專利名稱：壓電振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓電振蕩器，并且更具體地，涉及一種使用可變電容電路的壓電振蕩器，該可變電容電路利用MOS電容元件來進行頻率電壓控制、頻率溫度補償?shù)取?br> 背景技術：
作為替代可變電容二極管的可變電容元件，MOS電容元件是目前備受關注的元件。在用于諸如便攜式電話等的溫度補償晶體諧振器(此后稱作TCXO)的應用中，MOS電容元件具有即使電壓變化微小也能獲得大的電容變化的特征。因此，即使在用于振蕩電路的電壓變低而必須將可施加給可變電容元件的電壓設置得較低的情形下，MOS電容元件在實際應用中也具有足夠的電容特性。
圖12示出了設置在IC中的傳統(tǒng)MOS電容元件的結構。該圖是被稱作蓄積型(accumulation type)MOS電容元件的結構圖。在圖12中，P型硅基板(P基板)101接地。在P型硅基板101之上，形成有N阱層102、包括用作絕緣體的氧化硅的柵氧化膜層103，以及包括多晶硅等的柵極層104。從柵極層104引出柵極作為外部端子。在N-阱層102上接近柵氧化膜層103的兩個位置處形成具有高施主雜質(zhì)濃度的N型引出電極(此后稱作N+電極)105(用作MOS晶體管中的漏區(qū)和源區(qū))。使N型引出電極短路，引出背柵極，作為外部端子。
圖13示出了蓄積型MOS電容元件的特性的示例，其示出了在背柵極與柵極之間產(chǎn)生的電容值Cgb(此后稱作Cgb)，Cgb作為從背柵電壓測量的柵電壓Vgb(此后稱作Vgb)的函數(shù)。在該特性曲線中，當由橫軸代表的Vgb在正側時，由縱軸代表的Cgb呈現(xiàn)為高的定值。如果Vgb減少并且變得低于0V，則Cgb急劇地減少。如果Vgb減少到特定值，則Cgb穩(wěn)定在低的定值。
實際上，該特性曲線會由于以下因素而向左或者向右移動平帶電壓Vfb的大小柵極層104與N阱層102之間的雜質(zhì)濃度差所引起的電勢差或者諸如柵氧化膜層103中的鈉離子的電荷。在隨后的描述中，將Vfb假設為0V。
此后，參照示意圖，以空穴或者電子數(shù)量的變化詳細地描述當Vgb從圖13所示的(1)到(6)連續(xù)減小時，所引起的柵極層104與N-阱層102中的電荷數(shù)量的相對變化。
圖14是示出當Vgb接近采用與圖13所示的(1)相對應的正側上的值，并且Cgb呈現(xiàn)高而穩(wěn)定的定值時，柵極層104和N阱層102中的相對電荷狀態(tài)的示意圖。因為Vgb在正側，所以空穴106存儲在圖14所示的柵極層104中。作為N+電極105和N阱層102中的多數(shù)載流子的、受到空穴106的電場吸引的電子存儲在柵氧化膜層103下，所存儲的電荷量等于空穴106的總電荷量。從而，形成電子存儲層107。因此，在此產(chǎn)生與柵氧化膜層103的厚度成反比的電容Cgb(此后將其稱作柵氧化膜電容)。
圖15示出了其中Vgb已經(jīng)減少到與圖13所示的(2)幾乎相對應的值的狀態(tài)。存儲在柵極層104中的空穴減少，從而吸附在柵氧化膜層103下的電子存儲層107中的電子也減少。通過圖13所示的(1)與(2)之間的Vgb的值而產(chǎn)生的Cgb是柵氧化膜電容，并且其為定值。
圖16示出了其中Vgb已經(jīng)減少到與圖13所示的(3)幾乎相對應的較之0V略靠負側的值的狀態(tài)。存儲在柵極層104中的空穴106被電子108替換。從而，電子存儲層107中的電子被大部分吸引到N+電極105中。存儲在柵氧化膜層103下的N阱層102中的自由電子發(fā)射到N阱層102的深層中。因此，在柵氧化膜層103下形成包含施主離子的耗盡層109。從而，Cgb成為柵氧化膜電容與耗盡層電容的串聯(lián)組合電容，并且其由此減小。
圖17示出其中Vgb已經(jīng)減少到與圖13所示的(4)幾乎相對應的值的狀態(tài)。此時，耗盡層109隨著柵極層104中的電子108增加而擴展其寬度。由于Vgb的減小而引起的耗盡層寬度的增加，Cgb的值急劇地減少。
圖18示出了其中Vgb進一步減少到與圖13所示的(5)幾乎相對應的值的狀態(tài)，在該狀態(tài)下，Vgb成為特定值(在該值時，高達N阱層102與本征半導體之間產(chǎn)生的內(nèi)置電壓的兩倍的電壓被施加到耗盡層109)或者更小。此時在耗盡層109中，空穴(其為熱產(chǎn)生的電子空穴對所產(chǎn)生的少數(shù)載流子)受耗盡層109中的電場的力作用，并且存儲在柵氧化膜層103下以形成反轉層110。從而，耗盡層109的寬度沒有增加，而是等于圖17所示的寬度。
另一方面，因為熱載流子的產(chǎn)生涉及反轉層110中的空穴的增加和減少，所以需要一定的時間。因此，在高頻率中使用的情況下，MOS電容元件不會作為電容起作用。因此，高頻率下的電荷的增加和減少僅在耗盡層109的末端進行。當Vgb從圖13所示的(4)變化到(5)時，Cgb的值沒有改變。
圖19示出其中Vgb已經(jīng)減少到與圖13所示的(6)幾乎相對應的值的狀態(tài)。因為反轉層110中所包含的空穴隨著Vgb減少而指數(shù)地增加，所以耗盡層109的寬度沒有改變。因此，Cgb變成相對于Vgb的定值。
在圖13所示的電容特性的示例中，電容值也趨向于隨電壓值的增大而增大。這符合在具有形成在N阱層上的N+電極的蓄積型MOS電容元件中，通過采用背柵電壓作為基準使柵電壓擺動的情況。同樣，在將P+電極設置在P阱層上的情況下，或者通過采用柵極作為基準而使背柵極擺動的情況下，電容特性曲線的增長趨勢相反。
提出了通過利用如上所述的MOS電容元件的電容特性來實施TCXO的外部頻率調(diào)節(jié)或者頻率溫度補償?shù)亩喾N電路形式。此后，參考附圖描述它們的示例。
圖20示出了使用MOS電容元件的第一振蕩電路示例。在該示例中，將晶體諧振器X、間接型溫度補償電路、直流阻塞電容C1、外部頻率調(diào)節(jié)電路、以及直流阻塞電容C2與放大器串聯(lián)連接。在圖20所示的外部頻率調(diào)節(jié)電路中，將來自外部控制電路的基準電壓信號Varef經(jīng)由輸入電阻器R1提供到用于外部控制的MOS電容元件MA(此后稱作外部用MA)的背柵極側。將來自外部控制電路的外部控制電壓信號Vafc經(jīng)由輸入電阻器R2提供到外部用MA的柵極側。
在圖20所示的間接型溫度補償電路中，將基準電壓信號Vref經(jīng)由輸入電阻器R3提供到用于溫度補償?shù)腗OS電容元件MC(此后稱作補償用MC)的背柵極。將用于補償?shù)目刂齐妷盒盘朧co經(jīng)由輸入電阻器R4提供到柵極。將基準電壓信號Vref和用于補償?shù)目刂齐妷盒盘朧co的線路與控制電路相連。將控制電路與諸如熱敏電阻的熱敏元件相連。
在外部用MA和補償用MC的每一個中都使用了具有圖13所示的Cgb隨著Vgb的增大而增大的電容特性的MOS電容元件。對于外部用MA，施加以基準電壓信號Varef為基準，從負側變化到正側的外部控制電壓信號Vafc。同樣，對于補償用MC，施加以基準電壓信號Vref為基準，從負側變化到正側的控制電壓信號Vco。此時，獲得圖21所示的頻率偏差隨著Vgb增大而減小的特性。
這里，在外部頻率調(diào)節(jié)電路中，能夠實施調(diào)節(jié)，以通過從外部控制電路提供相應的外部控制電壓信號，獲得頻率控制范圍內(nèi)的任意頻率。另外，此時，圖21所示的可變頻率特性與圖13所示的MOS電容元件的急劇電容值變化相比，變得變化平緩，并且能夠使用外部控制電壓信號Vafc來進行精細的頻率調(diào)節(jié)。
另一方面，在間接型溫度補償電路中，通過控制電路將控制電壓信號提供到補償用MC，該控制電壓信號按照與相對于溫度而曲線地變化的晶體諧振器的任意頻率特性相同的方式進行變化。待提供的控制電壓信號預先作為數(shù)字數(shù)據(jù)存儲在未示出的ROM等中。基于由連接到控制電路的熱敏元件所測量的環(huán)境溫度的信息來讀出數(shù)據(jù)，并且產(chǎn)生控制電壓信號。
現(xiàn)在假設將對如圖22所示的晶體諧振器(AT切割)的頻率溫度特性進行補償。在該頻率溫度特性中，在低于常溫(例如，25攝氏度)的低溫下，頻率隨溫度的下降而曲線地減小。在常溫附近，頻率變化很小。在高于常溫的高溫下，頻率隨著溫度的升高而曲線地增大。因此，頻率溫度特性表示為三次曲線。
如果在間接型溫度補償電路中，由控制電路將相對于溫度具有類似三次曲線特性的控制電壓信號提供到補償用MC，則能夠獲得去除了圖22所示的三次曲線的頻率溫度特性的負載電容曲線，并且能夠實施頻率的溫度補償。
然而，在該系統(tǒng)中，要提供的具有三次曲線的控制電壓信號是以模擬的方式得到的。因此，需要通過自由使用IC技術來實現(xiàn)復雜的邏輯電路。
由本申請人提交的日本專利申請?zhí)亻_2001-060828號公報(專利文獻1)中公開了一種TCXO的溫度補償系統(tǒng)，在對具有圖22中所示的三次曲線的晶體振蕩器進行溫度補償時，其利用MOS電容元件原本具有的曲線性電容變化。下面參照附圖簡要地描述其原理。
在MOS電容元件的上述特性中，由N阱層102與本征半導體之間產(chǎn)生的內(nèi)置電壓預先施加從柵極到背柵極的偏壓將特性曲線如圖23(A)所示向右側移動。因此，使用在Vgb是0V的點處具有幾乎變成點對稱的特性的兩個MOS電容元件。
換言之，將一個由圖23(A)中的121表示的Vgb主要在正側上的MOS電容元件用于在常溫和低于常溫的溫度下進行補償。將另一個由圖23(A)中的122表示的Vgb主要在負側上的MOS電容元件用于在常溫和高于常溫的溫度下進行補償。能夠根據(jù)環(huán)境溫度變化不斷地發(fā)出補償信號。
從而，如圖23B所示，可獲得去除了圖22所示的晶體諧振器中頻率溫度特性的負載電容特性。因此，能夠實施頻率的溫度補償。
圖24示出了使用實現(xiàn)此結構的頻率溫度補償電路的第二振蕩電路示例。在該示例中，晶體諧振器X和串聯(lián)的溫度補償電路與放大器串聯(lián)連接。
通過將一并聯(lián)電路與一串聯(lián)電路串聯(lián)連接來獲得圖24所示的串聯(lián)溫度補償電路，所述并聯(lián)電路由用作第一MOS電容元件的用于在高溫下進行補償?shù)腗OS電容元件MH(此后稱作高溫用MH)和用作第一固定電容元件的調(diào)節(jié)用電容器C1組成，所述串聯(lián)電路由用作第二MOS電容元件的用于在低溫下進行補償?shù)腗OS電容元件ML(此后稱作低溫用ML)和用作第二固定電容元件的用于直流阻塞和調(diào)節(jié)的電容器C2組成。
將用作第二控制電壓信號的低溫控制電壓信號VL經(jīng)由輸入電阻器R1提供到低溫用ML的背柵極與電容器C2之間的節(jié)點。將用作第一控制電壓信號的高溫控制電壓信號VH經(jīng)由輸入電阻器R2提供到高溫用MH的柵極。將低溫用ML的柵極連接到高溫用MH的背柵極。將基準電壓信號Vref經(jīng)由輸入電阻器R3提供到它們之間的節(jié)點。
低溫控制電壓信號VL、高溫控制電壓信號VH以及基準電壓信號Vref的線路與控制電路相連。該控制電路與諸如熱敏電阻的熱敏元件相連。
隨著環(huán)境溫度從低溫經(jīng)由常溫變化到高溫，由圖24所示的與熱敏元件相連的控制電路將低溫控制電壓信號VL提供到低溫用ML的背柵極，該低溫控制電壓信號VL在與輸入到低溫用ML的柵極的基準電壓信號Vref的電勢差方面，從接近0V線性地減小到負側(其等價于圖23(A)中Vgb從接近0V到正側的線性增大)。另一方面，隨著環(huán)境溫度從低溫經(jīng)由常溫變化到高溫，將高溫控制電壓信號VH提供到高溫用MH的柵極，在與輸入到高溫用MH的背柵極的基準電壓信號Vref的電勢差方面，該高溫控制電壓信號VH從負側線性地接近0V(其等價于圖23(A)中Vgb從負側到接近0V的線性增大)。
對于低溫用ML的電容變化，電容隨著溫度從低溫變化到常溫而急劇地增大，而在常溫和高于常溫的溫度處電容變化微小。另一方面，對于高溫用MH的電容變化，在低溫和接近常溫處變化微小，而電容隨著溫度從常溫變化到高溫而急劇增大。因此，低溫用ML和高溫用MH的串聯(lián)組合電容值在各自補償溫度范圍內(nèi)沒有沖突。并且通過調(diào)節(jié)與低溫用ML串聯(lián)連接的電容器C2和與高溫用MH并聯(lián)連接的電容器C1的值，能夠獲得如圖23(B)所示的任意負載電容曲線。
日本專利申請?zhí)亻_2001-060828號公報。

發(fā)明內(nèi)容
待通過本發(fā)明解決的問題然而，在蓄積型MOS電容元件的上述電容特性中，如圖25所示，存在Cgb在低電容值區(qū)域內(nèi)相對于時間不穩(wěn)定的區(qū)域(此后稱作Cmin區(qū)域)。(這里，圖25所示的(1)到(6)中的Vgb的值與圖13所示的各自的值相一致。)在Vgb從與Cmin區(qū)域相比為正側瞬間變化到Cmin區(qū)域中之后，Cgb隨即成為虛線202上的值，其略低于代表圖25所示的穩(wěn)定狀態(tài)中的特性的實線201上的值。此后，Cgb逐漸返回實線201上的值。不穩(wěn)定區(qū)域由此現(xiàn)象導致。
下面考慮此現(xiàn)象的原因。在Vgb從與圖25所示的(4)相比為正側上的電勢瞬間變化到例如(5)之后，沒有立即產(chǎn)生形成圖18所示的前述反轉層110的空穴，并且耗盡層109的寬度增大。此后，在一定的時間內(nèi)熱激發(fā)的空穴構成反轉層110。從而，對應于空穴的總電荷數(shù)量的耗盡層109消失并且其寬度減小。這被認為是上述現(xiàn)象的原因。此現(xiàn)象需要的時間被認為是使作為耗盡層中的少數(shù)載流子的空穴達到熱平衡狀態(tài)的時間。
圖26示出了通過對Cmin區(qū)域中的不穩(wěn)定電容特性的狀態(tài)進行檢測而獲得的實驗結果。圖26所示的實驗1到4中所使用的MOS電容元件都是相同的MOS電容元件。縱坐標表示電容值。橫坐標表示留置時間。用于測量電容值的頻率為1MHz。Vgb留置于初始電壓+4V處接近2分鐘。此后，Vgb在實驗1中瞬間變化到-4V，在實驗2中變化到-3V，在實驗3中變化到-2V，以及在實驗4中變化到-1V。對從該瞬間開始根據(jù)留置時間而變化的各個電容值進行記錄。
在實驗1中的曲線中，從Vgb由+4V變化到-4V的瞬間起，電容值逐漸增大。在經(jīng)過大約100秒之后，電容值趨近于固定值，即，大約9pF。根據(jù)實驗1中的曲線，應該理解在Vgb變化到-4V的瞬時獲得的電容值大約比Vgb為-4V的穩(wěn)定狀態(tài)下的電容值低18％。同樣在實驗2、實驗3、以及實驗4中，在Vgb從初始電壓分別變化到-3V、-2V、以及-1V時的瞬時獲得的電容值低于穩(wěn)定狀態(tài)下的電容值。在變化到-3V的情況下，電容值大約比穩(wěn)定狀態(tài)下的電容值低17％。在變化到-2V的情況下，電容值大約比穩(wěn)定狀態(tài)下的電容值低14％。在變化到-1V的情況下，電容值大約比穩(wěn)定狀態(tài)中的電容值低7％。此后，在大約100秒中各個電容值都趨近于穩(wěn)定狀態(tài)的值。
根據(jù)這些實驗，能夠發(fā)現(xiàn)，Vgb在Cmin區(qū)域中降低得越低(穩(wěn)定狀態(tài)下的電容值越低)，Vgb改變瞬間的減小就越大，并且在整個Cmin的區(qū)域中趨近于此后的穩(wěn)定狀態(tài)需要的時間為大約100秒。(在實驗中，初始電壓為+4V。然而，已經(jīng)確定該特性不依賴于初始電壓的值，并且通過將初始電壓設置為等于與Cmin區(qū)域相比在正側的任意電壓值都可獲得類似結果。)如果將在Cmin區(qū)域中具有不穩(wěn)定特性的常規(guī)蓄積型MOS電容元件用于圖20所示的外部用MA和補償用MC，則圖25所示的Cmin不穩(wěn)定區(qū)域甚至會影響到圖27所示的區(qū)域203(其為可變頻率區(qū)域)，這是因為該可變頻率特性比MOS電容元件的電容變化(如上所述，其為劇烈的)平緩。這成為外部可變頻率特性和間接型頻率溫度補償特性對于時間的不穩(wěn)定性的原因。
如果將在Cmin區(qū)域中具有不穩(wěn)定特性的常規(guī)蓄積型MOS電容元件用于圖24所示的串聯(lián)溫度補償電路，則在如上所述的高溫用MH中，其成為處于接近常溫的溫度下的負載電容的不穩(wěn)定性的原因，即，在常溫下頻率偏差的不穩(wěn)定性的原因，從而導致一系列問題。
解決問題的方法為了解決這些問題，根據(jù)第一方面的本發(fā)明提供了一種壓電振蕩器，其具有通過串聯(lián)地連接放大器、外部頻率調(diào)節(jié)電路、以及壓電元件(壓電諧振器)而獲得的結構，其中外部頻率調(diào)節(jié)電路是使用MOS電容元件和電壓的可變電容電路，并且其具有這樣的配置，該配置用于將具有恒定電壓值的基準信號提供到MOS電容元件的背柵極，并且將圍繞基準信號的控制信號提供到MOS電容元件的柵極，MOS電容元件是在第一導電型的阱區(qū)中形成的第二導電型的溝道晶體管，所述第二導電型與所述第一導電型相反，并且在形成在第二導電型溝道晶體管的源區(qū)和漏區(qū)中的第二導電型引出電極與形成在第一導電型的阱區(qū)中的第一導電型引出電極之間提供偏壓。
根據(jù)第二方面的本發(fā)明提供了一種壓電振蕩器，其具有通過串聯(lián)地連接放大器、溫度補償電路、以及壓電元件而獲得的結構，其中溫度補償電路是使用MOS電容元件和電壓的可變電容電路，并且具有這樣的配置，其用于將具有恒定電壓值的基準信號提供到MOS電容元件的背柵極，并且將圍繞基準信號的補償用控制信號提供到MOS電容元件的柵極，MOS電容元件是在第一導電型阱區(qū)中形成的第二導電型的溝道晶體管，第二導電型與第一導電型相反，并且在形成在第二導電型的溝道晶體管的源區(qū)和漏區(qū)中的第二導電型的引出電極與形成在第一導電型阱區(qū)中的第一導電型的引出電極之間提供偏壓。
根據(jù)第三方面的本發(fā)明提供了一種壓電振蕩器，其具有通過串聯(lián)地連接放大器、溫度補償電路、以及壓電元件而獲得的結構，其中溫度補償電路是使用串聯(lián)連接的兩個MOS電容元件和電壓的可變電容電路，并且具有通過將由第一MOS電容元件和第一固定電容元件組成的并聯(lián)電路與由第二MOS電容元件和第二固定電容元件組成的串聯(lián)電路串聯(lián)連接而獲得的結構，以便將第一MOS電容元件的背柵極連接到第二MOS電容元件的柵極，該溫度補償電路具有如下配置，其用于將具有恒定電壓值的基準信號提供到第一MOS電容元件的背柵極與第二MOS電容元件的柵極之間的節(jié)點；將第一控制信號提供到第一MOS電容元件的柵極；并且將第二控制信號提供到第二MOS電容元件的背柵極，第一和第二MOS電容元件都是在第一導電型的阱區(qū)中形成的第二導電型的溝道晶體管，第二導電型與第一導電型相反，并且在形成在第二導電型的溝道晶體管的源區(qū)和漏區(qū)中的第二導電型的引出電極與形成在第一導電型的阱區(qū)中的第一導電型的引出電極之間提供偏壓。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面提供了一種壓電振蕩器，其具有通過串聯(lián)地連接放大器、溫度補償電路、以及壓電元件而獲得的結構，其中溫度補償電路是使用并聯(lián)地連接的第一和第二MOS電容元件和電壓的可變電容電路，并且具有通過將由第二MOS電容元件和固定電容元件組成的串聯(lián)電路與第一MOS電容元件并聯(lián)地連接獲得的結構，以便將第二MOS電容元件的柵極連接到第一MOS電容元件的背柵極，該溫度補償電路具有如下配置，其用于將具有恒定電壓值的基準信號提供到第二MOS電容元件的柵極與第一MOS電容元件的背柵極之間的節(jié)點；將第二控制信號提供到第二MOS電容元件的背柵極；并將第一控制信號提供到第一MOS電容元件的柵極，第一和第二MOS電容元件都是在第一導電型的阱區(qū)中形成的第二導電型的溝道晶體管，第二導電型與第一導電型相反，并且在形成在第二導電型的溝道晶體管的源區(qū)和漏區(qū)中的第二導電型的引出電極與形成在第一導電型的阱區(qū)中的第一導電型的引出電極之間提供偏壓。
根據(jù)第五方面的本發(fā)明提供了根據(jù)第一到第四方面的任意一個的壓電振蕩器，其中反轉各MOS電容元件的柵極和背柵極的全部連接指向(connection sense)。
根據(jù)第六方面的本發(fā)明提供了根據(jù)第一到第五方面的任意一個的壓電振蕩器，其中第一導電型是N型，而第二導電型是P型。
根據(jù)第七方面的本發(fā)明提供了根據(jù)第一到第五方面的任意一個的壓電振蕩器，其中第一導電型為P型，而第二導電型為N型。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，在第一導電型的溝道晶體管或者第二導電型的溝道晶體管中，在形成在源區(qū)和漏區(qū)中的第一導電型或者第二導電型引出電極與設置在第一導電型的阱區(qū)中的第一導電型引出電極或者設置在第二導電型的阱區(qū)中的第二導電型的引出電極之間施加偏壓。從而改進了MOS電容元件在低電容值范圍內(nèi)對于時間的不穩(wěn)定性。
通過如在日本專利申請?zhí)亻_2001-060828號公報(專利文獻1)中所公開的溫度補償電路中或者在外部控制電路中利用經(jīng)改進的MOS電容元件，能夠使溫度補償電路中的常溫下頻率特性對于時間穩(wěn)定，并且能夠使外部控制電路中的頻率控制特性在廣泛應用的電壓范圍中對于時間穩(wěn)定。
具體實施例方式
圖1是設置在用于本發(fā)明的IC中的P溝道(Pch)晶體管型MOS電容元件的結構圖。在圖1到9中，第一導電型為N型而第二導電型為P型。
在圖1中，將第二導電型(P型)的硅基板(P-sub)1接地。在P-sub1上形成與第二導電型相反的第一導電型的阱區(qū)(此后稱作N阱層)2。在N阱層2上形成包括用作絕緣體的硅氧化物的柵氧化膜層3。在柵氧化膜層3上形成包括多晶硅的柵極層4。從柵極層4引出柵極作為外部端子。N阱層2上接近柵氧化膜層3的兩個位置(MOS晶體管中的漏區(qū)和源區(qū))處形成具有高受主雜質(zhì)濃度的第二導電型(P型)的引出電極5。在P型引出電極5與周圍的N阱層2之間的分界處形成包括PN結的耗盡層6。在N阱層2上形成具有高施主雜質(zhì)濃度的N+引出電極7。將背柵極從N+引出電極7引出到外部。由電源9提供偏壓，通過短路連接兩個P型引出電極5而獲得的節(jié)點8與電源9的負端連接，而背柵極連接到其正端。節(jié)點8接地。
圖2示出了在P溝道晶體管型MOS電容元件中的背柵極與柵極之間生成的電容值Cgb(此后以與前述相同的方式將其稱為Cgb)的特性的示例，其作為從背柵極測量的柵電壓Vgb(此后以與前述相同的方式將其稱為Vgb)的函數(shù)。與背景技術中描述的蓄積型MOS電容元件相同，在特性曲線上，在橫坐標代表的Vgb處于正側時，Cgb呈現(xiàn)高的定值。如果Vgb減小并且變得低于0V，則Cgb急劇減小。如果Vgb已經(jīng)減小到特定值，則Cgb穩(wěn)定在低的定值。
事實上，與前述方式相同，特性曲線會向左或者向右移動平帶電壓Vfb那么多。
此后，參照示意圖以空穴或者電子的數(shù)量變化來詳細描述當Vgb從圖2所示的(1)連續(xù)減小到(6)時所引起的柵極層4和N阱層2中的電荷量的相對變化。
圖3是示出了當Vgb接近采用與圖2中示出的(1)相對應的正側上的值，并且Cgb呈現(xiàn)高的穩(wěn)定定值時，在柵極層4和N阱層2中的相對電荷狀態(tài)的示意圖。因為Vgb在正側上，所以空穴11存儲在圖3所示的柵極層4中。受到空穴11的電場吸引的作為N阱層2中的多數(shù)載流子的電子存儲在柵氧化膜層3下，所存儲的電荷量等于空穴11的總電荷量。由此形成電極存儲層12。因此，在此生成與柵氧化膜層3的厚度成反比的電容Cgb(此后與前述方式相同，將其稱作柵氧化膜電容)。
圖4示出其中Vgb已經(jīng)減小到與圖2所示的(2)幾乎相對應的值的狀態(tài)。存儲在柵極層4中的空穴減少，并且因而受到柵氧化膜層3吸引的電子存儲層12也減少。通過圖2所示的(1)與(2)之間的Vgb值產(chǎn)生的Cgb是柵氧化膜電容，并且其為定值。
圖5示出了其中Vgb已經(jīng)減小到與圖2所示的(3)幾乎相對應的較之0V稍靠負側的值的狀態(tài)。電子13代替了存儲在柵極層4中的空穴11(參見圖4)。從而，電子存儲層12中的電子(參見圖4)和柵氧化膜層3下以及其附近的N阱層2中所存儲的自由電子被發(fā)射到N阱層2的深層中。因此，在柵氧化膜層3下形成了包含施主離子的耗盡層14。從而，Cgb變成柵氧化膜層電容和耗盡層電容的串聯(lián)組合電容值，并且其因此減小。
圖6示出其中Vgb已經(jīng)減少到與圖2所示的(4)幾乎相對應的值的狀態(tài)。此時，耗盡層14隨著柵極層4中的電子13增加而擴展其寬度。由Vgb的減小而引起的耗盡層的增加，使Cgb的值急劇減小。
在圖5和6所示的示意圖中，通過將Vgb變化到負側而將電子13存儲在柵極中。然而，通過電源9提供從接地的P型引出電極5到背柵極的充分偏壓。從而，即使柵電勢由于Vgb的降低而降低，也不會超過所謂的閾電壓。因此，阻止了空穴從P型引出電極5流入柵氧化膜層3下的區(qū)域而形成P溝道。
圖7示出了其中Vgb進一步減少到與圖2中的(5)幾乎相對應的值的狀態(tài)，在該狀態(tài)下Vgb成為特定值(如上所述，在該值處，將高達N-阱層2與本征半導體之間產(chǎn)生的內(nèi)置電壓兩倍的電壓施加到耗盡層14)或者更小。同時在耗盡層14中，與上述的蓄積型相同，通過熱產(chǎn)生的電子空穴對來產(chǎn)生作為少數(shù)載流子的空穴。產(chǎn)生的空穴被吸收到P型引出電極5中并且發(fā)射到地(GND)。因此，在柵氧化膜層3下不形成反轉層，并且耗盡層的寬度增加。因此，即使在圖2所示的蓄積型中Vgb瞬間變化到Cmin不穩(wěn)定區(qū)域中，Cgb也會變成圖2所示的實線上的值并且不發(fā)生變化，這是因為作為少數(shù)載流子的空穴一直處于熱平衡狀態(tài)中。
圖8示出其中Vgb進一步減小到與圖2所示的(6)幾乎相對應的值的狀態(tài)。同樣在該情況中，如前述相同沒有形成反轉層并且耗盡層的寬度增加。因此，改進了傳統(tǒng)蓄積型中的Cmin區(qū)域中的不穩(wěn)定性。
已經(jīng)描述了圖2所示的示例，為了簡化，假設平帶電壓Vfb為0。然而，如參照所述蓄積型所述的，通過在N阱層2與本征半導體之間產(chǎn)生的內(nèi)置電壓，預先施加從柵極到背柵極的偏壓，從而如圖23(A)所示將特性曲線向右移動，可獲得在0V點處幾乎點對稱的特性曲線。從而，如果將P溝道晶體管型MOS電容元件合并作為圖20所示的外部用MA和補償用MC，則可實現(xiàn)對于時間穩(wěn)定的外部可變頻率特性和溫度補償特性。如果將P溝道晶體管型MOS電容元件合并在圖24所示的串聯(lián)溫度補償電路中，則可實現(xiàn)在常溫下的對于時間穩(wěn)定的頻率特性。
圖9(A)和9(B)示出了利用P溝道類型MOS電容元件的第三振蕩電路的示例。
在此示例中，將晶體諧振器X、并聯(lián)溫度補償電路、以及直流阻塞電容器C1與放大器串聯(lián)連接。
通過將作為第一MOS電容元件的用于在高溫下進行補償?shù)腗OS電容元件MH(此后與前述的相同，稱作高溫用MH)，與由作為第二MOS電容元件的用于在低溫下進行補償?shù)腗OS電容元件ML(此后與前述的相同，稱作低溫用ML)和作為固定電容元件的用于直流阻塞和調(diào)節(jié)的電容器C2組成的串聯(lián)電路，并聯(lián)連接來形成圖9(A)所示的并聯(lián)溫度補償電路。
作為第二控制信號的低溫控制電壓信號VL經(jīng)由輸入電阻器R1提供給低溫用ML的背柵極與電容器C2之間的節(jié)點。作為第一控制信號的高溫控制電壓信號VH經(jīng)由輸入電阻器R2提供給高溫用MH的柵極。低溫用ML的柵極與高溫用MH的背柵極彼此連接。基準信號(基準電壓信號)Vref經(jīng)由輸入電阻器R3提供給該節(jié)點。
低溫控制電壓信號VL、高溫控制電壓信號VH、以及基準信號Vref的各線路分別與控制電路相連?？刂齐娐放c包括熱敏電阻器等的熱敏元件相連。
并聯(lián)溫度補償電路的操作在本申請人已經(jīng)提交的專利申請中有詳細描述。低溫用ML和高溫用MH的每一個的相對于環(huán)境溫度的電容值都根據(jù)與參照串聯(lián)溫度補償電路描述的內(nèi)容類似的原理而變化。與串聯(lián)溫度補償電路相同，并聯(lián)組合電容值的變化在各補償溫度范圍中互不干擾，并且可實現(xiàn)如圖23(B)所示的任意負載電容曲線。
因此，在第三振蕩電路示例中，與串聯(lián)補償電路相同，也可改進Cmin不穩(wěn)定性并且能夠獲得常溫下頻率的穩(wěn)定溫度補償特性。
即使將圖2所示的具有通過轉換半導體的導電型而獲得的N溝道晶體管的MOS電容元件并入第一振蕩電路示例、第二振蕩電路示例、或者第三振蕩電路示例中，也能夠預期實現(xiàn)與前述中類似的效果。
圖9(B)是圖9(A)所示的振蕩器的變型例。圖9(B)與圖9(A)的不同之處在于反轉了用于在高溫下進行補償?shù)腗OS電容元件MH(其為振蕩器電路的第一MOS電容)和用于在低溫下進行補償?shù)腗OS電容元件ML(其為振蕩電路的第二MOS電容元件)的柵極與背柵極的連接指向。
通過在此結構中提供第一和第二控制信號，能夠實施與圖9(A)類似的溫度補償。
圖10示出了設置在IC中的N溝道晶體管型MOS電容元件的結構圖。圖11示出了其電容變化的特性曲線。此外，在圖10和11中，第一導電型為P型而第二導電型為N型。
圖11所示的電容特性曲線表示了與P溝道晶體管型MOS電容元件的特性相反的增長趨勢。在此特性中，當Vgb在負側時，Cgb呈現(xiàn)高的定值。Cgb隨著Vgb增大而急劇地減小。當Vgb已經(jīng)增加到特定值時，Cgb穩(wěn)定在低的定值。
圖10是示意地示出了當Vgb接近采用與圖11所示的(1)相對應的值時，作為空穴或者電子的數(shù)量的變化的柵極層24和P阱層22中的相對電荷變化的示意圖。
在圖10中，第二導電型(N型)的硅基板(N-sub)21與具有電壓Vdd的電源32相連。在N-sub 21上形成第一導電型的阱區(qū)(此后稱作P阱層)22。在P阱層22上形成用作絕緣體的包括氧化硅的柵氧化膜層23。在柵氧化膜層23上形成包括多晶硅的柵極層24。從柵極層24獲得柵極作為外部端子。在P阱層22上接近柵氧化膜層23的兩個位置(MOS晶體管中的漏區(qū)和源區(qū))處形成具有高施主雜質(zhì)濃度的第二導電型(N型)的引出電極25。在N型引出電極25與周圍的P阱層22之間的分界處形成包括PN結的耗盡層26。
并且在P阱層22上形成具有高受主雜質(zhì)濃度的P+引出電極27。將背柵極從P+引出電極27引出到外部。通過電源29施加偏壓，將通過短路連接兩個N型引出電極25而獲得的節(jié)點28與其正端連接，背柵極與其負端連接。(此偏壓與P溝道晶體管型的偏壓相反)將節(jié)點28連接到電源32。
因為Vgb在正側，所以空穴30存儲在圖10所示的柵極層24中。存儲在柵氧化膜23下并在其附近的P阱層中的空穴被空穴30的電場發(fā)射到P阱層的深層中。形成了包含受主離子的耗盡層31。在耗盡層31中，與前述相同，由熱產(chǎn)生的電子空穴對來產(chǎn)生作為少數(shù)載流子的電子。將產(chǎn)生的電子吸收到N型引出電極25中。從而，不形成反轉層，并且改進了Cmin區(qū)域中的不穩(wěn)定性。
與上述的P溝道晶體管相同，通過電源29提供從背柵極到N型引出電極25的足夠的偏壓。從而，即使柵電勢由于Vgb的增大而升高，也不會超過所謂的閾電壓。從而，不形成N溝道。
與參照P溝道晶體管型MOS電容元件的電容特性所描述的內(nèi)容相同，通過N-阱層22與本征半導體之間產(chǎn)生的內(nèi)置電壓，預先施加從柵極到背柵極的偏壓，從而使特性曲線向圖11中的右側移動，能夠獲得幾乎在Vgb的0V點成點對稱的特性曲線。該特性曲線也能用于參照第二振蕩電路示例或者第三振蕩電路示例描述的溫度補償電路。
當然，本發(fā)明不僅能夠應用于使用晶體諧振器的晶體振蕩器，而且能夠應用于使用其它壓電元件(壓電諧振器)的壓電振蕩器，該其它壓電元件例如使用陶瓷或者藍克賽(langasite)。


圖1是P溝道晶體管型MOS電容元件的結構圖；圖2是示出了P溝道晶體管型MOS電容元件的電容特性的圖；
圖3是P溝道晶體管型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖4是P溝道晶體管型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖5是P溝道晶體管型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖6是P溝道晶體管型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖7是P溝道晶體管型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖8是P溝道晶體管型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖9是示出了利用MOS電容元件的第三振蕩電路示例的圖；圖10是N溝道晶體管型MOS電容元件的結構圖；圖11是示出了N溝道晶體管型MOS電容元件的電容特性的圖；圖12是蓄積型MOS電容元件的結構圖；圖13是示出了蓄積型MOS電容元件的電容特性1的圖；圖14是蓄積型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖15是蓄積型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖16是蓄積型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖17是蓄積型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖18是蓄積型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖19是蓄積型MOS電容元件中的電荷的示意圖；圖20是示出了利用MOS電容元件的第一振蕩電路示例的圖；圖21是示出了利用MOS電容特性的可變頻率特性1的圖；圖22是示出了晶體諧振器(AT切割)的頻率溫度特性的圖；圖23是示出了用于根據(jù)MOS電容特性來獲得三次曲線負載電容特性的機制的圖；圖24是示出了利用MOS電容元件的第二振蕩電路示例的圖；圖25是示出了蓄積型MOS電容元件的電容特性2的圖；圖26是示出了Cmin電容值留置實驗的圖；以及圖27是示出了利用MOS電容特性的可變頻率特性2的圖。
標號說明C1、C2、C3-電容器；R1、R2、R3、R4、R5-輸入電阻；MC、MA、ML、MH-MOS電容元件；VL、VH、Vref、Varef-控制信號；X-晶體振蕩器。
權利要求
1.一種壓電振蕩器，具有通過將放大器、外部頻率調(diào)節(jié)電路、以及壓電元件串聯(lián)連接而獲得的結構，其中所述外部頻率調(diào)節(jié)電路是使用MOS電容元件和電壓的可變電容電路，并且具有這樣的配置，其用于將具有恒定電壓值的基準信號提供到MOS電容元件的背柵極，并且將圍繞基準信號的控制信號提供到MOS電容元件的柵極，所述MOS電容元件是形成在第一導電型的阱區(qū)中的第二導電型的溝道晶體管，第二導電型與第一導電型相反，并且在形成在第二導電型的溝道晶體管的源區(qū)和漏區(qū)中的第二導電型的引出電極與形成在第一導電型的阱區(qū)中的第一導電型的引出電極之間提供偏壓。
2.一種壓電振蕩器，具有通過將放大器、溫度補償電路、以及壓電元件串聯(lián)連接而獲得的結構，其中所述溫度補償電路是使用MOS電容元件和電壓的可變電容電路，并且具有這樣的配置，其用于將具有恒定電壓值的基準信號提供到MOS電容元件的背柵極，并且將圍繞基準信號的用于補償?shù)目刂菩盘柼峁┑組OS電容元件的柵極，所述MOS電容元件是形成在第一導電型的阱區(qū)中的第二導電型溝道晶體管，第二導電型與第一導電型相反，并且在形成在第二導電型的溝道晶體管的源區(qū)和漏區(qū)中的第二導電型的引出電極與形成在第一導電型的阱區(qū)中的第一導電型的引出電極之間提供偏壓。
3.一種壓電振蕩器，具有通過將放大器、溫度補償電路、以及壓電元件串聯(lián)連接而獲得的結構，其中所述溫度補償電路是使用串聯(lián)連接的兩個MOS電容元件和電壓的可變電容電路，并且具有通過將由第一MOS電容元件和第一固定電容元件組成的并聯(lián)電路與由第二MOS電容元件和第二固定電容元件組成的串聯(lián)電路串聯(lián)連接而獲得的結構，以便將第一MOS電容元件的背柵極連接到第二MOS電容元件的柵極，所述溫度補償電路具有這樣的配置，其用于將具有恒定電壓值的基準信號提供到第一MOS電容元件的背柵極與第二MOS電容元件的柵極之間的節(jié)點；將第一控制信號提供到第一MOS電容元件的柵極；以及將第二控制信號提供到第二MOS電容元件的背柵極，所述第一和第二MOS電容元件都是形成在第一導電型的阱區(qū)中的第二導電型的溝道晶體管，第二導電型與第一導電型相反，并且在形成在第二導電型的溝道晶體管的源區(qū)和漏區(qū)中的第二導電型的引出電極與形成在第一導電型的阱區(qū)中的第一導電型的引出電極之間提供偏壓。
4.一種壓電振蕩器，具有通過將放大器、溫度補償電路、以及壓電元件串聯(lián)連接而獲得的結構，其中所述溫度補償電路是使用并聯(lián)連接的第一和第二MOS電容元件和電壓的可變電容電路，并且具有通過將由第二MOS電容元件和固定電容元件組成的串聯(lián)電路與第一MOS電容元件并聯(lián)連接而獲得的結構，以便將第二MOS電容元件的柵極連接到第一MOS電容元件的背柵極，所述溫度補償電路具有這樣的配置，其用于將具有恒定電壓值的基準信號提供給第二MOS電容元件的柵極與第一MOS電容元件的背柵極之間的節(jié)點；將第二控制信號提供到第二MOS電容元件的背柵極；以及將第一控制信號提供到第一MOS電容元件的柵極，所述第一和第二MOS電容元件都是形成在第一導電型的阱區(qū)中的第二導電型的溝道晶體管，第二導電型與第一導電型相反，并且在形成在第二導電型的溝道晶體管的源區(qū)和漏區(qū)中的第二導電型的引出電極與形成在第一導電型的阱區(qū)中的第一導電型引出電極之間提供偏壓。
5.根據(jù)權利要求1到4中任一項所述的壓電振蕩器，其中，將各個MOS電容元件的柵極和背柵極的全部連接指向反轉。
6.根據(jù)權利要求1到5中任一項所述的壓電振蕩器，其中，第一導電型為N型，而第二導電型為P型。
7.根據(jù)權利要求1到5中任一項所述的壓電振蕩器，其中，第一導電型為P型，而第二導電型為N型。
全文摘要
改進了使用蓄積型MOS電容元件的傳統(tǒng)壓電振蕩器中頻率穩(wěn)定性對于時間的劣化。使用P溝道晶體管型或者N溝道晶體管型作為壓電振蕩器中所使用的可變電容電路中的MOS電容元件。在形成在源區(qū)和漏區(qū)中的P型或者N型引出電極與設置在N阱區(qū)中的N型引出電極或者設置在P阱區(qū)中的P型引出電極之間提供偏壓。由此消除了MOS電容元件中對于時間的不穩(wěn)定性。
文檔編號H03B5/36GK1823468SQ20048002047
公開日2006年8月23日 申請日期2004年8月3日 優(yōu)先權日2003年8月5日
發(fā)明者大島剛, 黑后重久, 石川匡亨, 黑澤晉, 藤本裕希, 中柴康隆 申請人:東洋通信機株式會社, 日本電氣電子株式會社