Краткие теоретические сведения

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ,

ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СРЕДСТВ СВЯЗИ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине

«Радиоматериалы и радиокомпоненты», «Химия радиоматериалов»

для студентов дневной формы обучения

по направлению 654400 – Телекоммуникации

специальности 210406 – Сети связи и системы коммутации

Екатеринбург

УГТУ – УПИ

Цель работы – изучение основных параметров диэлектрических материалов, применяемых в конструкциях различных электронных средств связи.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Диэлектрики это класс веществ, имеющие малую концентрацию свободных носителей зарядов и, следовательно, высокое удельное сопротивление протекающему току. Диэлектрики применяются во многих узлах и радиокомпонентах электронной аппаратуры (ЭА), изолируя одни части конструкции от других, например в виде прокладочных слоёв, оснований в коммутационных печатных платах, подложек толстопленочных микросборок и тонкопленочных гибридных интегральных схем (ГИС), корпусов транзисторов, диодов и микросхем, конденсаторах.

Диэлектрики это химические соединения, имеющие ионное (стёкла, керамики) или молекулярное (полярные и неполярные полимеры) строение. Строение связано с видом химической связи, которая определяет основные электрические свойства и тип зависимости параметров от внешних воздействующих факторов.

Одним из главных свойств диэлектриков является их возможность электрически поляризоваться, т.е. при наличии электрического поля возникает направленное смещение заряженных частиц или молекул на ограниченное расстояние. Заряды, как в полярных, так и неполярных молекулах смещаются под действием электрического поля от собственных центров симметрии.

Существует несколько различных видов поляризации со своими механизмами. Это:

1. Электронная поляризация (ЭП) – смещение относительно центра симметрии преимущественно внешней электронной оболочки атома или иона при воздействии электрического поля с напряжённостью Е, результатом чего становится несовпадение центров положительных и отрицательных зарядов. Схема модели ядер атомов и внешних электронных орбит при отсутствии внешнего электрического поля (а) и его воздействии (б) показана на рис. 1.

Механизм ЭП – смещение центров зарядов на очень малые расстояния лёгких электронов обусловливает безинерционность процесса (время установления ЭП составляет 10^-15-10^-16 с). ЭП имеет место у всех диэлектриков, но она маскируется возможными проявлениями поляризаций других видов. Существуют некоторые группы материалов, обладающих преимущественно ЭП: это неполярные линейные полимеры, к которым относятся фторопласт, армированный стеклотканью фторопласт, полистирол, полиэтилен и т. д.

2. Ионная поляризация (ИП) – это смещение упругосвязанных ионов относительно узлов кристаллической решетки на небольшое по сравнению с параметром решётки расстояние. Идеализированная схема расположения ионов соли показана на рис.2: где на а – при отсутствии электрического поля; б – смещение ионов в узлах решетки на небольшие расстояния при воздействии электрического поля..

Рис. 2 Модель протекания ионной поляризации

Ионная поляризация протекает чуть медленнее электронной, время составляет ~10^-13 с. ИП встречается в ионных веществах с плотной упаковкой ионов, таких как керамика. Поскольку время протекания электронной и ионной поляризаций крайне мало, то в веществах не происходит потери энергии в виде нагрева.

Другие виды поляризаций относятся к замедленным, которые требуют существенно большего времени. Это приводит к потерям энергии в диэлектриках.

3. Дипольная поляризация (дипольно-релаксационная) (ДП) – процесс преимущественной ориентация полярных молекул в электрическом поле. Полярными являются молекулы, построенные из атомов разных элементов так, поэтому центры положительных и отрицательных зарядов не симметричны, т.е. не совпадают. Молекулы представляют диполи и без приложения электрического поля, а их электрические моменты полностью хаотически ориентированы. Напряженность электрического поля вызывает поворот сравнительно крупных частиц (молекул) вдоль силовых линий поля, что требует затрат энергии, поэтому ДП приводит к потерям части энергии поля, а на сверхвысокой частоте происходит и тепловой нагрев диэлектрика.

а) б) Рис. 3 Модель дипольной поляризации

На рис.3 показано примерное расположение дипольных молекул в отсутствии электрического поля (а)и при его воздействии на диэлектрик (б). Дипольная поляризация представляет собой инерционный процесс (время установления ~10^-10 - 10^-5 c), который характеризуется временем релаксации τ_p, и соизмерим с периодом радиочастотных колебаний.

Наиболее сильно этот вид поляризации проявляется в полярных диэлектриках (например, в жидкостях, полихлорвиниле, лавсане и других полярных полимерах).

4. Ионно-релаксационная поляризация (ИРП) – перемещение под действием электрического поля слабо связанных примесных ионов на расстояния, превышающие параметр решётки, часто вплоть до границ зёрен поликристалла твердых веществ, накопления их в этих областях и формирования объемной поляризованности образца, которая исчезает после снятия электрического поля за счет возвращения ионов к прежнему месту. Процесс установления ИРП может продолжаться и секунды, и минуты и даже часы.

Этот вид поляризации характерен для ионных кристаллов с неплотной упаковкой ионов, т.е. для материалов, имеющих рыхлую структуру, чаще всего сильно загрязнённых примесями.

5. Электронно-релаксационная поляризация (ЭРП) – возникает в кристаллических диэлектриках при тепловом возбуждении слабосвязанных электронов. Подобна ИРП, приложение внешнего эл. поля стимулирует однонаправленность переходов слабосвязанных электронов примесных ионов или собственных точечных дефектов преимущественно в одну пространственную область, которая вызывает появление электрического момента в диэлектрике. Такой механизм часто наблюдается в соединениях содержащих ионы переменной валентности: оксиды титана, циркония, тантала – керамические материалы. Эти вещества отличаются высоким значением относительной диэлектрической проницаемостью. Поляризуемость материалов сильно зависит от внешней температуры: инерционность резко возрастает с понижением температуры.

6. Миграционная поляризация (МП) – направленное перемещение свободных электронов и ионов в пределах каждого проводящего и полупроводящего включения, что вызывает образование электрического момента в объеме вещества. Это накопление заряда на границах неоднородностей и в приэлектродных областях. Это самая замедленная поляризация – 10^-5…10⁴ с (до нескольких минут, часов). Сильно рассеивает энергию внешнего переменного электрического поля. Свойственна только твёрдым диэлектрикам при наличии в них макроскопических неоднородностей структуры – проводящие и полупроводящие включения, поры, волокна, слои разной проводимости.

7. Резонансная поляризация (РП) – возникает во всех диэлектриках при условии совпадения частоты внешнего переменного электрического поля и собственной частоты колебаний упруго связанных ионов и электронов. При этом резко возрастает поглощение электромагнитной энергии. В ионных кристаллах РП наступает при воздействии поля с частотой близкой к инфракрасному диапазону спектра колебаний.

8. Доменная поляризация (ДомП) – перестройка доменной структуры сегнетоэлектриках при воздействии внешнего электрического поля. Особенности ДомП – это наличие температурного порога и диэлектрического гистерезиса, площадь петли которого характеризует потери энергии на переполяризаацию сегнетоэлектриков. ДомП происходит на относительно низких частотах переменного электрического поля. Очень инерционна.