある広がりを有する。単一分散集合体の使用はキャパシタンスの変調がないことを意味する。集合体の大きさの分散は、与えられた幅Ｉａ、例えば分布曲線の中央高さで測ったもの、により特徴づけられる。
【００２２】
図３はスレッシュホールド電圧Ｖｓの値の関数として正規化された集合体の分布曲線を示す。集合体はこの値Ｖｓのまわりで、［−Ｖｐ＋Ｖｃ，Ｖｃ＋Ｖｐ］に対応する電圧範囲で、キャパシタに印加される振幅Ｖｐの外部サイン信号の１周期の間に、充放電される。
【００２３】
例えば、集合体は三次元構造の誘電体の中に一様に分布する。
【００２４】
本発明の枠組を外れることなく、集合体は図５と図６の配置に従って２次元平面に分布することができる。
【００２５】
図４は共振回路を示し、抵抗Ｒと本発明によるキャパシタＣを有し、ＤＣ電圧Ｖｃを出力するジェネレータＧに接続される。この制御電圧Ｖｃはサイン変調Ｖｐに重畳される。電圧Ｖｃは、特に、キャパシタＣの変化に参加する集合体の数を決定する。
【００２６】
本発明の枠組を外れることなく、本発明による特徴のひとつを具備するキャパシタは、キャパシタと並列のインダクタンスを有する終端回路又はより複雑な周知の共振回路に集積化することができる。
【００２７】
下記の記述は、制御電圧の関数として、キャパシタの変化つまり変調を記述する。
【００２８】
図５に示すキャパシタ構造が、非限定的に、図示の目的で用いられる。
【００２９】
図５のキャパシタにおいて、誘電体Ｄは、相互に異なる誘電定数εＬとεＲの２つの材料から構成される。例えば、集合体は距離《ａ》だけ分離され、２次元表面、例えば２つの誘電体の境界でアーマチュア（Ｌ）からの距離がｄＬでアーマチュア（Ｒ）からの距離がｄＲの平面に分布する。集合体は２つのアーマチュアに静電的影響をもつ。このとき、左のアーマチュアＬと集合体Ｉの間の電子の伝達を考えると、集合体の表面に追加の電荷を与えるために供給されるエネルギーに対応するスレッシュホールド電圧は下記の関係で与えられる。
【００３０】
【数５】
2004514283.tif 000005
ここで
ＶＬ／Ｉは集合体と左のアーマチュアの間の電圧、
ＶＩ／Ｒは集合体と右のアーマチュアの間の電圧、
ＣＲ／ＩとＣＬ／Ｉは集合体と集合体表面全体の間の相互キャパシタンス、
ｃＲ／ＩとｃＬ／Ｉは集合体のひとつとアーマチュアＬ又はＲの一方との間のキャパシタンスである。
【００３１】
集合体に蓄積される電荷の存在のもとで２つのアーマチュアの間の全キャパシタンスの決定
各アーマチュアＬ及びＲに蓄積される電荷の量は、中央の集合体に例えばアーマチュアＬから発生して、蓄積される電荷ＱＩが存在するとき、ＱＬ，ＱＲ，ＱＩの関係により与えられる。
【００３２】
【数６】
2004514283.tif 000006
ここでＶは２つのアーマチュアの端子に印加される電圧である。
【００３３】
電子の伝達が左のアーマチュアと集合体の間でのみ起こると、クーロンブロック効果を考慮してキャパシタンスは次のように書ける。
【００３４】
【数７】
2004514283.tif 000007
つまり
【数８】
2004514283.tif 000008
ここでＮＩは荷電された集合体の数である。
【００３５】
式［４］に従って、キャパシタンスの相対変化は次に等しい。
【００３６】
【数９】
2004514283.tif 000009
ここでＣ０Ｌ，Ｒは誘電体に集合体が存在しないときのアーマチュアの間のキャパシタンスの値である。
【００３７】
従って、キャパシタンスの変化は、荷電された集合体の数に依存し、スレッシュホールド電圧を超える連続電圧を印加することにより変化させることができる。
【００３８】
可変電圧キャパシタ
集合体平面全体と、アーマチュアＬ，Ｒの各々との間の相互キャパシタンスは、第１近似として次にように書ける。
【００３９】
【数１０】
2004514283.tif 000010
ここでＳはアーマチュアの表面積で、２つのアーマチュアＬとＲは同一の表面積をもつものとする。
【００４０】
アーマチュアと与えられた粒子ＣＬ／Ｉ及びＣＲ／Ｉの間の相互キャパシタンスは、全表面積Ｓをアーマチュアに対向する粒子の実効面積で置きかえることにより得られる。
【００４１】
式［１］から、スレッシュホールド電圧Ｖｓは粒子の面積の関数として例えば次のようになる。
【００４２】
【数１１】
2004514283.tif 000011
従って、与えられた制御電圧Ｖｃで、電荷が変化することのできる集合体の対応する面積は
【数１２】
2004514283.tif 000012
ここでｄＲは集合体から図の右のアーマチュアＲまでの距離、Ｎは与えられた電圧Ｖｃでの集合体の初期電荷である。
【００４３】
電圧の間隔［Ｖｃ−Ｖｐ；Ｖｃ＋Ｖｐ］の範囲内で、変調信号Ｖｐの１周期内で連続的に充電及び放電する接合は、粒子の面積Ｓｃが次の間にある接合である。
【００４４】
【数１３】
2004514283.tif 000013
これは集合体の次式に等しい表面積Δｓｃの範囲に対応する。
【００４５】
【数１４】
2004514283.tif 000014
ρ（ｓ）を面積ｓの集合体の正規化された分布として、面積がｓとｓ＋Δｓの間の粒子の数は次に等しい。
【００４６】
ＮＩＳＳρ（ｓ）Δｓ　　　　　　　［１０］
ここでＮＩＳは単位面積当たりの集合体の数、Ｓはキャパシタの全面積である。
【００４７】
従って、荷電される集合体の数は次に等しい。
【００４８】
【数１５】
2004514283.tif 000015
そして、キャパシタンスの相対変化は次の式を用いて表される。
【００４９】
【数１６】
2004514283.tif 000016
ここで
【数１７】
2004514283.tif 000017
式［１２］と［１３］は、制御電圧Ｖｃ、集合体の密度、及びその大きさの分散の関数として、キャパシタンスの変化を表す。キャパシタンスの変調はみかけのカバーレート、ＮＩＳ＊ｓｃ、及びｓ＝ｓｃに対して用いられる分布値ρ（ｓ）に依存する。
【００５０】
キャパシタの特性パラメータ
可変キャパシタの３つの主な特性は、変調振幅と、好ましい電圧範囲（動作が必要とされる）に対応する制御電圧の程度、及びリーク抵抗である。
【００５１】
これらの種々の特性を最適化するようにいくつかのパラメータ、特に、誘電体Ｄの性質と形状、及び集合体サイズの分布幅が選択される。
【００５２】
２つのアーマチュアの間の誘電体の厚さ
集合体をキャパシタの右のアーマチュアから分離する距離ｄＲはできるだけ大きくしてトンネル効果によるリーク電子を阻止又は最小にする。
【００５３】
好ましくは、比ｄＲ／ｄＬの値は［１，１０］の範囲にある。特に、この範囲はキャパシタを通すリーク電流を制限し、従って、Ｑファクタを改善し、このキャパシタを用いる電子回路の通過帯域を改善する。
【００５４】
誘電定数
異なる誘電定数のいくつかの誘電材料から構成される誘電体に対し、キャパシタの変調の振幅は誘電定数の値の比に従って、直線的に変化する。
【００５５】
例えば、誘電定数の比を適切に選択した２つの材料、例えばεＲ／εＬが１より大、から構成される障壁を作ることは、固定制御電圧に対し集合体の静電電位を人工的に増加させる手段である。これは、誘電定数に関し、観測される変調の対応する増加を創造する。同時に、この効果は変調電圧とその変化範囲の減少をもたらす。
【００５６】
誘電定数が８のアルミナで、集合体のサイズが１ナノメータのオーダで、距離ｄＬが１ｎｍに近い場合、得られるスレッシュホールド電圧の値は２〜３百ｍＶ又は１Ｖのオーダである。
【００５７】
誘電材料の選択
１又は複数の絶縁材料から構成される誘電体は、ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＢＮ，ＭｇＯ，Ｔａ２Ｏ５から単独に又は組合せて選択することができる。
【００５８】
集合体サイズの分布の幅
式［１２］と［１８］から、キャパシタの変調振幅は分布の幅に反比例し、一方、変調が作用する電圧の範囲は分布の幅と共に増加する。一般に、分布の幅は、変調振幅を最大にし、アクセスされる制御電圧の範囲を最小にするように選択される。
【００５９】
集合体のサイズの分布が広くないときは、観測されるキャパシタンスの変調は分布と類似する形状の関数により記述される。
【００６０】
特に、障壁の厚さｄＬを小さくすること又は低い障壁高さの絶縁体Ｌを用いることは、可変キャパシタの周波数レスポンスを限定しないための手段である。その理由は周波数レスポンスは左のアーマチュアから集合体への電子の伝播時間で決まるからである。
【００６１】
図６は集合体Ｉ（ｉ）がいくつかの等間隔の面（距離ｂ）に分布するキャパシタの断面とその関連する電気ダイアグラム、及び等価回路を示す。
【００６２】
このタイプの構造は誘電体に存在する集合体の数に比例して変調効果を増加させる。しかし、この効果は２つの連続する集合体平面の間の電圧降下によって重み付けされなければならない。例えば、この特性は変調を大きく増加させる欠点があるが制御電圧範囲を増加させるために使用される。
【００６３】
より一般的には、平面の間の距離、誘電定数及び集合体の密度の思慮ある選択により、変調振幅又は変化が印加される電圧スケールを増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるキャパシタの断面を示す。
【図２】
スレッシュホールド電圧の関数として集合体に受容される電荷の変化を示す。
【図３】
活性化された集合体つまり関与する集合体をスレッシュホールド電圧の関数として示す。
【図４】
本発明によるキャパシタを用いた共振回路を示す。
【図５】
２次元平面に分布する集合体をふくむキャパシタ構造の断面と該キャパシタの等価回路を示す。
【図６】
２次元平面に分布する集合体をふくむキャパシタ構造の断面と該キャパシタの等価回路を示す。
【符号の説明】
Ｄ　誘電圧
Ｌ　アーマチュア
Ｒ　アーマチュア
Ｉ　集合体
Ｖｓ　スレッシュホールド電圧
【図１】
2004514283.tif 000020
【図２】
2004514283.tif 000021
【図３】
2004514283.tif 000022
【図４】
2004514283.tif 000023
【図５】
2004514283.tif 000024
【図６】
2004514283.tif 000025
【国際公開パンフレット】
2004514283.tif 000026
2004514283.tif 000027
2004514283.tif 000028
2004514283.tif 000029
2004514283.tif 000030
2004514283.tif 000031
2004514283.tif 000032
2004514283.tif 000033
2004514283.tif 000034
2004514283.tif 000035
2004514283.tif 000036
2004514283.tif 000037
2004514283.tif 000038
2004514283.tif 000039
2004514283.tif 000040
2004514283.tif 000041
2004514283.tif 000042
2004514283.tif 000043
2004514283.tif 000044
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004514283.tif 000045
2004514283.tif 000046
【国際調査報告】
2004514283.tif 000047
2004514283.tif 000048
2004514283.tif 000049
2004514283.tif 000050