Поляризация диэлектриков. Виды поляризации

Урок№ 45 Свойства диэлектриков.

Неорганические диэлектрики. Стекла, керамика, ситаллы.

Стекла

Аморфные термопласты. Химический состав – смесь оксидов.

SiO2, ZnO, Na2O, Al2O3…

Сырье – песок, глинозем, известняк.

Технология производства – нагревание до расплавления с мгновенным охлаждением со скоростью 10^5 град Цельсия в секунду.

Разновидность – сталемит – стекло с дополнительной закалкой.

Применение: конструкционный материал, изоляция, световоды.

Ситаллы.

Промежуточное вещество между керамикой и стеклом. Содержание стекла – 5-10%, все остальное – поликристалл. Применение – подложки микросхем.

Керамика.

Состав как у стекла. Кристалл или поликристалл. Технология получения – как у стекла, но охлаждают медленней.

Конденсаторная керамика.

Изоляционная керамика.

Активные диэлектрики. Пьезо- и пироэффект. Электреты.

ПЬЕЗОДИЭЛЕКТРИКИ.

Пьезоэлектрический эффект – поляризация диэлектрика под действием механического напряжения. Им обладают сегнетоэлектрики – способные самоэлектризоваться под действием электрического поля.

Рисунок 60.

Структура доменная.

Области применения: кондесы для низких частот, если поляризация сохраняется надолго – устройство памяти.

Пьезокерамика приобретает соответствующие свойства после длительной выдержки в электрическом поле при высокой температуре. Керамика как поликристалл применяется до частоты 10 МГц, на более высоких частотах применяются монокристаллы кварца (SiO2). Кварцевый резонатор – аналог кондесатора. Размеры кварца на 32 МГц – порядка 10мм.

Применение: микрофоны, датчики, пьезотрансформатор.

 

Пироэлектрики.

Пироэффект – поляризация диэлектрика при однородном по объему нагревании или охлаждении. Всегда существует обратный пьезоэффект (электроколорический).

Применеие: датчики температур.

 

Электеты.

Твердые диэлектрики, длительно создающие электрическое поле после предварительной поляризации.

Делят по способу формирования заряда:

1. Термоэлектреты – электризуются электрическим полем при нагревании.

2. Фотоэлектреты – электризуются освещением. Область использования: барабаны для копировальной техники.

3. Радиоэлектреты – электризуются радиоактивным излучением.

4. Электроэлектреты – электризуются разрядом в смежном газе.

5. Трибоэлектреты – электризуются трением.

 

Современное состояние развития диэлектрических материалов. Диэлектрические материалы микроэлектроники и наноэлектроники.

Использование диэлектриков в микроэлектронике.

Форма: обычно пленочная.

Функции:

1. Пассивация поверхности полупроводника.

2. Защита от механических повреждений.

3. Стабилизация параметров.

4. Повышение радиационной стойкости.

5. Изоляция элементов друг от друга.

6. Изоляция затвора в МДП – структурах.

7. Маска при диффузии и эпитаксии.

8. В качестве активной области.

Требования:

1. Хорошая адгезия к полупроводнику, металлу и фоторезисту.

2. Механическая прочность.

3. Непроницаемость для нежелательных примесей.

4. Однородность слоя.

5. Химическая стойкость, в том числе к травлению.

6. Высокие диэлектрические свойства.

7. Необходимая диэлектрическая проницаемость.

8. Согласованность с материалом подложки (например, одинаковый ТКЛР)

9. Технологичность получения.

10. Простота обработки.

Основной материал: SiO2.

 

Лабораторные работы

Исседование свойств диэлектрических материалов. Конденсаторы

Диэлектрические материалы в катушках индуктивности и трансформаторах

Классификация и общие свойства диэлектриков. Температурные зависимости.

 

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

- вещества, способные поляризоваться в электрическом поле. В них существует внутреннее электрическое поле и равномерное распределение потенциалов.

Носители заряда в диэлектриках:

1. В газах

1) Положительные и отрицательные ионы. Причина: ионизация молекул газа.

2) Электроны в сильных полях.

2. В жидкостях

1) Ионы. Причина: диссоциация молекул жидкости.

2) Коллоидные заряженные частицы в эмульсиях и суспензиях.

3. В твердых

1) Ионы.

2) Дефекты кристаллической решетки.

3) Электроны или дырки проводимости.

Бывают полярные и неполярные.

Рисунок 50.

Основные электрические свойства диэлектриков:

1. Поляризация

2. Электропроводность

3. Диэлектрические потери

4. Электрическая прочность

При расчетах на постоянном токе учитывают только сквозной ток.

 

Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.

Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Численной мерой поляризации является поляризованность диэлектрика – количество электрического момента в единице объема диэлектрика:

	(1.2)
	(1.2)

где dp - электрический момент элемента диэлектрика;

dV – объем элемента диэлектрика

 - напряженность внешнего электрического поля, В/м,

       - диэлектрическая постоянная,

        - относительная диэлектрическая проницаемость.

Поляризация определяет свойство диэлектриков образовывать электрическую емкость. В то же время поляризация диэлектриков, происходящая с затратами энергии и выделением теплоты, вызывает потери электрической энергии в материалах-изоляторах, особенно на высоких частотах, когда процессы поляризации диэлектрика повторяются большее количество циклов в единицу времени. Поэтому поляризацию описывают параметрами диэлектрика  и .

Различают несколько видов поляризации.

 

2.2.1. Упругая поляризация – совершается в диэлектрике без выделения энергии и рассеяния тепла. Различают электронную и ионную упругие поляризации

Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов, приводящая к разделению геометрических центров положительного и отрицательного зарядов в атоме. Для установления требуемся минимальное время – 10^-15с, т.е. образуется практически мгновенно. Поляризуемость при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость плавно уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением количества атомов в единице объема (рис. 2.2). Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от их химического состава и внутренней структуры.

Ионная поляризация – упругое смещение ионов – узлов кристаллической решетки, характерна для материалов с ионным строением. С повышением температуры усиливается благодаря ослаблению межионных сил. Время установления поляризации 10^-13с – больше, чем у электронной поляризации, так как ионы массивнее.

Так как процессы электронной и ионной поляризации происходят практически мгновенно, величина деэлектрической проницаемости материалов с упругой поляризацией постоянна и от частоты не зависит.

 

2.2.2. Релаксационная (неупругая) поляризация – медленные виды поляризации. Для их осуществления требуется затратить определенную энергию, которая затем выделяется в виде тепла при возвращении диэлектрика в исходное состояние. Различают дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, резонансную и миграционную виды поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация характерна для веществ с дипольным строением и вызывается переориентацией молекул-диполей в приложенном к диэлектрику внешнем электрическом поле. В зависимости от массы, плотности упаковки и размеров диполей время установления поляризации сставляет 10^-10..10^-2 с. После снятия поля, вызвавшего поляризацию, они возвращаются в исходное хаотичное состояние под действием теплового движения частиц, при этом поляризованность материала убывает по закону

(1.2)

где  - поляризованность диэлектрика в момент снятия внешнего поля, Кл/м²,

          - время релаксации (время, за которое количество упорядоченных диполей убывает в е раз), с.

Зависимость дипольной поляризации от температуры изображена на рис. 2.3. Спад графика в области низких температур обусловлен плотной упаковкой ионов и трудностью их переориентации, а в области высоких температур – малым количеством диполей, приходящимся на единицу объема диэлектрика.

 

Рис. 2.3. Зависимость дипольно-релаксационной поляризации от температуры

 

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается у всех полярных веществ. У твердых диэлектриков поляризация вызывается не поворотом самой молекулы, а смещением имеющихся в ней полярных радикалов, например, Na⁺ и Cl^- в молекуле поваренной соли.

С увеличением частоты дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость убывают, поэтому полярные диэлектрики являются частотно-зависимыми и не применяются на высоких частотах.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в материалах с неплотной упаковкой ионов и вызвана физическим перемещением ионов в вакансии кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля. После снятия поля поляризация постепенно ослабевает. Наблюдается только для твердых веществ (рис. 3.х), так как в расплавленном состоянии ионы становятся свободными и материал становится проводником с электролитической проводимостью.

 

Рис. 3.х. Зависимость ионно-релаксационной поляризации

от температуры

 

Электронно-релаксационная поляризация вызвана перемещением от одного иона к другому (в направлении поля) избыточных (дефектных) электронов и дырок. Характерна для веществ с электронной электропроводностью, имеет центральный максимум в зависимости  и уменьшается с ростом частоты.

Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на световых частотах и обусловлена резонансом собственных колебаний (вращения) электронов или ионов и частоты внешнего электромагнитного поля (света). На практике не применяется и практически не влияет на свойства диэлектрика в области частот, используемой электроникой и микроэлектроникой.

Миграционная поляризация – проявляется в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами поляризации являются наличие проводящих и полупроводящих включений в реальных технических диэлектриках(бумага, ткань). При миграционной поляризации электроны и ионы перемещаются в пределах проводящих включений, образуя большие поляризованные области. Данная поляризация связана с большими потерями энергии и наблюдается уже на низких частотах, время релаксации таких диэлектриков – минуты и секунды.

В реальных диэлектриках проявляется несколько видов поляризации одновременно, поэтому частотные и температурные зависимости поляризованности , диэлектрической проницаемости  и тангенса угла диэлектрических потерь  усложняются. По виду поляризации различают четыре группы диэлектриков:

1. Диэлектрики в основном с электронной поляризацией. Это неполярные и слабополярные вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, полистирол, полиэтилен). Используют в качестве высокочастотных диэлектриков - изоляторов.

2. Диэлектрики с электронной и дипольно-релаксационной поляризацией. Это полярные органические, полужидкие и твердые материалы (смолы, целлюлоза). Используют в качестве низкочастотных диэлектриков – изоляторов и в низкочастотных конденсаторах.

3. Твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и релаксационной поляризацией (слюда, кварц, стекло, керамика, ситаллы). Используются в качестве диэлектриков в высокочастотных конденсаторах и как изоляторы.

4. Сегнетодиэлектрики, обладающие всеми видами поляризации. Используются как активные (управляемые) диэлектрики.

 

Благодаря поляризации изменяется электрическое поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость характеризует ослабление внешнего поля внутренним:

	(1.2)

где  - внешнее электрическое поле, В/м,

        - внутреннее электрическое поле, В/м,

- электрическое смещение, Кл/м²,

- поверхностная плотность связанных зарядовна пластинах конденсатора при наличии диэлектрика, Кл/м²,

 - добавочная поверхностная плотность заряда, возникающая благодаря поляризации диэлектрика, Кл/м²

- поверхностная плотность заряда на пластинах воздушного конденсатора, Кл/м²

Для получения необходимых свойств, например, минимума температурного коэффициента емкости ТКЕ, в электрических конденсаторах может применяться сложный диэлектрик, состоящий из смеси простых материалов с разными величинами диэлектрической проницаемости. В случае использования такого диэлектрика его эффективная диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле Лихтенеккера: для случая хаотического распределения компонентов:

,

где q₁ и q₂ – объемные концентрации(доли) компонентов.

 

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

 - процесс смещения и упорядочения носителей заряда под действием электрического поля

- состояние вещества, при котором элементарный его объем приобретает электрический момент

Причины: внешнее электрическое поле, механическое напряжение, освещенность и другие факторы внешней среды, спонтанная поляризация.

Рисунок 51.

Поляризация – причина появления электрической емкости.

Диэлектрики:

1) линейные – изоляция, кондесы постоянной емкости

2)нелинейные – датчики, кондесы управляемого напряжения

Рисунок 52.

Полярные состоят из полярных молекул (вода). Неполярные – из неполярных, у которых электрический момент = 0 (газы, поваренная соль).

Виды поляризации:

1. Быстрая поляризация (упругая) – происходит без рассеяния энергии.

1) Электронная поляризация – смещение электронного облака относительно центра ядра атома. Время возникновения и ликвидации – 10^-14…10^-15 с. Поляризуемость не зависит от температуры, но диэлектрическая проницаемость зависит. Рисунок 53.

2) Резонансная поляризация – возникает при совпадении частот вращения электронов с изменением магнитного поля.

3) Ионная поляризация – смещение друг относительно друга положительных и отрицательных ионов. Время установления – 10^-11 с. Пример: поваренная соль. С ростом температуры параметры растут.

2. Релаксационная

На ее создание тратится энергия, выделяемая в виде тепла, диэлектрические потери на переменном токе.

Разновидности:

1) Дипольная релаксационная поляризация – поворот и ориентация молекул диполей по направлению поля.

Рисунок 54.

Время установления: 10^-2…10^-10 с.

Тау – время релаксации.

2) Ионно-релаксационная поляризация – перемещение ионов от одного атома к другому в веществах с неполной упаковкой электронов. Пример: стекло.

Рисунок 55.

В жидком – проводники с электролитической проводимостью.

3) Электронно – релаксационная – переход электрона к другому атому при поляризации.

Время установления: 10^-2…10^-5 с для комнатной температуры.

4) Миграционная – наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими включениями. Пример: бумага.

Рисунок 56.

Низкочастотная поляризация. Время релаксации: минуты и часы.

5) Спонтанная поляризация. Фаза – состояние кристаллической решетки, ее структура.

В различных веществах возможно изменение фазы без изменения агрегатного состояния. Изменение фазы в диэлектриках может приводить к спонтанной поляризации – сегнетоэлектрики. Диэлектрическая проницаемость – до 10^5. Вид диэлектриков – нелинейные. Используются в датчиках.

Диэлектрическая проницаемость смеси.

Рисунок 57.