WO2003098701A1 - Semiconductor varactor and oscillating circuit constructed using the same - Google Patents

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WO2003098701A1
WO2003098701A1 PCT/EP2003/005132 EP0305132W WO03098701A1 WO 2003098701 A1 WO2003098701 A1 WO 2003098701A1 EP 0305132 W EP0305132 W EP 0305132W WO 03098701 A1 WO03098701 A1 WO 03098701A1
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semiconductor
varactor
varactor according
voltage
semiconductor varactor
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PCT/EP2003/005132
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Wolfgang Winkler
Karl-Ernst Ehwald
Bernd Heinemann
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Ihp Gmbh-Innovations For High Performance Microelectronics / Institut Für Innovative Mikroelektronik
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    • H01L29/94—Metal-insulator-semiconductors, e.g. MOS

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor varactor and an oscillator constructed therewith, in particular for use in high-frequency circuits.
  • a varactor is a voltage-controlled capacitor in which the capacitance between two capacitor electrodes can be adjusted by the value of an applied DC voltage.
  • a simply constructed varactor can be implemented using a diode, for example.
  • a diode is typically constructed from an N-type semiconductor material, that is to say a semiconductor material in which electrons are present as charge carriers, and a P-type semiconductor material, a semiconductor material with holes as charge carriers.
  • N-type semiconductor material that is to say a semiconductor material in which electrons are present as charge carriers
  • P-type semiconductor material a semiconductor material with holes as charge carriers.
  • Holes can move in the semiconductor by replacing the missing electron of an atom with an electron from a neighboring atom, which means that an electron is missing from the neighboring atom, i.e. the hole has moved to the neighboring atom.
  • the PN junction At the transition between the N-type and the P-type material, the PN junction, electrons diffuse from the N-type material into the P-type material and holes from the P-type material into the N-type material. This creates a zone depleted of charge carriers at the transition, the so-called depletion zone, which creates a negative charge on the side of the P-conducting material (through the diffusion of the holes, positive charge is removed from the electrically neutral P-conducting material) and on On the side of the N-conducting material has a positive charge (the diffusion of the electrons removes the negative charge from the electrically neutral N-conducting material).
  • the PN junction therefore provides storage for separate charges, i.e. a capacitor. The capacitance of the capacitor depends on the width of the depletion zone.
  • varactors can also be used as MOS
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • a gate electrode which serves as a first capacitor electrode
  • a doped semiconductor region ie one a dielectric provided with foreign atoms leading to the N line or to the P line of the semiconductor material (N doping or P doping)
  • the capacitance of the capacitor can be varied by applying a DC voltage, as will be described below.
  • Fig. 1 shows a MOS varactor according to the prior art, as described for example in US 6100770.
  • the MOS varactor comprises a gate electrode 1 as the first capacitor electrode and an N-type semiconductor region 3, hereinafter referred to as N-type well 3, which is formed in a P-type substrate 5 and represents the second capacitor electrode.
  • a dielectric 6, for example an oxide layer, is arranged between the gate electrode 1 and the trough 3.
  • N-well 3 two further parallel and highly N-doped (N + -doped) semiconductor regions, namely the source / drain regions 7 and 9, are formed, which have a common connection 11.
  • the common connection 11 serves as a signal electrode for the capacitor electrode formed from the N-well 3.
  • the signal connection of the gate electrode 1 as the other capacitor electrode is not shown in FIG. 1.
  • the gate electrode 1 forms a conventional capacitor together with the N-well 3 and the dielectric 6. If a constant potential is applied to the gate electrode 1, which is more negative than a constant potential applied to the N + regions, the gate electrode 1 charges negatively and the N well 3 positively.
  • the N-well 3 is charged by pushing electrons out of the area of the N-well 3 below the gate electrode 1, so that a layer 13 (depletion zone) depleted of charge carriers is created.
  • this depletion zone produces a further capacitance, the “depletion capacitance”, the value of which depends on the width of the depletion zone 13.
  • the capacitance of the varactor can be set by means of the potential difference, that is to say the voltage applied between the gate electrode 1 and the N-well 3.
  • the parallel connected N + regions 7, 9 are contacted via a connection 11 made of metal.
  • the contacting of the gate electrode 1 by means of a metallic conductor track takes place outside the active gate area, which cannot be seen in FIG. 1.
  • the reasons for this are that in most semiconductor technologies it is not possible to make contact in the gate region and that the metal of the conductor tracks of the connection 11 for the N + regions 7, 9 lies above the gate electrode 1.
  • the signal path of the varactor runs over two parallel branches from the gate electrode 1 via the N + regions 7 and 9.
  • the varactor has a high resistance due to the long path from the conductor connection of the gate electrode 1 to the active region of the gate electrode.
  • the quality of a varactor is defined as the quotient of the amount of the imaginary part and the real part of its frequency-dependent impedance.
  • the varactor should be of the highest possible quality in the frequency ranges in which the voltage-controlled oscillator is to be operated.
  • ISM bands ISM, Industrial, Scientific, Medi- cal
  • voltage-controlled oscillators with oscillation frequencies up to 23 GHz or 61.5 GHz are required.
  • the aim of the present invention is therefore to provide a varactor which has a high quality, particularly at high frequencies.
  • Another object of the invention is to provide a voltage-controlled oscillator which is particularly suitable for high-frequency vibrations.
  • the semiconductor varactor according to the invention comprises a first voltage-controlled capacitance and a second voltage-controlled capacitance connected in series with the first.
  • the two voltage-controlled capacitors each in turn comprise a signal electrode and a common semiconductor region, via which the voltage-controlled capacitors are connected in series.
  • the series connection of the voltage-controlled capacitors makes it possible to arrange the signal electrodes at a short distance from one another and thus to shorten the signal path as a whole. Since there are no parallel signal paths as in the prior art, the arrangement according to the invention dispenses with the electrode, which is arranged in the middle between the signal path branches and is common to both branches and prevents a reduction in the distance. With the shortening of the signal path, the resistance of the signal path and thus, particularly in the case of low-resistance external connections, the quality of the varactor can be increased in the varactor according to the invention.
  • the semiconductor region is designed as a control electrode with a control connection.
  • the Control connection makes it possible to separate the signal path from the control path of the varactor.
  • the control connection is advantageously arranged at a distance from the signal connections, so that it does not conflict with the reduction in the distance between the signal electrodes.
  • the signal electrodes are arranged laterally with a minimum distance from one another.
  • the minimum distance that can be achieved is determined by the technology used to manufacture the varactor. With the minimal distance between the signal electrodes, a signal path with a very low resistance can be realized.
  • the semiconductor varactor is preferably constructed laterally symmetrically. As a result, it can be installed in symmetrical oscillators without additional effort, without impairing their symmetry.
  • a further advantageous embodiment of the semiconductor varactor includes that the signal electrodes are arranged in a toothed manner.
  • the toothing allows the cross-sectional area of the signal path to be increased without increasing the area relevant to the capacity of the varactor, in particular if the toothing is fractal.
  • a P-doped suction electrode for suctioning holes can be present in the surface area of the semiconductor area at the edge of the signal electrodes.
  • the common semiconductor region is designed as a well, in particular as an N-doped well, in a substrate, in particular in a P-doped substrate, which simplifies the integration of the manufacture of the semiconductor varactor into common CMOS manufacturing processes.
  • This embodiment of the Semiconductor varactor which is also referred to below as the semiconductor varactor of the first type according to the invention, has a capacitance curve that typically does not decrease linearly with increasing (positive) control voltage.
  • the common semiconductor region is designed as a gate separated from the substrate by an insulator layer.
  • This embodiment which is also referred to below as the semiconductor type of the second type according to the invention, has a capacitance profile that is complementary to the first alternative.
  • the capacitance typically increases non-linearly with increasing positive control voltage.
  • two laterally adjacent doped well regions which are embedded in the substrate but are electrically separated by an insulator region, are preferably provided below the gate.
  • the semiconductor varactor of the second type preferably each has a highly doped region of the conductivity type of the wells embedded in the substrate below the signal electrodes. This highly doped region preferably extends laterally beyond the signal electrode to the edge of the gate.
  • the common gate is designed for connection to a control voltage. With increasing positive control voltage at the gate, the capacitance increases because an accumulation of charge carriers (electrons) occurs on the surface of the n-wells.
  • the capacitors of the semiconductor varactor according to the invention can be designed as PN junctions or as MOS capacitors.
  • a MOS capacitance is to be understood here as a capacitance in which a dielectric, for example a dielectric layer, is formed between a semiconductor layer and a metallic or semiconducting layer.
  • B. an oxide layer or another insulating layer is arranged.
  • the oscillator (resonant circuit) according to the invention comprises at least one semiconductor varactor according to the invention. By realizing the oscillator with the semiconductor varactor according to the invention, the quality of the oscillator can be improved due to the improved properties of the varactor, in particular at high vibration frequencies.
  • the variant in which a semiconductor varactor of the first type is used has the advantage over the variant with a semiconductor varactor of the second type that the series resistance is lower. A higher quality of the oscillator circuit can therefore be achieved.
  • the quality of the oscillator can be further increased by directly connecting the signal electrodes of the varactor according to the invention to one or more inductors of the oscillator.
  • both types of the semiconductor varactor according to the invention can also be used in combination.
  • a parallel connection of the two varactor types according to the invention in an oscillator circuit is preferred. Particular advantages are achieved if the control voltages are supplied in opposite directions, i.e. with the increase in the control voltage at the semiconductor varactor of the first type, the control voltage at the semiconductor varactor of the second type decreases at the same time. In total, an increase or decrease in the total capacity is achieved. With this differential control, you get lower noise levels and less phase noise in an oscillator.
  • Fig. 1 shows a varactor according to the prior art.
  • Fig. 2 shows schematically a section of Fig. 1 to explain the operation of the varactor.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for the varactor shown in FIG. 1, in which the parasitic components are shown.
  • Fig. 4 shows a first embodiment of the varactor according to the invention in vertical section.
  • FIG. 5 shows the top view of the varactor shown in FIG. 4.
  • FIG. 6 shows the top view of a second exemplary embodiment of the varactor according to the invention.
  • FIG. 7 shows the top view of a third exemplary embodiment of the varactor according to the invention.
  • FIG. 8 shows a resonant circuit with a varactor according to the invention.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of a fourth exemplary embodiment of the varactor according to the invention.
  • FIG. 10 shows a resonant circuit with a parallel connection of varactors according to the first and fourth exemplary embodiments
  • FIG. 11 shows a schematic diagram of the voltage dependency of the varactors of the first and fourth exemplary embodiments.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for a varactor according to the prior art to illustrate the parasitic elements.
  • the capacitance of the varactor is determined on the one hand by means of the dielectric 6 (see FIG. 1) formed conventional capacitance 21 and on the other hand determined by the capacitance 23 of the depletion layer 13 (depletion capacitance) (see FIG. 2).
  • the equivalent circuit diagram shows an example of the branch of the signal path that extends between the gate 1 and the N + region 7. However, the same equivalent circuit diagram would also result for the branch extending between the gate 1 and the N + region 9.
  • the gate electrode 1 and the N + region 7 have a parasitic gate resistor 25 and a parasitic channel resistor 27, respectively.
  • the parasitic gate resistance stems from the long distance between the active gate region and the metal contact of the gate electrode 1.
  • the parasitic channel resistance results from the distance between the two NT areas 7, 9. In principle, this distance could be reduced, but only if the width of the gate is reduced accordingly. However, a reduction in the gate width leads to an increase in the gate resistance 25, so that a significant reduction in the overall parasitic resistance is not possible.
  • a parasitic capacitance 29 acts between the gate electrode 1 and the common terminal 11 of the N + regions 7, 9, which largely surrounds the gate electrode 1 (see FIG. 1). Since the common terminal 11 in close to the gate electrode 1 and not in the area of the connection of the gate electrode 1, the parasitic capacitance 29 attacks in the equivalent circuit diagram between the parasitic gate resistor 25 and the conventional capacitance 21.
  • the parasitic capacitance 29 is therefore parallel to the series circuit comprising the conventional capacitance 21, the depletion capacitance 23 and the channel resistor 27. However, because the parasitic capacitance 29 is constant, it limits the capacitance swing.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of the varactor of the first type according to the invention in a cross-sectional view.
  • the varactor is one in one
  • N-doped substrate 101 formed N-doped well 103.
  • Lateral is the N-doped well 103 through field insulation regions, for example made of silicon oxide (SiO 2 ), limited.
  • SiO 2 silicon oxide
  • the area surrounded by the field insulation 104 represents the active varactor area Silicon oxide or silicon nitride, but other materials than insulator materials are also possible, for example praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ).
  • the insulation layer 105 separates a first gate electrode 107 and a second gate electrode 109 from the N-well 103.
  • the first Gate electrode 107 and second gate electrode 109 have a first signal connection 11 1 and a second signal connection 113.
  • the signal path of the varactor accordingly runs from one of the gate electrodes through N-well 103 to the other gate electrode.
  • I spoke of a signal flow direction which, according to the arbitrary definition in the paper plane of FIG. 4, should point parallel to the substrate surface from the signal connection 111 to the signal connection 113.
  • the varactor according to the invention has a control connection, which is not included in the cross-sectional view of FIG. 4, which is connected directly to the N-well 103 and via which the N-well 103 can be connected to a predetermined potential, so that between the N- Trough 103 and the gate electrodes 107, 109 a bias voltage is applied.
  • the control connection is shown, for example, in FIG. 5 under reference number 117.
  • a depletion zone can be formed in the N-well 103 below the gate electrodes 107 and 109, the extent of which determines the value of the controllable capacitance and which can be adjusted by the value of the bias voltage.
  • the depletion zones are shown in dashed lines in FIG. 4.
  • the varactor according to the invention can also have a P + -doped suction electrode (not shown in FIG. 4) for suctioning holes in the surface area of the N well 103 at the edge of the two gate electrodes 107, 109 exhibit.
  • a P + -doped suction electrode (not shown in FIG. 4) for suctioning holes in the surface area of the N well 103 at the edge of the two gate electrodes 107, 109 exhibit.
  • P + -doped suction electrode it can be ensured that no holes accumulate on the surface of the depletion zone, which could restrict the capacity increase.
  • Both gate electrodes 107, 109 can also each be provided with their own suction electrodes.
  • the first controllable capacitance is formed between the N-well 103 and the first gate electrode 107, whereas the second controllable capacitance is formed between the N-well 103 and the second gate electrode 109.
  • the control path to control capacity i.e. for applying a bias voltage, however, is directly coupled to the N-well 103.
  • the construction of the varactor according to the invention makes it possible to form the two gate electrodes 107, 109 with a minimal lateral distance from one another, as a result of which the portion of the signal path running through the N-well 103 can be shortened compared to a varactor according to the prior art.
  • the shortening of the signal path reduces the parasitic channel resistance.
  • the channel resistance can be further reduced by means of an N + -doped semiconductor zone 115, which is located in the N-well 103 in the region between the gate electrodes 107 and 109.
  • the gate electrodes 107 and 109 do not have to be reduced in their lateral extent. In fact, by reducing the distance between the gate electrodes, they can even be increased somewhat. As a result, a low parasitic gate resistance can also be generated at the same time with a low parasitic channel resistance, so that the overall parasitic resistance in the signal path is extremely low.
  • the varactor according to the invention can be constructed in such a way that no electrical conductor tracks that run on another potential path run over the gate electrodes 107, 109. tial than the gate electrodes. This can significantly reduce the parasitic capacitance of the varactor.
  • FIG. 5 shows a top view of the embodiment of the varactor according to the invention shown in FIG. 4. 5, the first gate electrode 107 and the second gate electrode 109 and the associated signal connections 111, 113 can be seen.
  • the gate electrodes are each contacted by a multiplicity of contact points 112, 114.
  • the contact points 112, 114 can be located in the active varactor area or also in the area of the field insulation 104.
  • the lateral dimension of the field insulation 104 is indicated by hatching.
  • the control connection 117 is located at a distance from the gate electrodes 107 and 109, via which a control potential can be fed to the N-well 103, which is used to form the DC control voltage between the N-well 103 and the gate electrodes 107, 109 leads.
  • the minimum distance between the gate electrodes 107, 109 results from the lateral resolution of the respective manufacturing technology and is 0.25 ⁇ m and below in modern semiconductor technologies.
  • the control connection 117 does not have to lie in the signal path, so that there is no contact between the two signal electrodes which are formed by the two gate electrodes 107, 109 in the varactor according to the invention must be attached for the control voltage. With a contact between the two gate electrodes 107, 109 it would not be possible to achieve the minimum distance between the gate electrodes.
  • the varactor according to the invention With the varactor according to the invention, acceptable values for the quality can be achieved even at very high frequencies above 50 GHz. This makes it possible to implement integrated voltage-controlled oscillators in silicon-based technology in the frequency range mentioned. At lower operating frequencies, the parameters of one with the invented voltage-controlled oscillator constructed according to the invention is improved compared to a voltage-controlled oscillator constructed with a varactor according to the prior art. This leads in particular to a reduced phase noise.
  • FIG. 6 An alternative embodiment of the varactor according to the invention is shown in plan view in FIG. 6. Those elements of the varactor that correspond to those in the first exemplary embodiment are identified by the same reference numerals. Only the differences from the first exemplary embodiment are discussed below.
  • the gate electrodes 107a, 109a are toothed in the second embodiment.
  • the teeth of the gate electrodes mutually engage in one another so that a meandering gap remains between the two electrodes.
  • the length of the channel area can be extended compared to the varactor shown in the first exemplary embodiment. Since the current between the two gate electrodes essentially only has to flow over the width of the channel region, the cross-sectional area available for the current flow can be enlarged by the extension of the channel region and the parasitic channel resistance can thus be further reduced.
  • the length of the channel region can be increased further by a fractal geometry of the gate electrodes 107b and 109b (see FIG. 7), so that the parasitic channel resistance can be reduced even further.
  • the fractal gate electrodes are preferably contacted in such a way that the path that the current has to take from the contact to the most distant regions of the fractal electrode is minimal.
  • the varactor according to the invention is constructed with MOS capacitances in the exemplary embodiment, the invention can also be designed as a varactor with PN transitions as capacitances.
  • 8 shows a circuit diagram for an oscillating circuit according to the invention with a varactor 200 according to the invention.
  • the section between the two capacitors 202 and 204 shown represents the N-well 103, which is connected to a control connection 206.
  • the two outer capacitor plates of the capacitors 202 and 204 represent the gate electrodes 107, 109 from FIG. 4. They are connected to an inductance 208, which together with the varactor 200 forms the resonant circuit.
  • the resonant frequency of the resonant circuit depends both on the value of the inductor 208 and on the capacitance of the varactor.
  • the quality of the resonant circuit is primarily determined by its ohmic resistance.
  • the resonance frequency of the resonant circuit can be set.
  • the resonance frequency can be shifted towards higher frequencies, so that resonant circuits constructed with a varactor according to the invention can be used acceptably even at very high frequencies of over 50 GHz.
  • the varactor 300 of the second type comprises two n-doped well regions 303 and 305 in a P-doped substrate 301.
  • the well regions 303 and 305 are separated from one another by a trench 307 (hereinafter also referred to as trench insulation) filled with an insulator, for example silicon dioxide Cut.
  • the trough regions 303 and 305 are laterally delimited by field insulation regions 308, for example made of silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the area surrounded by field isolation 308 represents the active varactor area.
  • An insulation layer 309 (dielectric) extends on the surface of part of the active varactor region in the signal flow direction.
  • the insulation layer 309 separates the well regions 303 and 305 from a common gate electrode 311.
  • the gate electrode 311 has a signal connection 317 for a control voltage V C t r i.
  • the varactor of the present exemplary embodiment also has two signal electrodes 313 and 315.
  • the signal electrodes 313 and 315 are connected here to the directly to the tub areas 303 and 305.
  • Highly doped (n + ) regions 319 and 321 are respectively provided in the connection region and are connected to the metallic electrodes 313 and 315 by a silicide layer, not shown.
  • the highly doped regions 319 and 321 extend laterally in the signal flow direction (or opposite thereto) from the field isolation region 308 to the respective edge of the gate electrode 31.
  • the distance from the gate-side edge of the highly doped regions 319 and 321 to the respective edge of the trench insulation 307 is between 0.25 and 1 ⁇ m.
  • the lateral extent of the trench insulation in the signal flow direction is approximately 300 to 400 nm on the substrate surface.
  • the trench insulation tapers in the depth direction of the substrate. It extends in the depth direction somewhat beyond the doped well regions 303 and 305 into the p-doped substrate.
  • the signal path of the present varactor runs from one of the signal electrodes through the N well to the common gate electrode 311 and from there to the other signal electrode.
  • FIG. 10 shows a circuit diagram for a further resonant circuit according to the invention with a varactor 400 according to the invention.
  • the varactor 400 here consists of two varactors connected in parallel, a varactor of the first type (reference number 100) and a varactor of the second type (reference number 300).
  • the resonance frequency of the resonant circuit can be set. In this case, compared to the oscillator circuit of FIG. 8, lower noise levels and less phase noise are achieved.
  • FIG. 11 is a schematic illustration of the dependency of the capacitance of the semiconductor varactors 100 and 300 on a positive control voltage in a diagram.
  • the control voltage is plotted on the abscissa and the capacity on the ordinate. While the capacitance of the semiconductor varactor 100 (first type) does not decrease linearly with increasing control voltage, the capacitance of the semiconductor varactor 300 (second type) does not increase linearly with increasing control voltage.

Abstract

The inventive semiconductor varactor comprises a first voltage-controlled capacitance (103, 107) and a second voltage-controlled capacitance (103, 109) that is connected in series to the first capacitance. The two voltage-controlled capacitances in turn comprise a respective signal electrode (107, 109) and a common semiconductor region (103), via which the voltage-controlled capacitances are connected in series. The series connection of the voltage-controlled capacitances allows the signal electrodes (107, 109) to be arranged at a short distance from one another, thus shortening the signal path overall.

Description

Halbleitervaraktor und damit aufgebauter Schwingkreis Semiconductor varactor and thus resonant circuit
Die Erfindung betrifft einen Halbleitervaraktor, und einen damit aufgebauten Oszillator, insbesondere für die Anwendung in Hochfrequenzschaltungen.The invention relates to a semiconductor varactor and an oscillator constructed therewith, in particular for use in high-frequency circuits.
Ein Varaktor ist ein spannungsgesteuerter Kondensator, in dem die Kapazität zwischen zwei Kondensatorelektroden durch den Wert einer angelegten Gleichspannung einstellbar ist. Ein einfach aufgebauter Varaktor lässt sich beispielsweise durch eine Diode realisieren. Eine Diode ist typischerweise aus einem N-Ieitenden Halbleitermaterial, das heißt, einem Halbleitermaterial in welchem Elektronen als Ladungsträger vorliegen, und einem P-Ieitenden Halbleitermaterial, einem Halbleitermaterial mit Löchern als Ladungsträgern, aufgebaut. Man spricht von einem Loch, wenn einem Atom ein Elektron fehlt. Die Ladung des Loches ist aufgrund der fehlenden negativen Ladung des E- lektrons positiv. Löcher können sich im Halbleiter fortbewegen, indem das fehlende Elektron eines Atoms durch ein Elektron eines Nachbaratoms ersetz wird, wodurch dann dem Nachbaratom ein Elektron fehlt, sich das Loch also zum Nachbaratom bewegt hat.A varactor is a voltage-controlled capacitor in which the capacitance between two capacitor electrodes can be adjusted by the value of an applied DC voltage. A simply constructed varactor can be implemented using a diode, for example. A diode is typically constructed from an N-type semiconductor material, that is to say a semiconductor material in which electrons are present as charge carriers, and a P-type semiconductor material, a semiconductor material with holes as charge carriers. One speaks of a hole when an atom lacks an electron. The charge of the hole is due to the lack of negative charge on the E- lektrons positive. Holes can move in the semiconductor by replacing the missing electron of an atom with an electron from a neighboring atom, which means that an electron is missing from the neighboring atom, i.e. the hole has moved to the neighboring atom.
Am Übergang zwischen dem N-leitenden und dem P-Ieitenden Material, dem PN-Übergang, diffundieren Elektronen aus dem N-Ieitenden Material in das P- leitende Material und Löcher aus dem P-leitenden Material in das N-Ieitende Material. Dadurch entsteht am Übergang eine an Ladungsträgem verarmte Zone, die sogenannte Verarmungszone, die auf Seiten des P-Ieitenden Mate- rials eine negative Ladung (durch die Diffusion der Löcher wird positive Ladung aus dem an sich elektrisch neutralen P-leitenden Material entfernt) und auf Seiten des N-Ieitenden Materials eine positive Ladung (durch die Diffusion der Elektronen wird negative Ladung aus dem an sich elektrisch neutralen N- leitenden Material entfernt) aufweist. Der PN-Übergang stellt daher einen Speicher für getrennte Ladungen, d.h. einen Kondensator, dar. Die Kapazität des Kondensators hängt dabei von der Weite der Verarmungszone ab.At the transition between the N-type and the P-type material, the PN junction, electrons diffuse from the N-type material into the P-type material and holes from the P-type material into the N-type material. This creates a zone depleted of charge carriers at the transition, the so-called depletion zone, which creates a negative charge on the side of the P-conducting material (through the diffusion of the holes, positive charge is removed from the electrically neutral P-conducting material) and on On the side of the N-conducting material has a positive charge (the diffusion of the electrons removes the negative charge from the electrically neutral N-conducting material). The PN junction therefore provides storage for separate charges, i.e. a capacitor. The capacitance of the capacitor depends on the width of the depletion zone.
Wird nun eine äußere Gleichspannung derart an die Diode angelegt, dass weitere Elektronen aus dem N-Ieitenden Material in das P-Ieitende Material und weitere Löcher aus dem P-Ieitenden Material in das N-leitende Material verschoben werden, so erweitert dies die Verarmungszone. Wird die angelegte äußere Spannung umgekehrt, so wirkt die Spannung der Diffusion der E- lektronen aus dem N-leitenden Material in das P-Ieitende Material bzw. der Löcher aus dem P-Ieitenden Material in das N-leitende Material entgegen und verengt so die Verarmungszone. Auf diese Weise lässt sich die Weite der Verarmungszone und damit die Kapazität des PN-Übergangs durch Anlegen einer äußeren Gleichspannung variieren.If an external DC voltage is now applied to the diode in such a way that further electrons from the N-type material are shifted into the P-type material and further holes from the P-type material into the N-type material, this extends the depletion zone. If the applied external voltage is reversed, the voltage counteracts the diffusion of the electrons from the N-conducting material into the P-conducting material or the holes from the P-conducting material into the N-conducting material and thus narrows the depletion zone. In this way, the width of the depletion zone and thus the capacitance of the PN junction can be varied by applying an external DC voltage.
Varaktoren lassen sich statt in Form von PN-Übergängen auch als MOS-Instead of in the form of PN transitions, varactors can also be used as MOS
Bausteine (Metal-Oxide-Semiconductor, Metalloxidhalbleiter) realisieren. In solchen MOS-Bausteinen ist zwischen einer Gate-Elektrode, die als eine erste Kondensatorelektrode dient, und einem dotierten Halbleiterbereich (d.h. einem mit Fremdatomen, die zu N-Leitung oder zu P-Leitung des Halbleitermaterials führen (N-Dotierung bzw. P-Dotierung), versehener Halbleiterbereich), der als eine zweite Kondensatorelektrode dient, ein Dielektrikum angeordnet. Auch in diesem Fall lässt sich durch Anlegen einer Gleichspannung die Kapazität des Kondensators variieren, wie nachfolgend beschrieben wird.Realize modules (metal oxide semiconductor, metal oxide semiconductor). In such MOS devices, there is between a gate electrode, which serves as a first capacitor electrode, and a doped semiconductor region (ie one a dielectric provided with foreign atoms leading to the N line or to the P line of the semiconductor material (N doping or P doping), which serves as a second capacitor electrode. In this case too, the capacitance of the capacitor can be varied by applying a DC voltage, as will be described below.
In Fig. 1 zeigt einen MOS-Varaktor nach Stand der Technik, wie er beispielsweise in US 6100770 beschrieben ist. Der MOS-Varaktor umfasst eine Gate- Elektrode 1 als erste Kondensatorelektrode und einen N-Ieitenden Halbleiterbereich 3, im folgenden kurz N-Wanne 3 genannt, der in einem P-Ieitenden Substrat 5 gebildet ist und die zweite Kondensatorelektrode darstellt. Zwischen der Gate-Elektrode 1 und der Wanne 3 ist ein Dielektrikum 6, beispielsweise eine Oxidschicht, angeordnet. In der N-Wanne 3 sind zwei weitere, parallel geschaltete und hoch N-dotierte (N+-dotierte) Halbleitergebiete, nämlich die Source/Drain-Gebiete 7 und 9 gebildet, die einen gemeinsamen Anschluss 11 aufweisen. Der gemeinsame Anschluss 11 dient als Signalelektrode für die aus der N-Wanne 3 gebildete Kondensatorelektrode. Der Signal- anschluss der Gate-Eelektrode 1 als der anderen Kondensatorelektrode ist in Fig. 1 nicht dargestellt.In Fig. 1 shows a MOS varactor according to the prior art, as described for example in US 6100770. The MOS varactor comprises a gate electrode 1 as the first capacitor electrode and an N-type semiconductor region 3, hereinafter referred to as N-type well 3, which is formed in a P-type substrate 5 and represents the second capacitor electrode. A dielectric 6, for example an oxide layer, is arranged between the gate electrode 1 and the trough 3. In the N-well 3, two further parallel and highly N-doped (N + -doped) semiconductor regions, namely the source / drain regions 7 and 9, are formed, which have a common connection 11. The common connection 11 serves as a signal electrode for the capacitor electrode formed from the N-well 3. The signal connection of the gate electrode 1 as the other capacitor electrode is not shown in FIG. 1.
In Fig. 2 ist die Funktionsweise des Varaktors nach Stand der Technik darge- stellt. Zuerst einmal bildet die Gate-Elektrode 1 zusammen mit der N-Wanne 3 und dem Dielektrikum 6 einen konventionellen Kondensator. Wird an die Gate-Elektrode 1 ein konstantes Potential angelegt, das negativer als ein an den N+-Bereichen angelegtes konstantes Potential ist, so lädt sich die Gate- Elektrode 1 negativ und die N-Wanne 3 positiv auf. Die Aufladung der N- Wanne 3 erfolgt dabei dadurch, dass Elektronen aus dem Bereich der N- Wanne 3 unterhalb der Gate-Elektrode 1 weggedrückt werden, so dass an eine an Ladungsträgem verarmte Schicht 13 (Verarmungszone) entsteht. Diese Verarmungszone erzeugt zusätzlich zu der konventionellen Kapazität eine weitere Kapazität, die „Verarmungskapazität", deren Wert von der Weite der Verarmungszone 13 abhängt. Je negativer die Gate-Elektrode 1 gegenüber der N-Wanne 3 ist, desto größer ist diese Weite und um so kleiner die Verar- mungskapazität. Auf diese Weise lässt sich durch die Potentialdifferenz, d.h. durch die zwischen der Gate-Elektrode 1 und der N-Wanne 3 angelegte Spannung, die Kapazität des Varaktors einstellen.The functioning of the varactor according to the prior art is shown in FIG. First of all, the gate electrode 1 forms a conventional capacitor together with the N-well 3 and the dielectric 6. If a constant potential is applied to the gate electrode 1, which is more negative than a constant potential applied to the N + regions, the gate electrode 1 charges negatively and the N well 3 positively. The N-well 3 is charged by pushing electrons out of the area of the N-well 3 below the gate electrode 1, so that a layer 13 (depletion zone) depleted of charge carriers is created. In addition to the conventional capacitance, this depletion zone produces a further capacitance, the “depletion capacitance”, the value of which depends on the width of the depletion zone 13. The more negative the gate electrode 1 is compared to the N-well 3, the larger this width and the more smaller the processing tion capacity. In this way, the capacitance of the varactor can be set by means of the potential difference, that is to say the voltage applied between the gate electrode 1 and the N-well 3.
Im Varaktor nach Stand der Technik (siehe Fig. 1 ) werden, wie bereits weiter oben beschrieben, die parallel geschalteten N+-Bereiche 7, 9 über einen Anschluss 11 aus Metall kontaktiert. Die Kontaktierung der Gate-Elektrode 1 durch eine metallische Leiterbahn erfolgt außerhalb des aktiven Gate- Bereiches, was in Fig. 1 nicht zu erkennen ist. Gründe hierfür sind, dass in den meisten Halbleitertechnologien ein Kontakt im Gate-Bereich nicht möglich ist und dass das Metall der Leiterbahnen des Anschlusses 11 für die N+- Bereiche 7, 9 über der Gate-Elektrode 1 liegt. Der Signalpfad des Varaktors verläuft über zwei parallele Zweige von der Gate-Elektrode 1 über die N+- Bereiche 7 bzw. 9.In the varactor according to the prior art (see FIG. 1), as already described above, the parallel connected N + regions 7, 9 are contacted via a connection 11 made of metal. The contacting of the gate electrode 1 by means of a metallic conductor track takes place outside the active gate area, which cannot be seen in FIG. 1. The reasons for this are that in most semiconductor technologies it is not possible to make contact in the gate region and that the metal of the conductor tracks of the connection 11 for the N + regions 7, 9 lies above the gate electrode 1. The signal path of the varactor runs over two parallel branches from the gate electrode 1 via the N + regions 7 and 9.
Zwischen der Gate-Elektrode 1 und dem gemeinsamen Anschluss 11 der N+- Bereiche 7, 9 ergeben sich dadurch parasitäre Kapazitäten 15a, 15b, welche die Leistungsfähigkeit des Bauelements beeinträchtigen, insbesondere dessen Selbstresonanzfrequenz verringern. Außerdem besitzt der Varaktor auf Grund des langen Weges vom Leiterbahnanschluss der Gate-Elektrode 1 zum aktiven Bereich der Gate-Elektrode einen hohen Widerstand.This results in parasitic capacitances 15a, 15b between the gate electrode 1 and the common connection 11 of the N + regions 7, 9, which impair the performance of the component, in particular reduce its self-resonance frequency. In addition, the varactor has a high resistance due to the long path from the conductor connection of the gate electrode 1 to the active region of the gate electrode.
Eine wichtige Kenngröße, die für den Einsatz eines Varaktors in einem spannungsgesteuerten Oszillator von Bedeutung ist, ist seine Güte. Die Güte eines Varaktors ist definiert als der Quotient aus dem Betrag des Imaginärteils und des Realteils seiner frequenzabhängigen Impedanz. In den Frequenzbereichen, in denen der spannungsgesteuerte Oszillator betrieben werden soll, soll der Varaktor eine möglichst hohe Güte aufweisen.An important parameter that is important for the use of a varactor in a voltage-controlled oscillator is its quality. The quality of a varactor is defined as the quotient of the amount of the imaginary part and the real part of its frequency-dependent impedance. The varactor should be of the highest possible quality in the frequency ranges in which the voltage-controlled oscillator is to be operated.
Varaktoren nach Stand der Technik besitzen ein Gütemaximum unterhalb etwa 5 GHz. Für Anwendungen, die in den für den allgemeinen industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Gebrauch reservierten Frequenzbändern, im folgenden kurz ISM-Bänder genannt (ISM, Industrial, Scientific, Medi- cal), vorgesehen sind, werden jedoch spannungsgesteuerte Oszillatoren mit Schwingungsfrequenzen bis zu 23 GHz bzw. 61 ,5 GHz benötigt.State-of-the-art varactors have a quality maximum below about 5 GHz. For applications in the frequency bands reserved for general industrial, scientific and medical use, hereinafter referred to as ISM bands (ISM, Industrial, Scientific, Medi- cal), are provided, however, voltage-controlled oscillators with oscillation frequencies up to 23 GHz or 61.5 GHz are required.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Varaktor zur Verfügung zu stellen, der insbesondere bei hohen Frequenzen eine hohe Güte aufweist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen spannungsgesteuerten Oszillator zur Verfügung zu stellen, der insbesondere für hochfrequente Schwingungen geeignet ist.The aim of the present invention is therefore to provide a varactor which has a high quality, particularly at high frequencies. Another object of the invention is to provide a voltage-controlled oscillator which is particularly suitable for high-frequency vibrations.
Die Ziele der Erfindung werden durch einen Varaktor nach Anspruch 1 bzw. einen spannungsgesteuerten Oszillator nach Anspruch 12 erreicht. Die ab- hängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The objectives of the invention are achieved by a varactor according to claim 1 and a voltage-controlled oscillator according to claim 12. The dependent claims contain further advantageous refinements of the invention.
Der erfindungsgemäße Halbleitervaraktor umfasst eine erste spannungsgesteuerten Kapazität und eine zweite, mit der ersten in Reihe geschaltete spannungsgesteuerte Kapazität. Die beiden spannungsgesteuerten Kapazitä- ten wiederum umfassen jeweils eine Signalelektrode und einen gemeinsamen Halbleiterbereich, über den die spannungsgesteuerten Kapazitäten in Reihe geschaltet sind.The semiconductor varactor according to the invention comprises a first voltage-controlled capacitance and a second voltage-controlled capacitance connected in series with the first. The two voltage-controlled capacitors each in turn comprise a signal electrode and a common semiconductor region, via which the voltage-controlled capacitors are connected in series.
Die Reihenschaltung der spannungsgesteuerten Kapazitäten ermöglicht es, die Signalelektroden mit geringem Abstand voneinander anzuordnen und so- mit den Signalpfad insgesamt zu verkürzen. Da keine parallelen Signalpfade wie im Stand der Technik vorhanden sind, entfällt mit der erfindungsgemäßen Anordnung die in der Mitte zwischen den Signalpfadzweigen angeordnete, beiden Zweigen gemeinsame Elektrode, die ein Verringern des Abstandes verhindern. Mit der Verkürzung des Signalpfades lässt sich im erfindungsge- mäßen Varaktor der Widerstand des Signalpfades und somit insbesondere bei niederohmigen äußeren Anschlüssen die Güte des Varaktors erhöhen.The series connection of the voltage-controlled capacitors makes it possible to arrange the signal electrodes at a short distance from one another and thus to shorten the signal path as a whole. Since there are no parallel signal paths as in the prior art, the arrangement according to the invention dispenses with the electrode, which is arranged in the middle between the signal path branches and is common to both branches and prevents a reduction in the distance. With the shortening of the signal path, the resistance of the signal path and thus, particularly in the case of low-resistance external connections, the quality of the varactor can be increased in the varactor according to the invention.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Halbleitervaraktors ist der Halbleiterbereich als Steuerelektrode mit einem Steueranschluss ausgestaltet. Der Steueranschluss ermöglicht es, den Signalpfad vom Steuerpfad des Varaktors zu trennen. Vorteilhafterweise ist der Steueranschluss von den Signalanschlüssen entfernt angeordnet, so dass er der Verringerung des Abstandes der Signalelektroden nicht entgegensteht.In an advantageous embodiment of the semiconductor varactor, the semiconductor region is designed as a control electrode with a control connection. The Control connection makes it possible to separate the signal path from the control path of the varactor. The control connection is advantageously arranged at a distance from the signal connections, so that it does not conflict with the reduction in the distance between the signal electrodes.
In einer weiteren Ausgestaltung des Halbleitervaraktors sind die Signalelektroden lateral mit minimalem Abstand voneinander angeordnet. Der minimale Abstand, der erzielbar ist, bestimmt sich dabei aus der zur Herstellung des Varaktors verwendeten Technologie. Mit dem minimalen Abstand zwischen den Signalelektroden lässt sich ein Signalpfad mit sehr geringem Widerstand realisieren.In a further embodiment of the semiconductor varactor, the signal electrodes are arranged laterally with a minimum distance from one another. The minimum distance that can be achieved is determined by the technology used to manufacture the varactor. With the minimal distance between the signal electrodes, a signal path with a very low resistance can be realized.
Der Halbleitervaraktor ist vorzugsweise lateral symmetrisch aufgebaut. Dadurch kann er ohne zusätzlichen Aufwand in symmetrische Oszillatoren eingebaut werden, ohne deren Symmetrie zu beeinträchtigen.The semiconductor varactor is preferably constructed laterally symmetrically. As a result, it can be installed in symmetrical oscillators without additional effort, without impairing their symmetry.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Halbleitervaraktors beinhaltet, dass die Signalelektroden miteinander verzahnt angeordnet sind. Durch das Verzahnen lässt sich ohne Vergrößerung der für die Kapazität des Varaktors relevanten Fläche die Querschnittsfläche des Signalpfades vergrößern, insbesondere dann, wenn die Verzahnung fraktal ausgebildet ist.A further advantageous embodiment of the semiconductor varactor includes that the signal electrodes are arranged in a toothed manner. The toothing allows the cross-sectional area of the signal path to be increased without increasing the area relevant to the capacity of the varactor, in particular if the toothing is fractal.
Um die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Kapazitätswert, den sog. Kapazitätshub, des Halbleitervaraktors möglichst groß zu halten, kann im Oberflächenbereich des Halbleiterbereiches am Rand der Signalelektroden eine P-dotierte Saugelektrode zum Absaugen von Löchern vorhanden sein.In order to keep the difference between the largest and the smallest capacitance value, the so-called capacitance swing, of the semiconductor varactor as large as possible, a P-doped suction electrode for suctioning holes can be present in the surface area of the semiconductor area at the edge of the signal electrodes.
Der gemeinsame Halbleiterbereich ist in einer Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Halbleitervaraktors als Wanne, insbesondere als N-dotierte Wanne, in einem Substrat, insbesondere in einem P-dotierten Substrat, ausgebildet, was die Integration der Herstellung des Halbleitervaraktors in gängige CMOS-Fertigungsprozesse vereinfacht. Diese Ausführungsform des Halbleitervaraktors, die nachfolgend auch als erfindungsgemäßer Halbleitervaraktor ersten Typs bezeichnet wird, hat eine mit zunehmender (positiver) Steuerspannung typischerweise nicht linear fallende Kapazitätskurve.In one embodiment of the semiconductor varactor according to the invention, the common semiconductor region is designed as a well, in particular as an N-doped well, in a substrate, in particular in a P-doped substrate, which simplifies the integration of the manufacture of the semiconductor varactor into common CMOS manufacturing processes. This embodiment of the Semiconductor varactor, which is also referred to below as the semiconductor varactor of the first type according to the invention, has a capacitance curve that typically does not decrease linearly with increasing (positive) control voltage.
In einer dazu alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halblei- tervaraktors ist der gemeinsame Halbleiterbereich als vom Substrat durch eine Isolatorschicht getrenntes Gate ausgebildet. Diese Ausführungsform, die nachfolgend auch als erfindungsgemäßer Halbleitervaraktor zweiten Typs bezeichnet wird, hat einen zur ersten Alternative komplementären Kapazitätsverlauf. Die Kapazität steigt mit zunehmender positiver Steuerspannung typi- scherweise nichtlinear an.In an alternative embodiment of the semiconductor varactor according to the invention, the common semiconductor region is designed as a gate separated from the substrate by an insulator layer. This embodiment, which is also referred to below as the semiconductor type of the second type according to the invention, has a capacitance profile that is complementary to the first alternative. The capacitance typically increases non-linearly with increasing positive control voltage.
Bei dieser alternativen Ausführungsform sind vorzugsweise zwei ins Substrat eingebettete, lateral benachbarte, jedoch durch einen Isolatorbereich elektrisch getrennte dotierte Wannen-Bereiche unterhalb des Gates vorgesehen.In this alternative embodiment, two laterally adjacent doped well regions, which are embedded in the substrate but are electrically separated by an insulator region, are preferably provided below the gate.
Weiterhin weist der Halbleitervaraktor zweiten Typs vorzugsweise jeweils ei- nen in das Substrat eingebetteten, hochdotierten Bereich vom Leitfähigkeitstyp der Wannen unterhalb der Signalelektroden auf. Dieser hochdotierte Bereich erstreckt sich lateral vorzugsweise über die Signalelektrode hinaus bis hin zum Rand des Gate. Bei der alternativen Ausführungsform ist das gemeinsame Gate zur Verbindung mit einer Steuerspannung ausgebildet. Mit wachsender positiver Steuerspannung am Gate steigt die Kapazität an, da eine Akkumulation von Ladungsträgern (Elektronen) an der Oberfläche der n- Wannen auftritt.Furthermore, the semiconductor varactor of the second type preferably each has a highly doped region of the conductivity type of the wells embedded in the substrate below the signal electrodes. This highly doped region preferably extends laterally beyond the signal electrode to the edge of the gate. In the alternative embodiment, the common gate is designed for connection to a control voltage. With increasing positive control voltage at the gate, the capacitance increases because an accumulation of charge carriers (electrons) occurs on the surface of the n-wells.
Die Kapazitäten des erfindungsgemäßen Halbleitervaraktors können als PN- Übergänge oder als MOS-Kapazitäten ausgebildet sein. Unter einer MOS- Kapazität soll hierbei eine Kapazität verstanden werden, in der zwischen einer Halbleiterschicht und einer metallischen oder halbleitenden Schicht ein Dielektrikum, z. B. eine Oxidschicht oder eine andere isolierende Schicht, angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Oszillator (Schwingkreis) umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Halbleitervaraktor. Durch das Realisieren des Oszillators mit dem erfindungsgemäßen Halbleitervaraktor lässt sich die Güte des Oszillators aufgrund der verbesserten Eigenschaften des Varaktors insbesondere bei hohen Schwingungsfrequenzen verbessern.The capacitors of the semiconductor varactor according to the invention can be designed as PN junctions or as MOS capacitors. A MOS capacitance is to be understood here as a capacitance in which a dielectric, for example a dielectric layer, is formed between a semiconductor layer and a metallic or semiconducting layer. B. an oxide layer or another insulating layer is arranged. The oscillator (resonant circuit) according to the invention comprises at least one semiconductor varactor according to the invention. By realizing the oscillator with the semiconductor varactor according to the invention, the quality of the oscillator can be improved due to the improved properties of the varactor, in particular at high vibration frequencies.
Bei Verwendung eines einzelnen Halbleitervaraktors in der Oszillatorschaltung hat die Variante, bei der ein Halbleitervaraktor ersten Typs verwendet wird, gegenüber der Variante mit einem Halbleitervaraktor zweiten Typs den Vorteil, dass der Serienwiderstand geringer ist. Daher ist eine höhere Güte der Oszil- latorschaltung erzielbar.When using a single semiconductor varactor in the oscillator circuit, the variant in which a semiconductor varactor of the first type is used has the advantage over the variant with a semiconductor varactor of the second type that the series resistance is lower. A higher quality of the oscillator circuit can therefore be achieved.
Durch das direkte Verbinden der Signalelektroden des erfindungsgemäßen Varaktors mit einer oder mehreren Induktivitäten des Oszillators lässt sich die Güte des Oszillators weiter steigern.The quality of the oscillator can be further increased by directly connecting the signal electrodes of the varactor according to the invention to one or more inductors of the oscillator.
Es können beim erfindungsgemäßen Oszillator auch beide Typen des erfin- dungsgemäßen Halbleitervaraktors in Kombination verwendet werden.In the oscillator according to the invention, both types of the semiconductor varactor according to the invention can also be used in combination.
Bevorzugt ist eine Parallelschaltung der beiden erfindungsgemäßen Varaktor- Typen in einer Oszillatorschaltung. Besondere Vorteile werden dabei erzielt, wenn die Steuerspannungen gegensinnig zugeführt werden, d.h. mit dem Anstieg der Steuerspannung am Halbleitervaraktor des ersten Typs wird gleich- zeitig ein Absinken der Steuerspannung am Halbleitervaraktor des zweiten Typs vorgenommen. In der Summe wird dabei ein Ansteigen oder Abfallen der Gesamtkapazität erreicht. Mit dieser differentiellen Ansteuerung erhält man geringere Störpegel und geringeres Phasenrauschen in einem Oszillator.A parallel connection of the two varactor types according to the invention in an oscillator circuit is preferred. Particular advantages are achieved if the control voltages are supplied in opposite directions, i.e. with the increase in the control voltage at the semiconductor varactor of the first type, the control voltage at the semiconductor varactor of the second type decreases at the same time. In total, an increase or decrease in the total capacity is achieved. With this differential control, you get lower noise levels and less phase noise in an oscillator.
Nachfolgend werden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die beiliegenden Figuren weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Varaktor nach Stand der Technik.Further features and advantages of the invention are described below using exemplary embodiments and with reference to the accompanying figures. Fig. 1 shows a varactor according to the prior art.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus Fig. 1 zum Erläutern der Funktionsweise des Varaktors.Fig. 2 shows schematically a section of Fig. 1 to explain the operation of the varactor.
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für den in Fig. 1 dargestellten Varaktor, in dem die parasitären Komponenten eingezeichnet sind.FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for the varactor shown in FIG. 1, in which the parasitic components are shown.
Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varaktors im vertikalen Schnitt.Fig. 4 shows a first embodiment of the varactor according to the invention in vertical section.
Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf den in Fig. 4 dargestellten Varaktors.FIG. 5 shows the top view of the varactor shown in FIG. 4.
Fig. 6 zeigt die Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel des erfin- dungsgemäßen Varaktors.6 shows the top view of a second exemplary embodiment of the varactor according to the invention.
Fig. 7 zeigt die Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varaktors.7 shows the top view of a third exemplary embodiment of the varactor according to the invention.
Fig. 8 zeigt einen Schwingkreis mit einem erfindungsgemäßen Varaktor.8 shows a resonant circuit with a varactor according to the invention.
Fig. 9 zeigt eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Varaktors.9 shows a cross-sectional view of a fourth exemplary embodiment of the varactor according to the invention.
Fig. 10 zeigt einen Schwingkreis mit einer Parallelschaltung von Varaktoren nach dem ersten und vierten Ausführungsbeispiel10 shows a resonant circuit with a parallel connection of varactors according to the first and fourth exemplary embodiments
Fig. 11 zeigt ein schematisches Diagramm der Spannungsabhängigkeit der Varaktoren des ersten und vierten Ausführungsbeispiels.11 shows a schematic diagram of the voltage dependency of the varactors of the first and fourth exemplary embodiments.
In Fig. 3 ist zum Veranschaulichen der parasitären Elemente ein Ersatzschaltbild für einen Varaktor nach Stand der Technik dargestellt. Die Kapazität des Varaktors ist zum einen durch die mittels des Dielektrikums 6 (siehe Fig. 1 ) gebildete konventionelle Kapazität 21 und zum anderen durch die Kapazität 23 der Verarmungsschicht 13 (Verarmungskapazität) bestimmt (siehe Fig. 2). Im Ersatzschaltbild ist beispielhaft der Zweig des Signalpfades, der sich zwischen dem Gate 1 und dem N+-Bereich 7 erstreckt, dargestellt. Das gleiche Ersatzschaltbild würde sich jedoch auch für den sich zwischen dem Gate 1 und dem N+-Bereich 9 erstreckenden Zweig ergeben.FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for a varactor according to the prior art to illustrate the parasitic elements. The capacitance of the varactor is determined on the one hand by means of the dielectric 6 (see FIG. 1) formed conventional capacitance 21 and on the other hand determined by the capacitance 23 of the depletion layer 13 (depletion capacitance) (see FIG. 2). The equivalent circuit diagram shows an example of the branch of the signal path that extends between the gate 1 and the N + region 7. However, the same equivalent circuit diagram would also result for the branch extending between the gate 1 and the N + region 9.
Die Gate-Elektrode 1 und der N+-Bereich 7 weisen einen parasitären Gate- Widerstand 25 bzw. einen parasitären Kanalwiderstand 27 auf. Der parasitäre Gate-Widerstand rührt, wie bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, von der langen Strecke zwischen dem aktiven Gate-Bereich und dem Metallkontakt der Gate-Elektrode 1 her. Der parasitäre Kanalwiderstand ergibt sich aus dem Abstand zwischen den beiden NT-Bereichen 7, 9. Prinzipiell könnte dieser Abstand verringert werden, jedoch nur, wenn auch die Breite des Gates entsprechend verringert wird. Eine Verringerung der Gate-Breite führt jedoch zu einer Erhöhung des Gate-Widerstandes 25, so dass eine nennenswerte Verringerung des gesamten parasitären Widerstandes nicht möglich ist.The gate electrode 1 and the N + region 7 have a parasitic gate resistor 25 and a parasitic channel resistor 27, respectively. As already described with reference to FIG. 1, the parasitic gate resistance stems from the long distance between the active gate region and the metal contact of the gate electrode 1. The parasitic channel resistance results from the distance between the two NT areas 7, 9. In principle, this distance could be reduced, but only if the width of the gate is reduced accordingly. However, a reduction in the gate width leads to an increase in the gate resistance 25, so that a significant reduction in the overall parasitic resistance is not possible.
Zwischen der Gate-Elektrode 1 und dem gemeinsamen Anschluss 11 der N+- Gebiete 7, 9, der die Gate-Elektrode 1 zu einem großen Teil umgibt (siehe Fig. 1 ), wirkt eine parasitäre Kapazität 29. Da der gemeinsame Anschluss 11 in der Nähe der Gate-Elektrode 1 und nicht im Bereich des Anschlusses der Gate- Elektrode 1 vorhanden ist, greift die parasitäre Kapazität 29 im Ersatzschaltbild zwischen dem parasitären Gate-Widerstand 25 und der konventionellen Kapazität 21 an. Die parasitäre Kapazität 29 liegt damit parallel zu der Serienschaltung aus der konventionellen Kapazität 21 , der Verarmungskapazität 23 und dem Kanalwiderstand 27. Weil die parasitäre Kapazität 29 aber konstant ist, schränkt sie den Kapazitätshub ein.A parasitic capacitance 29 acts between the gate electrode 1 and the common terminal 11 of the N + regions 7, 9, which largely surrounds the gate electrode 1 (see FIG. 1). Since the common terminal 11 in close to the gate electrode 1 and not in the area of the connection of the gate electrode 1, the parasitic capacitance 29 attacks in the equivalent circuit diagram between the parasitic gate resistor 25 and the conventional capacitance 21. The parasitic capacitance 29 is therefore parallel to the series circuit comprising the conventional capacitance 21, the depletion capacitance 23 and the channel resistor 27. However, because the parasitic capacitance 29 is constant, it limits the capacitance swing.
Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varaktors ersten Typs in einer Querschnittsansicht. Der Varaktor umfasst eine in einem4 shows a first exemplary embodiment of the varactor of the first type according to the invention in a cross-sectional view. The varactor is one in one
P-dotierten Substrat 101 gebildete N-dotierte Wanne 103. Lateral ist die N- dotierte Wanne 103 durch Feldisolationsgebiete, beispielsweise aus Silizium- oxid (SiO2), begrenzt. Wie im Sprachgebrauch des Fachmanns üblich werden als „lateral" die parallel zur Substratoberfläche verlaufenden Richtungen bezeichnet. Das von der Feldisolation 104 umgebene Gebiet stellt das aktive Varaktorgebiet dar. Über dem aktiven Varaktorgebiet befindet sich eine Isola- tionsschicht 105 (Dielektrikum), die beispielsweise aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid besteht. Es sind jedoch auch andere Materialien als Isolatormaterialien möglich, beispielsweise Praseodymoxid (Pr2O3). Die Isolationsschicht 105 trennt eine erste Gate-Elektrode 107 und eine zweite Gate-Elektrode 109 von der N-Wanne 103. Die erste Gate-Elektrode 107 und die zweite Gate- Elektrode 109 weisen einen ersten Signalanschluss 11 1 bzw. einen zweiten Signalanschluss 113 auf. Der Signalpfad des Varaktors verläuft dementsprechend von einer der Gate-Elektroden ausgehend durch die N-Wanne 103 zur anderen Gate-Elektrode. Allein zur Unterscheidung der lateralen Richtungen wird im Rahmen dieser Anmeldung zusätzlich von einer Signalflussrichtung gesprochen, die gemäß willkürlicher Definition in der Papierbene der Fig. 4 parallel zur Substratoberfläche vom Signalanschluss 111 zum Signalanschluss 113 weisen soll.P-doped substrate 101 formed N-doped well 103. Lateral is the N-doped well 103 through field insulation regions, for example made of silicon oxide (SiO 2 ), limited. As is customary in the language of the person skilled in the art, the directions parallel to the substrate surface are referred to as “lateral”. The area surrounded by the field insulation 104 represents the active varactor area Silicon oxide or silicon nitride, but other materials than insulator materials are also possible, for example praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ). The insulation layer 105 separates a first gate electrode 107 and a second gate electrode 109 from the N-well 103. The first Gate electrode 107 and second gate electrode 109 have a first signal connection 11 1 and a second signal connection 113. The signal path of the varactor accordingly runs from one of the gate electrodes through N-well 103 to the other gate electrode. For the purpose of differentiating the lateral directions alone, in the context of this application I spoke of a signal flow direction which, according to the arbitrary definition in the paper plane of FIG. 4, should point parallel to the substrate surface from the signal connection 111 to the signal connection 113.
Daneben weist der erfindungsgemäße Varaktor einen in der Querschnittsansicht der Fig. 4 nicht enthaltenen Steueranschluss auf, der direkt mit der N- Wanne 103 verbunden ist und über den die N-Wanne 103 auf ein vorbestimmtes Potential gelegt werden kann, so dass zwischen der N-Wanne 103 und den Gate-Elektroden 107, 109 eine Vorspannung anliegt. Der Steueranschluss ist beispielsweise in Fig. 5 unter dem Bezugszeichen 117 dargestellt. Durch die geeignete Wahl der Vorspannung lässt sich in der N-Wanne 103 unterhalb der Gate-Elektroden 107 bzw. 109 eine Verarmungszone bilden, deren Ausdehnung den Wert der steuerbaren Kapazität bestimmt und die durch den Wert der Vorspannung einstellbar ist. Die Verarmungszonen sind in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet.In addition, the varactor according to the invention has a control connection, which is not included in the cross-sectional view of FIG. 4, which is connected directly to the N-well 103 and via which the N-well 103 can be connected to a predetermined potential, so that between the N- Trough 103 and the gate electrodes 107, 109 a bias voltage is applied. The control connection is shown, for example, in FIG. 5 under reference number 117. By a suitable choice of the bias voltage, a depletion zone can be formed in the N-well 103 below the gate electrodes 107 and 109, the extent of which determines the value of the controllable capacitance and which can be adjusted by the value of the bias voltage. The depletion zones are shown in dashed lines in FIG. 4.
Der erfindungsgemäße Varaktor kann außerdem eine P+-dotierte Saugelekt- rode (in Fig. 4 nicht dargestellt) zum Absaugen von Löchern im Oberflächenbereich der N-Wanne 103 am Rand der beiden Gate-Elektroden 107, 109 aufweisen. Mit dieser P+-dotierten Saugelektrode kann sichergestellt werden, dass sich an der Oberfläche der Verarmungszone keine Löcher ansammeln, die den Kapazitätshub einschränken könnten. Es können auch beide Gate- Elektroden 107, 109 jeweils mit einer eigenen Saugelektrode versehen sein.The varactor according to the invention can also have a P + -doped suction electrode (not shown in FIG. 4) for suctioning holes in the surface area of the N well 103 at the edge of the two gate electrodes 107, 109 exhibit. With this P + -doped suction electrode, it can be ensured that no holes accumulate on the surface of the depletion zone, which could restrict the capacity increase. Both gate electrodes 107, 109 can also each be provided with their own suction electrodes.
Im erfindungsgemäßen Varaktor sind zwei steuerbare Kapazitäten in Reihe geschaltet. Die erste steuerbare Kapazität ist zwischen der N-Wanne 103 und der ersten Gate-Elektrode 107 ausgebildet, wohingegen die zweite steuerbare Kapazität zwischen der N-Wanne 103 und der zweiten Gate-Elektrode 109 ausgebildet ist. Der Steuerpfad zum Steuern der Kapazität, d.h. zum Anlegen einer Vorspannung, ist hingegen direkt an die N-Wanne 103 gekoppelt.In the varactor according to the invention, two controllable capacitors are connected in series. The first controllable capacitance is formed between the N-well 103 and the first gate electrode 107, whereas the second controllable capacitance is formed between the N-well 103 and the second gate electrode 109. The control path to control capacity, i.e. for applying a bias voltage, however, is directly coupled to the N-well 103.
Der erfindungsgemäße Aufbau des Varaktors ermöglicht es, die beiden Gate- Elektroden 107, 109 mit minimalem lateralen Abstand voneinander auszubilden, wodurch der durch die N-Wanne 103 verlaufende Anteil des Signalpfades gegenüber einem Varaktor nach Stand der Technik verkürzt werden kann. Die Verkürzung des Signalpfades verringert dabei den parasitären Kanalwiderstand. Mittels einer N+-dotierten Halbleiterzone 115, die sich in der N- Wanne 103 im Bereich zwischen den Gate-Elektroden 107 und 109 befindet, lässt sich der Kanalwiderstand weiter verringern.The construction of the varactor according to the invention makes it possible to form the two gate electrodes 107, 109 with a minimal lateral distance from one another, as a result of which the portion of the signal path running through the N-well 103 can be shortened compared to a varactor according to the prior art. The shortening of the signal path reduces the parasitic channel resistance. The channel resistance can be further reduced by means of an N + -doped semiconductor zone 115, which is located in the N-well 103 in the region between the gate electrodes 107 and 109.
Trotz der Verkürzung des durch die N-Wanne 103 verlaufenden Teils des Sig- naipfades müssen die Gate-Elektroden 107 und 109 in ihrer lateralen Ausdehnung nicht verringert werden. Tatsächlich können sie durch die Verringerung des Abstandes zwischen den Gate-Elektroden sogar etwas vergrößert werden. Dadurch lässt sich bei geringem parasitären Kanalwiderstand auch gleichzeitig ein geringer parasitärer Gate-Widerstand erzeugen, so dass der gesamte parasitäre Widerstand im Signalpfad äußerst gering ist.Despite the shortening of the part of the signal path running through the N-well 103, the gate electrodes 107 and 109 do not have to be reduced in their lateral extent. In fact, by reducing the distance between the gate electrodes, they can even be increased somewhat. As a result, a low parasitic gate resistance can also be generated at the same time with a low parasitic channel resistance, so that the overall parasitic resistance in the signal path is extremely low.
Da der Signalpfad vom Steuerpfad vollständig entkoppelt ist, d. h., zum Zuführen der Steuerspannung wird nicht der Signalpfad benutzt, lässt sich der erfindungsgemäße Varaktor derart aufbauen, dass über den Gate-Elektroden 107, 109 keine elektrischen Leiterbahnen verlaufen, die auf einem anderen Poten- tial als die Gate-Elektroden liegen. Damit lässt sich die parasitäre Kapazität des Varaktors deutlich verringern.Since the signal path is completely decoupled from the control path, ie the signal path is not used to supply the control voltage, the varactor according to the invention can be constructed in such a way that no electrical conductor tracks that run on another potential path run over the gate electrodes 107, 109. tial than the gate electrodes. This can significantly reduce the parasitic capacitance of the varactor.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varaktors. In Fig. 5 sind die erste Gate-Elektrode 107 und die zweite Gate-Elektrode 109 sowie die zugehörigen Signalanschlüsse 111 , 113 zu erkennen. Die Gate-Elektroden sind dabei jeweils durch eine Vielzahl von Kontaktpunkten 112, 114 kontaktiert. Die Kontaktpunkte 112, 114 können sich im aktiven Varaktorgebiet befinden oder auch im Gebiet der Feldisolation 104. Unterhalb der Gate-Elektroden 107, 109 befindet sich die N- Wanne 103, die von der Feldisolation 104 umgeben ist. Die laterale Abmessung der Feldisolation 104 ist schraffiert angedeutet. In einem Abstand von den Gate-Elektroden 107 und 109 befindet sich der Steueranschluss 117, ü- ber den der N-Wanne 103 ein Steuerpotential zugeführt werden kann, das zur Ausbildung der Steuer-Gleichspannung zwischen der N-Wanne 103 und den Gate-Elektroden 107, 109 führt.FIG. 5 shows a top view of the embodiment of the varactor according to the invention shown in FIG. 4. 5, the first gate electrode 107 and the second gate electrode 109 and the associated signal connections 111, 113 can be seen. The gate electrodes are each contacted by a multiplicity of contact points 112, 114. The contact points 112, 114 can be located in the active varactor area or also in the area of the field insulation 104. Below the gate electrodes 107, 109 there is the N-well 103, which is surrounded by the field insulation 104. The lateral dimension of the field insulation 104 is indicated by hatching. The control connection 117 is located at a distance from the gate electrodes 107 and 109, via which a control potential can be fed to the N-well 103, which is used to form the DC control voltage between the N-well 103 and the gate electrodes 107, 109 leads.
Der minimale Abstand zwischen den Gate-Elektroden 107, 109 ergibt sich aus der lateralen Auflösung der jeweiligen Herstellungstechnologie und liegt bei modernen Halbleitertechnologien bei 0,25 μm und darunter. Als besonders vorteilhaft soll an dieser Stelle noch einmal erwähnt werden, dass der Steuer- anschluss 117 nicht im Signalpfad zu liegen braucht, so dass zwischen den beiden Signalelektroden, die im erfindungsgemäßen Varaktor durch die beiden Gate-Elektroden 107, 109 gebildet sind, kein Kontakt für die Steuerspannung angebracht werden muss. Mit einem Kontakt zwischen den beiden Gate- Elektroden 107, 109 wäre es nicht möglich, den minimalen Abstand zwischen den Gate-Elektroden zu erreichen.The minimum distance between the gate electrodes 107, 109 results from the lateral resolution of the respective manufacturing technology and is 0.25 μm and below in modern semiconductor technologies. At this point, it should be mentioned as particularly advantageous that the control connection 117 does not have to lie in the signal path, so that there is no contact between the two signal electrodes which are formed by the two gate electrodes 107, 109 in the varactor according to the invention must be attached for the control voltage. With a contact between the two gate electrodes 107, 109 it would not be possible to achieve the minimum distance between the gate electrodes.
Mit dem erfindungsgemäßen Varaktor lassen sich auch bei sehr hohen Frequenzen von über 50 GHz akzeptable Werte für die Güte erreichen. Damit wird es möglich, integrierte spannungsgesteuerte Oszillatoren in Siliziumbasierter Technologie in dem genannten Frequenzbereich zu realisieren. Bei niedrigeren Arbeitsfrequenzen werden die Parameter eines mit dem erfin- dungsgemäßen Varaktor aufgebauten spannungsgesteuerten Oszillators gegenüber einem mit einem Varaktor nach Stand der Technik aufgebauten spannungsgesteuerten Oszillator verbessert. Dies führt insbesondere zu einem verringerten Phasenrauschen.With the varactor according to the invention, acceptable values for the quality can be achieved even at very high frequencies above 50 GHz. This makes it possible to implement integrated voltage-controlled oscillators in silicon-based technology in the frequency range mentioned. At lower operating frequencies, the parameters of one with the invented voltage-controlled oscillator constructed according to the invention is improved compared to a voltage-controlled oscillator constructed with a varactor according to the prior art. This leads in particular to a reduced phase noise.
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Varaktors ist in Draufsicht in Fig. 6 dargestellt. Diejenigen Elemente des Varaktors, die mit denen im ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im folgenden wird nur auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.An alternative embodiment of the varactor according to the invention is shown in plan view in FIG. 6. Those elements of the varactor that correspond to those in the first exemplary embodiment are identified by the same reference numerals. Only the differences from the first exemplary embodiment are discussed below.
Im Unterschied zum im ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Varaktor sind die Gate-Elektroden 107a, 109a im zweiten Ausführungsbeispiel verzahnt ausgebildet. Die Zähne der Gate-Elektroden greifen dabei wechselseitig ineinander, so dass ein mäanderförmiger Spalt zwischen den beiden Elektroden verbleibt. Auf diese Weise lässt sich die Länge des Kanalbereiches gegenüber dem im ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Varaktor verlängern. Da der Strom zwischen den beiden Gate-Elektroden im wesentlichen nur über die Breite des Kanalbereichs fließen muss, lässt sich durch die Verlängerung des Kanalbereichs die für den Stromfluss zur Verfügung stehende Querschnittsfläche vergrößern und somit der parasitäre Kanalwiderstand weiter verringern.In contrast to the varactor shown in the first embodiment, the gate electrodes 107a, 109a are toothed in the second embodiment. The teeth of the gate electrodes mutually engage in one another so that a meandering gap remains between the two electrodes. In this way, the length of the channel area can be extended compared to the varactor shown in the first exemplary embodiment. Since the current between the two gate electrodes essentially only has to flow over the width of the channel region, the cross-sectional area available for the current flow can be enlarged by the extension of the channel region and the parasitic channel resistance can thus be further reduced.
Die Länge des Kanalbereiches lässt dich durch eine fraktale Geometrie der Gate-Elektroden 107b und 109b (siehe Fig. 7) weiter vergrößern, so dass der parasitäre Kanalwiderstand noch weiter verringert werden kann. Die Kontak- tierung der fraktalen Gate-Elektroden erfolgt vorzugsweise derart, dass der Weg, den der Strom von der Kontaktierung in die entferntesten Bereiche der fraktalen Elektrode nehmen muss, minimal ist.The length of the channel region can be increased further by a fractal geometry of the gate electrodes 107b and 109b (see FIG. 7), so that the parasitic channel resistance can be reduced even further. The fractal gate electrodes are preferably contacted in such a way that the path that the current has to take from the contact to the most distant regions of the fractal electrode is minimal.
Obwohl der erfindungsgemäße Varaktor im Ausführungsbeispiel mit MOS- Kapazitäten aufgebaut ist, kann die Erfindung auch als Varaktor mit PN- Übergängen als Kapazitäten ausgebildet sein. Fig. 8 stellt eine Schaltskizze für ein erfindungsgemäßen Schwingkreis mit einem erfindungsgemäßen Varaktor 200 dar.Although the varactor according to the invention is constructed with MOS capacitances in the exemplary embodiment, the invention can also be designed as a varactor with PN transitions as capacitances. 8 shows a circuit diagram for an oscillating circuit according to the invention with a varactor 200 according to the invention.
Der Abschnitt zwischen den beiden dargestellten Kondensatoren 202 und 204 repräsentiert die N-Wanne 103, die mit einem Steueranschluss 206 verbun- den ist. Die beiden äußeren Kondensatorplatten der Kondensatoren 202 und 204 stellen die Gate-Elektroden 107, 109 aus Fig. 4 dar. Sie sind mit einer Induktivität 208 verbunden, die zusammen mit dem Varaktor 200 den Schwingkreis bildet. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises hängt sowohl vom Wert der Induktivität 208 als auch von der Kapazität des Varaktors ab. Die Güte des Schwingkreises wird vor allem durch seinen ohmschen Widerstand bestimmt.The section between the two capacitors 202 and 204 shown represents the N-well 103, which is connected to a control connection 206. The two outer capacitor plates of the capacitors 202 and 204 represent the gate electrodes 107, 109 from FIG. 4. They are connected to an inductance 208, which together with the varactor 200 forms the resonant circuit. The resonant frequency of the resonant circuit depends both on the value of the inductor 208 and on the capacitance of the varactor. The quality of the resonant circuit is primarily determined by its ohmic resistance.
Durch Steuern der Kapazität des Varaktors 200, indem über den Steueranschluss 206 ein bestimmtes Potential angelegt wird, lässt sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises einstellen.By controlling the capacitance of the varactor 200 by applying a certain potential via the control connection 206, the resonance frequency of the resonant circuit can be set.
Wegen der größeren Güte des Varaktors gegenüber Varaktoren nach Stand der Technik kann die Resonanzfrequenz zu höheren Frequenzen hin verschoben werden, so dass sich mit einem erfindungsgemäßen Varaktor aufgebaute Schwingkreise auch bei sehr hohen Frequenzen von über 50 GHz akzeptabel einsetzen lassen.Because of the greater quality of the varactor compared to prior art varactors, the resonance frequency can be shifted towards higher frequencies, so that resonant circuits constructed with a varactor according to the invention can be used acceptably even at very high frequencies of over 50 GHz.
Fig. 9 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varaktors in einer Querschnittsansicht. Der Varaktor 300 zweiten Typs umfasst in einem P-dotierten Substrat 301 zwei n-dotierte Wannenbereiche 303 und 305. Die Wannenbereiche 303 und 305 sind durch einen mit einem Isolator, beispielsweise Sililziumdioxid aufgefüllten Graben 307 (nachfolgend auch als Trenchi- solation bezeichnet) von einander getrennt. Lateral sind die Wannenbereiche 303 und 305 durch Feldisolationsgebiete 308, beispielsweise aus Siliziumdioxid (Si02), begrenzt. Das von der Feldisolation 308 umgebene Gebiet stellt das aktive Varaktorgebiet dar. In Signalflussrichtung erstreckt sich auf der Oberfläche eines Teil des aktiven Varaktorgebiets eine Isolationsschicht 309 (Dielektrikum). Die Isolationsschicht 309 trennt die Wannenbereiche 303 und 305 von einer gemeinsame Gate-Elektrode 311. Die Gate-Elektrode 311 weist einen Signalanschluss 317 für eine Steuerspannung VCtri auf.9 shows a fourth exemplary embodiment of the varactor according to the invention in a cross-sectional view. The varactor 300 of the second type comprises two n-doped well regions 303 and 305 in a P-doped substrate 301. The well regions 303 and 305 are separated from one another by a trench 307 (hereinafter also referred to as trench insulation) filled with an insulator, for example silicon dioxide Cut. The trough regions 303 and 305 are laterally delimited by field insulation regions 308, for example made of silicon dioxide (SiO 2 ). The area surrounded by field isolation 308 represents the active varactor area. An insulation layer 309 (dielectric) extends on the surface of part of the active varactor region in the signal flow direction. The insulation layer 309 separates the well regions 303 and 305 from a common gate electrode 311. The gate electrode 311 has a signal connection 317 for a control voltage V C t r i.
Wie das erste Ausführungsbeispiel weist auch der Varaktor des vorliegenden Ausführungsbeispiels zwei Signal-Elektroden 313 und 315 auf. Im Unterschied zur Fig. 4 sind die Signalelektroden 313 und 315 hier an die unmittelbar an die Wannenbereiche 303 bzw. 305 angeschlossen. Im Anschlussgebiet sind je- weils hochdotierte (n+) Gebiete 319 und 321 vorgesehen, die mit den metallischen Eletroden 313 bzw. 315 durch eine nicht dargestellte Silizidschicht verbunden sind. Die hochdotierten Gebiete 319 und 321 erstrecken sich lateral in Signalflussrichtung (bzw. entgegengesetzt dazu) vom Feldisolationsgebiet 308 bis zum jeweiligen Rand der Gate-Elektrode 31 . Der Abstand vom Gate- seiten Rand der hochdotierten Gebiete 319 und 321 bis zum jeweiligen Rand der Trenchisolation 307 beträgt zwischen 0,25 und 1 μm. Die laterale Ausdehnung der Trenchisolation in Signalflussrichtung beträgt an der Substratoberfläche etwa 300 bis 400 nm. In Tiefenrichtung des Substrats verjüngt sich die Trenchisolation. Sie erstreckt sich in Tiefenrichtung etwas über die dotierten Wannenbereiche 303 und 305 hinaus in das p-dotierte Substrat hinein. Bei Herstellung des Varaktors in neueren Technologien mit Minimalabmessungen von z.B. 0,13 μm können die angegebenen lateralen und vertikalen Abmessungen weiter unterschritten werden und damit noch höhere Güten erreicht werden.Like the first exemplary embodiment, the varactor of the present exemplary embodiment also has two signal electrodes 313 and 315. In contrast to FIG. 4, the signal electrodes 313 and 315 are connected here to the directly to the tub areas 303 and 305. Highly doped (n + ) regions 319 and 321 are respectively provided in the connection region and are connected to the metallic electrodes 313 and 315 by a silicide layer, not shown. The highly doped regions 319 and 321 extend laterally in the signal flow direction (or opposite thereto) from the field isolation region 308 to the respective edge of the gate electrode 31. The distance from the gate-side edge of the highly doped regions 319 and 321 to the respective edge of the trench insulation 307 is between 0.25 and 1 μm. The lateral extent of the trench insulation in the signal flow direction is approximately 300 to 400 nm on the substrate surface. The trench insulation tapers in the depth direction of the substrate. It extends in the depth direction somewhat beyond the doped well regions 303 and 305 into the p-doped substrate. When the varactor is manufactured in newer technologies with minimum dimensions of 0.13 μm, for example, the specified lateral and vertical dimensions can be further undershot and thus even higher qualities can be achieved.
Der Signalpfad des vorliegenden Varaktors verläuft von einer der Signal- Elektroden ausgehend durch die N-Wanne zur gemeinsame Gate-Elektrode 311 und von dort zur anderen Signal-Elektrode.The signal path of the present varactor runs from one of the signal electrodes through the N well to the common gate electrode 311 and from there to the other signal electrode.
Mit wachsender positiver Steuerspannung am Gate steigt die Kapazität des Halbleitervaraktors der Fig. 9 an, da eine Akkumulation von Ladungsträgern (Elektronen) an der Oberfläche der n-Wannen auftritt. Fig. 10 zeigt eine Schaltskizze für ein weiteren erfindungsgemäßen Schwingkreis mit einem erfindungsgemäßen Varaktor 400.With increasing positive control voltage at the gate, the capacitance of the semiconductor varactor of FIG. 9 increases, since an accumulation of charge carriers (electrons) occurs on the surface of the n-wells. 10 shows a circuit diagram for a further resonant circuit according to the invention with a varactor 400 according to the invention.
Die Schaltskizze ähnelt der in Fig. 8 gezeigten. Jedoch besteht der Varaktor 400 hier aus zwei parallelgeschalteten Varaktoren, einem Varaktor ersten Typs (Bezugszeichen 100) und einem Varaktor zweiten Typs (Bezugszeichen 300).The circuit diagram is similar to that shown in FIG. 8. However, the varactor 400 here consists of two varactors connected in parallel, a varactor of the first type (reference number 100) and a varactor of the second type (reference number 300).
Durch gegensinniges Ansteuern der Kapazitäten der Varaktoren 100 und 300 mit Steuerspannungen Vctrιι und Vctrι2, lässt sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises einstellen. Dabei erzielt man im Vergleich mit der Oszillator- Schaltung der Fig. 8 geringere Störpegel und geringeres Phasenrauschen.By controlling the capacitances of the varactors 100 and 300 in opposite directions with control voltages V ctr ιι and V ctr ι 2 , the resonance frequency of the resonant circuit can be set. In this case, compared to the oscillator circuit of FIG. 8, lower noise levels and less phase noise are achieved.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der Kapazität der Halbleitervaraktoren 100 und 300 von einer positiven Steuerspannung in einem Diagramm. Aufgetragen ist auf der Abszisse die Steuerspannung und auf der Ordinate die Kapazität. Während die Kapazität des Halbleitervaraktors 100 (erster Typ) mit zunehmender Steuerspannung nicht linear sinkt, steigt die Kapazität des Halbleitervaraktors 300 (zweiter Typ) mit zunehmender Steuerspannung nicht linear an. FIG. 11 is a schematic illustration of the dependency of the capacitance of the semiconductor varactors 100 and 300 on a positive control voltage in a diagram. The control voltage is plotted on the abscissa and the capacity on the ordinate. While the capacitance of the semiconductor varactor 100 (first type) does not decrease linearly with increasing control voltage, the capacitance of the semiconductor varactor 300 (second type) does not increase linearly with increasing control voltage.

Claims

Patentansprüche claims
1. Halbleitervaraktor, umfassend eine erste spannungsgesteuerte Kapazität (103, 107; 303, 311 ) und eine zweite, mit der ersten in Reihe geschaltete spannungsgesteuerte Kapazität (103, 109; 305, 31 1 ), wobei die beiden spannungsgesteuerten Kapazitäten jeweils eine Signalelektrode (107, 109; 313, 315) und einen gemeinsamen Halbleiterbereich (103; 311 ) umfassen.1. Semiconductor varactor, comprising a first voltage-controlled capacitance (103, 107; 303, 311) and a second voltage-controlled capacitance (103, 109; 305, 31 1) connected in series with the first, the two voltage-controlled capacitances each having a signal electrode ( 107, 109; 313, 315) and a common semiconductor region (103; 311).
2. Halbleitervaraktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Halbleiterbereich (103; 311 ) als Steuerelektrode mit einem Steueranschluss (1 17; 317) ausgestaltet ist.2. Semiconductor varactor according to claim 1, characterized in that the common semiconductor region (103; 311) is designed as a control electrode with a control connection (1 17; 317).
3. Halbleitervaraktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steueranschluss (1 17; 317) von den Signalelektroden (107, 109; 313, 315) entfernt angeordnet ist.3. Semiconductor varactor according to claim 2, characterized in that the control connection (1 17; 317) from the signal electrodes (107, 109; 313, 315) is arranged away.
4. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Signalelektroden (107, 109; 313, 315) lateral mit minimalem Abstand voneinander angeordnet sind.4. Semiconductor varactor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the signal electrodes (107, 109; 313, 315) are arranged laterally with a minimum distance from one another.
5. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er in einer Querschnittsebene, die parallel zur Signalflussrichtung von der ersten zur zweiten Signalelektrode liegt, symmet- risch aufgebaut ist.5. Semiconductor varactor according to one of claims 1 to 4, characterized in that it is constructed symmetrically in a cross-sectional plane which is parallel to the signal flow direction from the first to the second signal electrode.
6. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektroden (107a, 109a; 107b, 109b) in einer lateralen Richtung ineinander verzahnt angeordnet sind.6. Semiconductor varactor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the signal electrodes (107a, 109a; 107b, 109b) are arranged interlocked in a lateral direction.
7. Halbleitervaraktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung fraktal ausgebildet ist. 7. The semiconductor varactor according to claim 6, characterized in that the toothing is fractal.
8. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Oberflächenbereich des Halbleiterbereiches (103) am Rand der Signalelektroden (107, 109) eine P-dotierte Saugelektrode zum Absaugen von Löchern vorhanden ist.8. Semiconductor varactor according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the surface area of the semiconductor area (103) at the edge of the signal electrodes (107, 109) there is a P-doped suction electrode for suctioning holes.
9. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Halbleiterbereich (103) als Wanne in einem Substrat (101 ) ausgebildet ist.9. Semiconductor varactor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the common semiconductor region (103) is designed as a trough in a substrate (101).
10. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsgesteuerten Kapazitäten als PN- Übergänge ausgebildet sind.10. Semiconductor varactor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the voltage-controlled capacitances are designed as PN junctions.
11. Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsgesteuerten Kapazitäten als MOS- Kapazitäten ausgebildet sind.11. Semiconductor varactor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the voltage-controlled capacitances are designed as MOS capacitances.
12. Halbleitervaraktor mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8, 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Halbleiterbereich als vom Substrat durch eine Isolatorschicht getrenntes Gate ausgebildet ist.12. Semiconductor varactor with the features of one of claims 1 to 8, 10 or 11, characterized in that the common semiconductor region is designed as a gate separated from the substrate by an insulator layer.
13. Halbleitervaraktor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch zwei ins Substrat eingebettete, in einer lateralen Richtung parallel zur Signal- flussrichtung von der ersten zur zweiten Signalelektrode durch einen13. The semiconductor varactor according to claim 12, characterized by two embedded in the substrate, in a lateral direction parallel to the signal flow direction from the first to the second signal electrode by one
Isolatorbereich getrennte dotierte Wannen-Bereiche unterhalb des Gates.Isolator area separate doped well areas below the gate.
14. Halbleitervaraktor nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch jeweils einen in das Substrat eingebetteten, hochdotierten Bereich vom Leitfähigkeitstyp der Wannen unterhalb der Signalelektroden. 14. The semiconductor varactor according to claim 12 or 13, characterized by in each case an embedded in the substrate, highly doped region of the conductivity type of the wells below the signal electrodes.
15. Halbleitervaraktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich der hochdotierte Bereich in Signalflussrichtung bzw. entgegengesetzt dazu über die Signalelektrode hinaus bishin zum Gate erstreckt.15. The semiconductor varactor according to claim 14, characterized in that the highly doped region extends in the signal flow direction or opposite thereto beyond the signal electrode and up to the gate.
16. Oszillator mit einem Halbleitervaraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11.16. Oscillator with a semiconductor varactor according to one of claims 1 to 11.
17. Oszillator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalelektroden (202, 204) des Varaktors (200) direkt mit einer oder mehreren Induktivitäten (208) verbunden sind.17. Oscillator according to claim 13, characterized in that the signal electrodes (202, 204) of the varactor (200) are connected directly to one or more inductors (208).
18. Oszillator mit einem Halbleitervaraktor nach Anspruch 12.18. Oscillator with a semiconductor varactor according to claim 12.
19. Oszillator mit einer Parallelschaltung eines ersten Halbleitervaraktors nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und eines zweiten Halbleitervaraktors nach Anspruch 12. 19. Oscillator with a parallel connection of a first semiconductor varactor according to one of claims 1 to 11 and a second semiconductor varactor according to claim 12.
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