Способ управления емкостью электрического конденсатора и полупроводниковый конденсатор на его основе

Способ управления емкостью электрического конденсатора и полупроводниковый конденсатор на его основе относятся к радиоэлектронной промышленности и могут быть использованы в конденсаторостроении. Согласно изобретению, для управления емкостью электрического конденсатора шунтируют емкость его примесного полупроводникового слоя, расположенного между слоями диэлектрика, для чего к этому слою прикладывают управляющее электрическое поле, направленное поперек основного поля конденсатора, при этом изменением напряженности управляющего поля регулируют емкость конденсатора. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности управляющего поля за счет изменения абсолютной емкости конденсатора при гальванической развязке цепей управления емкостью и ее рабочих цепей. Предложен также полупроводниковый конденсатор с электродами управляющего поля. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к радиоэлектронной промышленности и может быть использовано в конденсаторостроении.

Конденсаторы переменной емкости находят широкое применение в системах автоматики, контроля и управления, генераторах электрической энергии. Принципиально, способы управления емкостью конденсатора основываются на изменении площади его обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости применяемого диэлектрического материала или их комбинации и осуществляются механически (конденсаторы переменные и подстроечные) и электрически для нелинейных емкостей (вариконды, варикапы).

При этом вариконды увеличивают емкость с увеличением напряжения на обкладках. В варикапах и их аналогах на МДП-структурах (металл-диэлектрик-полупроводник) для изменения емкости используется зависимость ширины р-n-зонного перехода от приложенного напряжения: с увеличением напряжения емкость снижается вследствие увеличения ширины гомогенного или гетерогенного перехода. Использование в схемах управления емкостью и варикапов и варикондов требует приложения специального дополнительного напряжения смещения. Варикапы имеют меньшую по сравнению с варикондами добротность, но большую стабильность емкости и меньшие потери при высоких частотах (см. Горшков А.П. «Переменные конденсаторы» // «Радио» №1, 1947; Кочеров А.В. «Конденсатор электрический» // «Большая Советская энциклопедия», М.: Советская энциклопедия, 1969-1978; Жеребцов И.П. «Основы электроники», Л.: Энергоатомиздат, 1985, с.137-138, 150-151).

В том числе известен способ, при котором регулирование емкости в заданном диапазоне производят за счет механического воздействия на подвижную пластину или группу подвижных пластин, путем их перемещения относительно неподвижной или группы неподвижных пластин, при этом достигают одновременного изменения расстояния между пластинами и толщины диэлектрика между пластинами. По достижении требуемого значения емкости положение пластин фиксируют. Этот способ промышленно реализован в подстроечных конденсаторах и конденсаторах переменной емкости (А.П.Горшков «Переменные конденсаторы» // «Радио» №1, 1947).

Основным недостатком способа является необходимость передачи механического воздействия на подвижные пластины, сложность конструкции, использование дорогостоящих материалов и драгоценных металлов при изготовлении. Поэтому устройства, его реализующие, отличаются высокой металлоемкостью, сложностью конструкции и трудно миниатюризуемы.

Известен способ управления емкостью конденсатора, реализованный в конденсаторе переменной емкости, имеющем дополнительные внутренние обкладки, разделенные между собой и с внешними обкладками слоями диэлектрика, с возможностью их соединения через переменные сопротивления и коммутационные элементы. Способ заключается в шунтировании части емкости диэлектрика конденсатора, заключенного между внутренними обкладками, путем их закорачивания между собой (см. «Конденсатор переменной емкости», авт.св. СССР №769650, МПК⁴ H01G 7/00, 1984 г.).

Недостатком этого способа является выбор разработчиками конструкции технического решения, не позволяющего вернуть емкость конденсатора в исходное состояние после разблокировки закоротки внутренних обкладок, поскольку они при этом останутся заряженными. Кроме того, способ требует использования коммутационной аппаратуры и регулирования переменного сопротивления.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ и устройство, реализованное в виде четырехэлектродного полупроводникового конденсатора, в котором полупроводниковый слой расположен между металлическими слоями, разделенными диэлектриком, а выводы подсоединены к полупроводниковому слою. На полупроводниковый слой, выполненный из собственного полупроводника, подается постоянный ток. Насыщение полупроводникового слоя электронами тока позволяет частично шунтировать емкость полупроводникового слоя, а следовательно, и емкость конденсатора в целом. Степень изменения емкости конденсатора регулируют силой тока, подаваемого в полупроводниковый слой через омические выводы, осуществляя таким образом развязку цепи управления и функциональной цепи емкости, что важно для ряда приложений (см. «Полупроводниковый конденсатор», авт.св. СССР №535608, МПК⁵ H01G 7/00, 1971 г.).

Недостатком данного, выбранного в качестве прототипа, способа и реализующего его устройства является незначительный диапазон изменения емкости, вследствие низкой проводящей способности собственного полупроводника, и недостаточно высокий КПД, обусловленный необходимостью поддержания тока управления при зафиксированной величине емкости конденсатора.

Задачей изобретения является расширение диапазона изменения абсолютной, а не только дифференциальной емкости конденсатора, повышение экономичности управления емкостью и эффективности действия управляющего поля при гальванической развязке цепей управляющего и управляемого сигнала.

Решение поставленной задачи достигается тем, что емкостью электрического конденсатора управляют путем шунтирования емкости его примесного полупроводникового слоя, расположенного между слоями диэлектрика или сегнетоэлектрика. При этом изменяют концентрацию находящихся в зоне действия основного поля конденсатора подвижных носителей заряда примесного полупроводникового слоя, для чего к этому слою, через слой диэлектрика или сегнетоэлектрика, прикладывают управляющее электрическое поле, ориентированное поперек основного поля конденсатора, а изменение емкости конденсатора осуществляют увеличением или уменьшением напряженности управляющего электрического поля. Эффективность действия управляющего поля повышают, облегчая перемещение подвижных носителей заряда слоя примесного полупроводника под действием управляющего поля, для чего в указанном слое формируют токопроводящий канал, ориентированный по направлению действия управляющего поля.

Сущность изобретения состоит в том, что управляют емкостью составного электрического конденсатора, состоящего из последовательно включенных двух емкостей слоев диэлектрика или сегнетоэлектрика с общим значением С_д и емкости С_пп слоя примесного полупроводника, шунтируемой переменным сопротивлением R_ш (см. фиг.4). Минимальная общая емкость С конденсатора при этом (R_ш=∞) составит (например, методику расчета см. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1967, с.621-623):

Если теперь полностью зашунтировать (R_ш=0) емкость С_пп примесного полупроводникового слоя, то максимальная общая емкость С_ш конденсатора составит:

Таким образом, меняя степень шунтирования емкости примесного полупроводникового слоя, получаем изменение общей емкости конденсатора в интервале от С до С_д, согласно выражениям (1, 2). Подбором диэлектрической проницаемости материала внутренних слоев конденсатора и их толщины, получаем любой нужный диапазон изменения значения (перекрытия) емкости конденсатора, т.е. соотношения С и С_д.

Степень шунтирования емкости примесного полупроводникового слоя определяется изменением концентрации находящихся в зоне действия основного поля конденсатора подвижных носителей заряда примесного полупроводникового слоя, которая изначально, в отсутствии управляющего напряжения, выбирается достаточной для полного шунтирования его емкости.

Адсорбцией из зоны действия основного поля конденсатора подвижных носителей заряда примесного полупроводника достигается превращение примесного полупроводникового слоя в этой зоне в диэлектрик с собственным коэффициентом диэлектрической проницаемости основного материала. Для этого к примесному полупроводниковому слою прикладывается, вызывающее перемещение подвижных носителей заряда за пределы зоны действия основного поля конденсатора, поперечно к нему направленное управляющее поле. При этом, согласно принципу суперпозиции действия электрических полей (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1974. с.344), на элементарные подвижные носители заряда будут одновременно действовать силы, перемещающие их по направлению и основного и управляющего поля. Отсюда очевидно, что если напряженность Е_у управляющего поля в примесном полупроводниковом слое будет превосходить напряженность Е_р основного рабочего поля:

то подвижные носители будут перемещаться по направлению управляющего поля и выйдут из зоны действия основного поля.

Силовые линии оставшихся неподвижных заряженных ионов кристаллической решетки примесного полупроводника при этом, в силу общей электрической нейтральности устройства, замкнутся на управляющие электроды и накопленные ими подвижные носители заряда и на величину основной рабочей емкости конденсатора не повлияют.

Сопоставительный анализ с наиболее близкими аналогами и прототипом показывает, что предлагаемый способ управления емкостью конденсатора и устройство на его основе отличаются иной, более универсальной и более эффективной технологией изменения емкости конденсатора.

В отличие от переменных конденсаторов на МДП-структурах и варикапов, предлагаемый способ не имеет ограничений по напряжению пробоя барьера Шотки или обратного р-n перехода, не имеет несимметрии для рабочих напряжений и не требует поддержания постоянного управляющего тока, управление в нем осуществляется абсолютной емкостью конденсатора, а не только дифференциальной емкостью по переменному напряжению. Также, принципиально важным отличием является гальваническая развязка цепей управления с основными рабочими цепями емкости.

В отличие от способа, реализованного в устройстве «Полупроводниковый конденсатор» (прототипе), в котором эффект изменения емкости четырехэлектродного конденсатора достигается пропусканием тока через слой полупроводника в направлении, поперечном к основному полю конденсатора, и который имеет ограниченный коэффициент перекрытия и требует постоянного поддержания управляющего тока, в предлагаемом техническом решении управляющее воздействие прикладывается к слою примесного полупроводника через слой диэлектрика или сегнетоэлектрика, с осуществлением процесса насыщения - обеднения за счет примесной проводимости и примесных подвижных носителей заряда, что устраняет недостатки прототипа, расширяет диапазон изменения емкости, повышает экономичность устройства и эффективность применения управляющего поля конденсатора.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна" и "изобретательский уровень".

На рисунках фиг.1-4 показаны варианты конструкции полупроводникового конденсатора, реализующие предлагаемый способ управления емкостью конденсатора и его эквивалентную электрическую схему.

Устройство содержит токопроводящие обкладки 1, предназначенные для создания основного поля конденсатора, разделенные слоями 2 диэлектрика или сегнетоэлектрика, между которыми размещен слой 3 примесного полупроводника, частично выступающий за габариты обкладок 1 конденсатора. Электроды 4 управляющего поля, предназначенные для создания управляющего поля, поперечного основному полю конденсатора, через слой 5 диэлектрика или сегнетоэлектрика подведены к противоположным выступающим за габариты обкладок 1 конденсатора частям слоя 3 примесного полупроводника. Создание выступающей за габариты обкладок 1 конденсатора части слоя 3 примесного полупроводника необходимо для исключения взаимовлияния обкладок 1 и электродов 4 управляющего поля, а также для накопления в этой области подвижных носителей заряда примесного полупроводника.

Выбором толщины и диэлектрической проницаемости материала слоев 2 и 5 диэлектрика или сегнетоэлектрика обеспечивают требуемое соотношение величин управляющего и управляемого сигналов, определяющее эффективность управления емкостью конденсатора.

Управление емкостью конденсатора осуществляется следующим образом.

Прикладывая к обкладкам конденсатора, в общем случае, переменное рабочее напряжение U_p(t), в примесном полупроводниковом слое конденсатора получают основное рабочее поле напряженностью, в общем случае, E_p(t). Управляющее поле напряженностью Е_у в примесном полупроводниковом слое создают приложением к электродам управляющего напряжения U_y от источника регулируемого напряжения (на рисунке не показан). Направление перемещения каждого элементарного подвижного носителя заряда (электрона е^-, дырки е⁺) примесного полупроводникового слоя при этом будет определяться векторной суммой сил (f_p, f_y) и, соответственно, напряженностей, приложенных к нему со стороны всех действующих полей, а в данном случае основного и управляющего поля.

Образование управляющего поля вызывает перемещение подвижных носителей заряда примесного полупроводника к управляющим электродам, за пределы основного поля конденсатора, вызывая обеднение слоя примесного полупроводника в зоне основного поля конденсатора и, тем самым, расшунтирование емкости слоя примесного полупроводника с уменьшением общей емкости конденсатора. Снятие управляющего поля (напряжения с управляющих электродов) приводит к обратным последствиям.

Таким образом, управление емкостью конденсатора осуществляют увеличением или уменьшением напряженности управляющего поля, путем изменения значения управляющего напряжения U_y, подводимого от источника регулируемого напряжения. По достижении заданной величины емкости конденсатора, напряженность и напряжение управляющего поля сохраняют неизменной.

С целью повышения эффективности действия управляющего поля, слой 5 диэлектрика (сегнетоэлектрика) конденсатора может изготавливаться из материала со значительно более высокой диэлектрической проницаемостью, чем у диэлектрика (сегнетоэлектрика) слоя 2. В этом случае управление будет осуществляться меньшими значениями управляющего напряжения.

Для облегчения перемещения подвижных носителей заряда слоя примесного полупроводника под действием управляющего поля и уменьшения влияния поверхностных ловушек и дефектов, всегда имеющих место в реальном полупроводнике, возможно формирование в нем токопроводящего канала, ориентированного по направлению действия управляющего поля.

Технологически возможна реализация предлагаемого способа также и в планарном варианте, как это представлено на фиг.2, 3.

Нужное значение общей емкости конденсатора получают параллельным соединением необходимого количества элементарных емкостей.

Использование предлагаемого способа управления емкостью конденсатора и устройства на его основе дает, по сравнению с существующими способами электрического управления емкостью, следующий технический результат:

значительно расширяет диапазон изменения абсолютной, а не только дифференциальной, емкости конденсатора,

обеспечивает гальваническую развязку управляющих и управляемых цепей конденсатора переменной емкости,

повышает экономичность управления емкостью конденсатора за счет исключения необходимости постоянного поддержания управляющего тока и большей эффективности действия управляющего поля.

Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предполагается использование существующих, освоенных технологий конденсаторостроения и микроэлектроники, а также не требуется применение каких-либо неизвестных современной промышленности, средств, материалов или элементов. В том числе, формирование токопроводящих каналов, например, путем модулированного легирования или использования гетеропереходов на быстрых электронах широко применяется в производстве полевых транзисторов и приборов с зарядовой связью (см., например, Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1. - М.: Мир, 1984. с.437-445, 446-450; Гуртов В.А. Твердотельная электроника. Учебное пособие. - Петрозаводск: ПГУ, 2004. с.27-30; Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. - М.: Радио и связь, 1984. с.37).

1. Способ управления емкостью электрического конденсатора путем шунтирования емкости его полупроводникового слоя, расположенного между слоями диэлектрика, отличающийся тем, что указанное шунтирование проводят в слое из примесного полупроводника, в котором изменяют концентрацию его подвижных носителей заряда, находящихся в зоне действия основного поля конденсатора, для чего к указанному слою примесного полупроводника прикладывают управляющее электрическое поле, ориентированное поперек основного поля конденсатора, а изменение емкости конденсатора осуществляют увеличением или уменьшением напряженности управляющего электрического поля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что облегчают перемещение подвижных носителей заряда слоя примесного полупроводника под действием управляющего поля, для чего в указанном слое формируют токопроводящий канал, ориентированный по направлению действия управляющего поля.

3. Полупроводниковый конденсатор, содержащий слои диэлектрика и полупроводника, обкладки, предназначенные для создания основного поля конденсатора, и электроды, служащие для формирования в полупроводниковом слое управляющего поля, отличающийся тем, что обкладки конденсатора разделены слоями диэлектрика или сегнетоэлектрика с расположенным между ними, частично выступающим за габариты обкладок слоем примесного полупроводника, к противоположным выступающим частям которого через слои диэлектрика или сегнетоэлектрика подведены электроды управляющего поля.

4. Конденсатор по п.3, отличающийся тем, что в слое примесного полупроводника сформирован токопроводящий канал, ориентированный по направлению действия управляющего поля.