Полупроводниковые материалы 2 страница

Благодаря тому, что ширина запрещенной зоны кремния боль­ше, чем ширина запрещенной зоны германия, кремниевые прибо­ры могут работать при более высоких температурах, чем германи­евые. Верхний температурный предел работы кремниевых прибо­ров достигает 180... 200 °С. Селен. Этот элемент VI группы таблицы Менделеева обладает рядом полезных электрических свойств. Он существует в несколь­ких аллотропных модификациях - стеклообразной, аморфной, мо­ноклинной, гексагональной. Селен получают как побочный продукт медного производства. Технический селен содержит 1-2,5 % примесей и непосредственно для полупроводникового производства непригоден. Для очистки селена используют методы вакуумной ректификации и очистку с помощью ионнообменных смол. В результате содержание примесей уменьшается до 10-4 %. Для изготовления полупроводниковых приборов (выпрямите­лей переменного тока и фотоэлементов) используется серый крис­таллический гексагональный селен. Ширина его запрещенной зоны 1,79 эВ. Такой, селен обладает дырочным типом электропроводно­сти. Его удельное сопротивление примерно 103 Ом·м (при комнат­ной температуре). Селен в отличие от других полупроводников обладает аномаль­ной температурной зависимостью концентрации свободных носи­телей заряда: она уменьшается с ростом температуры, подвижность носителей заряда при этом возрастает. Электрические свойства се­лена измерялись многими исследователями, однако данные весьма противоречивы. Диапазон рабочих температур от -60 до +75 ºС. Донорными примесями являются элементы VII группы (Сl, Br, I), акцепторными – II группы (Сd, Hg). 4.4.2 Двойные (бинарные) соединения Карбид кремния. Он является единственным бинарным соеди­нением, образованным полупроводниковыми элементами IV груп­пы таблицы Менделеева. Это полупроводниковый материал с боль­шой шириной запрещенной зоны (2,8...3,1 эВ) (в зависимости от модификаций). Карбид кремния применяют для изготовления по­лупроводниковых приборов, работающих при высоких темпера­турах (до 700 °С). Кристаллы карбида кремния полупроводнико­вой чистоты получают методом возгонки в печах с графитовыми нагревателями и экранами. Процесс кристаллизации проводят в атмосфере аргона при температуре 2400... 2600 °С. Получаемые кри­сталлы обычно имеют пластинчатую форму с размером в попереч­нике примерно 1 см. Карбид кремния является одним из наиболее твердых веществ, он устойчив к окислению до температур свыше 1400 °С. Электропроводность кристаллов SiC при нормальной темпера­туре примесная. Тип электропроводности и окраска кристаллов карбида кремния зависят от инородных примесей или определя­ются избытком атомов Si или С по сравнению со стехиометрическим составом. Избыток Si приводит к электронной электропроводности SiC, а избыток С - к дырочной. Карбид кремния применяется для серийного выпуска варисторов (нелинейных резисторов), светодиодов, а также высокотемпе­ратурных диодов, транзисторов, тензорезисторов, счетчиков час­тиц высокой энергии, способных работать в химически агрессив­ных средах. Полупроводниковые соединения АIIIBV. К этим материалам относятся соединения бора, алюминия, галлия и индия с азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой (нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды). Они кристаллизуются в решетке сфалерита (за исключением нитридов). Соединение АIIIBV является ближайшим электронным аналогом кремния и германия с увеличением среднего номера Zср и атомных масс компонентов наблюдается уменьшение W0 и Тпл, твердости и увеличение пластичности из-за ослабления ковалентной и увеличения ионной составляющей связи. Акцепторными примесями для этих соединений являются элементы II группы (Be, Mg, Zn, Cd), а в качестве донорной – элементы VI группы (Se, S, Te). Арсенид галлия среди соединений занимает особое положение. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ), высокая подвижность электронов (0,85 м2/В·с) позволяют создавать на его основе приборы, работающие при высоких температурах и высо­ких частотах. Первым полупроводником являлся GaAs, на котором в 1962 г. был создан инжекционный лазер. Он используется для изготовле­ния светодиодов, туннельных диодов, диодов Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Для изготовления детекто­ров в инфракрасной области спектра, датчиков Холла, термоэлек­трических генераторов, тензометров применяется антимонид ин­дия InSb, имеющий очень малую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов (7,7 м2/В·с). Широкое применение в серийном производстве светодиодов нашел фосфид галлия GaP, имеющий большую ширину запрещенной зоны (2,25 эВ). В отличие от других соединений группы чрез­вычайно высокой чувствительностью к механическим напряжени­ям обладает антимонид галлия GaSb. Удельное сопротивление GaSb увеличивается в 2 раза при воздействии давления 4·108 Па. При таком же давлении, приложенном к кристаллам GaAs и InР, их удельное сопротивление меняется лишь на 3 %. Благодаря высо­кой чувствительности к деформациям антимонид галлия исполь­зуют при изготовлении тензометров. Антимонид индия (InSb) аналогичный фосфиду и арсениду галлия химически стоек и относительно прост в получении. Имеет узкую запрещенную зону при большой подвижности электронов. Благодаря сильной зависимости проводимости от напряженности магнитного поля применяют для изготовления датчиков Холла и магнетометров. Также нашел широкое применение для производства термоэлектрических генераторов, лазеров, детекторов ИЛ- излучения и т.д. К полупроводниковым соединениям AIIBVI относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. Технология выращивания монокристаллов соединений AIIBVI разработана гораздо менее полно, чем технология полупроводни­ков типа AIIIBV. Широкозонные полупроводники AIIBVI представ­ляют собой в технологическом отношении трудные объекты, так как обладают высокими температурами плавления и высокими давлениями диссоциации в точке плавления. Выращивание таких материалов в большинстве случаев осуществляется перекристал­лизацией предварительно синтезированного соединения через па­ровую фазу в запаянных кварцевых ампулах. Применяют соединения AIIBVI в большинстве случаев для созда­ния промышленных люминофоров, фоторезисторов, высокочув­ствительных датчиков Холла и приемников далекого инфракрас­ного излучения. Среди полупроводниковых соединений типа AIIBVI наиболее изу­ченными являются халькогениды свинца: PbS, PbSe, PbTe, сульфид, селенид и теллурид свинца. Эти соединения являются узкозонными полупроводниками. Халькогениды свинца используют для изготовления фоторезисто­ров в инфракрасной технике, инфракрасных лазеров, тензометров и термогенераторов, работающих в интервале температур от ком­натной до 600 °С. Свойства наиболее применяемых полупроводников приведены в таблице 4.1.   4.5 Основные методы получения полупроводниковых материалов   Параметры полупроводниковых материалов, а следовательно, и характеристики приборов, изготовленных из них, очень чувствительны к наличию примесей и других дефектов кристаллического строения. Поэтому к полупроводниковым материалам предъявляются жесткие требования по степени чистоты (предельно допустимому содержанию примесей), однородности и совершенства структуры, и для них непригодны традиционные методы получения и очистки, которые применяются для многих классов электро- и радиотехнических материалов. При изготовлении большинства полупроводниковых приборов используют монокристаллические материалы, для получения которых существует много методов. Наиболее распространены методы направленной кристаллизации из расплава и газовой фазы. Методы кристаллизации из расплава позволяют осуществлять: - выращивание кристалла полупроводника в заданном кристаллографическом направлении; - очистку монокристалла от вредных примесей; - введение в монокристалл легирующих примесей в требуемой концентрации для получения нужного типа проводимости; - контроль распределения примеси по объему материала; - минимизацию плотности дислокаций.   Таблица 4.1 - Свойства наиболее применяемых полупроводников   Основным фактором использования метода кристаллизации из расплава является разная растворимость примесей в жидкой и твердой фазах. Интенсивность очистки или легирования определяется коэффициентом сегрегации ,   где ств и сж- концентрация примеси в твердой и жидкой фазе. Эффективная очистка происходит, когда К0<1, при этом концентрация примеси в твердой фазе ниже, чем в расплаве. Если К0>1, имеет место легирование; твердая фаза обогащается примесью. Если К0 около 1, то не происходит ни очистки, ни легирования. К0 сложным образом зависит от коэффициента диффузии примеси, кристаллографического направления выращивания монокристалла, скорости движения границы между жидкой и твердой фазами (фронт кристаллизации) и других факторов. Методы кристаллизации из расплава подразделяются на две группы: - методы выращивания из собственного расплава; - методы зонной плавки (очистка, перекристализация). В методах первой группы весь объем материала подвергается плавлению. Типичным методом этой группы является метод вытягивания из расплава (метод Чохральского), схема которого представлена на рисунке 4.13.     Рисунок 4.13 - Схема установки для выращивания монокристалла методом Чохральского   В тигель 1 с расплавом 2 опускают монокристаллическую затравку 4, представляющую собой кусочек монокристалла, вырезанный в требуемом кристаллографическом направлении. Затравка выдерживается в расплаве, пока не оплавится. После этого, вращая шток 5, затравку медленно поднимают, при этом за ней тянется столбик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением. Попадая в область более низкой температуры над поверхностью тигля, расплав затвердевает, образуя единое целое с затравкой, и кристаллизуется, повторяя кристаллическую структуру затравки, в растущий монокристалл 6. Плавка полупроводника осуществляется в индукционной печи 8, температура контролируется термопарой 7, а для визуального контроля процесса используют технологическое окно 3. Для обеспечения более равномерного роста слитка в процессе его выращивания тигель и затравку вращают с помощью штоков 9 и 5 в противоположных направлениях. В методе зонной плавки (рисунок 4.14) процесс проводится в реакторе 1, где в специальном кварцевом тигле 2 (в форме лодочки) помещен слиток 3. Через реактор непрерывно прокачивается защитный газ. Нагревателем 4 в слитке создается узкая расплавленная зона 5. Перемещение расплавленной зоны происходит в результате движения каретки 6, на которой установлен нагреватель.   Рисунок 4.14 - Схема установки для зонной плавки   Расплавленная зона перемещается вдоль кристалла, захватывает примеси и уносит их в хвостовую часть слитка. Метод основан на неодинаковой растворимости примесей, находящихся в жидкой и твердой фазах (в жидкой фазе растворимость примесей выше, чем в твердой). Поэтому при движении расплавленной зоны по длине слитка примеси оттесняются к его концу. Затем концевую часть слитка, содержащую большую часть примесей, отрезают и получают слиток, очищенный от примесей. Требуемую чистоту материала получают многократным прохождением расплавленной зоны через слиток. В качестве примера, рассмотрим процесс получения германия. Исходным веществом служит тетрахлорид германия (GeCl4). Для нужд полупроводниковой промышленности он подвергается глубокой очистке (экстракция, ректификация, адсорбция). Чистый тетрахлорид германия- прозрачная летучая жидкость с температурой кипения 83ºС. Процесс получения германия состоит из следующих этапов: 1) гидролиз GeCl4 получается белый порошок диоксида германия; 2) восстановление GeO2 GeO2 + 2H2 → Ge +2H2O (при Т= 700ºС) получается серый порошок германия; 3) переплавка порошка германия в слиток при Т>1000ºС; 4) кристаллизационная очистка германия методами зонной плавки или методом Чохральского; 5) получение германия с заданными свойствами путем легирования. Дырочная проводимость достигается при легировании галлием и индием, а электронная – ванадием и сурьмой. Метод вертикальной бестигельной зонной плавки. Для нужд электронной техники требуются материалы, в том числе и кремний, ультравысокой степени чистоты. Поэтому на стадии выращивания монокристаллов кремний подвергают многократной очистке. Высокая стоимость монокристаллического кремния полупроводниковой чистоты объясняется сложностью очистки из-за значительной химической активности Si в расплавленнм состоянии (может реагировать с материалом тигля). Для очистки кремния применяют бестигельную зонную плавку (очистку). Схема установки для бестигельной зонной очистки представлена на рисунке 4.15. Рисунок 4.15 - Схема вертикальной бестигельной зонной очистки В этом методе плавление поликристаллического слитка 4 осуществляется с помощью высокочастотного индуктора 3. Узкая расплавленная зона 2 продвигается по слитку снизу вверх и удерживается между твердыми частями слитка силами поверхностного натяжения. После охлаждения расплавленного материала образуется монокристалл 1. Процесс проводится в вакууме либо в атмосфере водорода или инертных газов. При плавке в вакууме наряду с оттеснением примесей в жидкую фазу происходит их испарение из расплава, поэтому эффективная очистка достигается даже после одного прохода жидкой зоны по слитку. Диаметр получаемых кристаллов достигает 300 мм. Методы кристаллизации из газовой фазы. Данный метод применяют для синтеза полупроводниковых соединений при помощи химических реакций, в которые вступают газообразные вещества, содержащие компоненты соединений, а также для получения эпитаксиальных пленочных структур из элементарных полупроводников. Пленка образуется в результате кристаллизации полупроводникового материала из газовой фазы на холодной подложке. При помощи этих методов можно получать эпитаксиальные структуры, используемые в планарной технологии. Эпитаксия- ориентированное наращивание пленочного слоя на поверхности подложки. С помощью эпитаксии получают совершенные монокристаллические пленки с высокими электрическими свойствами, многослойные структуры, управляют легированием пленок в процессе их роста и т.д. При этом определяющую роль играют вид и состояние подложки, ее температура, скорость осаждения пленки, вид и концентрация примесей. В качестве примера рассмотрим формирование кремниевых эпитаксиальных пленок. Их получают при восстановлении тетрахлорида кремния по реакции   SiCl4 (газ) + 2Н2(газ) ↔ Si(газ) +4HCl(газ).   Реакция может протекать в обе стороны. При протекании слева направо – прямая реакция, а справа налево – обратная. Внешние условия, в первую очередь температура, а также соотношение компонентов определяют направление реакции. Схема установки представлена на рисунке 4.16.   Рисунок 4.16 - Схема установки для проведения эпитаксии кремния   Процесс эпитаксии протекает в кварцевом реакторе 1 при Т = 1200ºС. Подложками 2 служат кремниевые пластины, вырезанные из слитков и предварительно подвергнуты механической и химической полировке. Подложки размещают на графитовой подставке 3 и нагревают с помощью высокочастотного индуктора 4. Перед началом осаждения подложки подвергают травлению по обратной реакции при избытке паров HCl. Травление позволяет получить чистую неокисленную поверхность полупроводника. Скорость роста пленки регулируется соотношением газовых потоков и температурой. Таким методом формируются пленки толщиной 0,2-20 мкм. Легирование пленок производят из паров соединений, содержащих примесные элементы (PCl3, ВВr3, AsH2). Наряду с монокристаллическими материалами для создания полупроводниковых приборов и микросхем применяют поликристаллические и аморфные материалы, которые весьма важны при создании солнечных батарей. Получение монокристаллов и эпитаксиальных пленок путем синтеза разлагающихся соединений. В отличии от однокомпонентных полупроводников в технологии соединений присутствует дополнительная операция – синтез, поскольку они состоят не менее чем из двух компонентов (например, АIIIBV). Если соединения не разлагаются при нагревании (антимониды), то синтез осуществляют, непосредственно сплавляя компоненты, например индий и сурьму. Дальнейшие операции не отличаются от применяемых в технологии германия (очистка, легирование, выращивание монокристаллов). Синтез и кристаллизацию разлагающихся соединений (арсенидов и фосфидов) проводят в замкнутом нагреваемом объеме (рисунок 4.17).     Рисунок 4.17 - Схема синтеза разлагающихся соединений АIIIBV   Рассмотрим в качестве примера процесс получения монокристалла GaAs. Данный процесс проводят в кварцевом реакторе 1, внутри которого находится кварцевая ампула 4. В ампулу помещают металлический галлий 2 и конденсат летучего компонента - мышьяк 3. При установке ампулы в нагревательный блок 5 галлий плавится, а мышьяк возгоняется и растворяется в жидком галлии. После охлаждения материал извлекают из ампулы. Далее выращивают монокристалл GaAs методом Чохральского из- под слоя флюса. Флюс герметизирует тигель с расплавом и предотвращает разложение GaAs. Процесс проводят в атмосфере аргона, в качестве флюса используют борный ангидрид (В2О3). Получение эпитаксиальных пленок из газовой или жидкой фазы (рисунок 4.18).   Рисунок 4.18 - Схема жидкостной эпитаксии   Подложку 6, вырезанную из монокристалла и размещенную в графитовом вкладыше 5, помещают в насыщенные растворы компонентов (например, Ga-As) с легирующими примесями разных типов. Растворы находятся в разных ячейках 4 графитовой лодочки 3. При понижении температуры происходит осаждение слоев на подложку. Последовательное перемещение подложки из одной ячейки в другую при перемещении графитового вкладыша позволяет при контакте подложки с жидкой фазой получать многослойные структуры. Процесс проводится в кварцевом реакторе 2 в атмосфере водорода. Температура изменяется с помощью нагревателя 1. Для повышения производительности используют несколько подложек. Нужно отметить, что процессы диффузии, требующие длительного времени и высоких температур, проводят в запаянных ампулах. Диффузия таких доноров, как S, Se, Te, осложняется образованием на поверхности химических соединений типа Ga2S3. Практически для создания р-n переходов используют лишь диффузию Zn. Основными соединениями АIIIBV, наиболее широко используемыми в полупроводниковой промышленности, являются арсенид и фосфид галлия, а также антимонид индия. Методы получения р-n переходов. Для получения качественных полупроводниковых приборов и ИМС в равной степени важно получение совершенных кристаллов и р-n переходов. Для формирования их применяют либо диффузионное легирование, либо технологию ионной имплантации. При ионной имплантации легирующая примесь вводится в полупроводниковую подложку при бомбардировке ионами легирующей примеси. Технология ионной имплантации имеет ряд преимуществ перед диффузионным легированием, несмотря на большую стоимость и меньшую производительность: - существенно выше точность формирования профиля распределения введенной в полупроводник легирующей примеси, поскольку он определяется энергией ионов; - позволяет создавать в подложке концентрации примесей, многократно превышающие пределы растворимости данных веществ; - снижена термическая нагрузка на легируемую пластину и, как результат, уменьшена вероятность коробления пластины. Наиболее широко используемым в серийной промышленности способом создания р-n переходов является введение легирующих примесей диффузионным легированием. Это один из важнейших этапов в планарной технологии, в основе которой лежат следующие процессы: - нанесение на монокристаллическую пластину полупроводникового материала пленки, непроницаемой для диффузианта; - вскрытие в пленке окон нужной конфигурации; - диффузия легирующих примесей сквозь окна для создания р-n перехода; - другие операции, необходимые для создания прибора. В качестве примера рассмотрим схему изготовления кремниевого транзистора, основные этапы которого представлены на рисунке 4.19: 1- выращивание на поверхности низкоомной (n+) кремниевой подложки эпитаксиальной высокоомной (n) пленки; 2- окисление поверхности (получение пленки SiO2) и нанесение фоторезиста – пленки фоточувствительного вещества – для проведения процессов фотолитографии (пленка фоторезиста не показана); 3- получение окна в пленке диоксида кремния в результате обработки пластины травителем; 4- образование р-области при диффузии акцепторной примеси, например галлия. Глубина проникновения примеси определяется температурой нагрева и временем диффузионного процесса; 5- повторение этапов 2, 3 и получение n-области в имеющейся (п.4) р-структуре при диффузии донорной примеси, например сурьмы. Оба р-n перехода выходят на одну плоскость, благодаря чему технология и получила название планарной. Необходимо отметить, что на одной пластине одновременно можно создать десятки и сотни тысяч таких структур, что является определяющим при изготовлении ИМС. Распределение примеси в объеме полупроводника зависит от режима ее диффузии, от характеристики источника диффузианта, формы и градиента температурного поля, а также от коэффициента диффузии данной примеси в данный полупроводник. Диффузия примесей может проводиться из твердой, жидкой и газовой фаз. Существуют электронно-лучевые способы, позволяющие получать р-n переходы с резкими границами.     Рисунок 4.19- Этапы изготовления транзисторной планарной структуры     5 Диэлектрические материалы   5.1 Диэлектрики. Классификация   Диэлектриками называются материалы, в которых длительно могут существовать электростатические поля и основным свойством которых является способность к поляризации. При нормальных условиях (температура близкая к комнатной, давление порядка атмосферного, уровень радиационного воздействия близок по интенсивности к солнечному) диэлектрики обладают высокими значениями удельного электрического сопротивления (ρ>108Ом·м) и шириной запрещенной зоны порядка 3-8 эВ. При этом электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле они могут лишь смещаться, что приводит к разделению центров положительного и отрицательного зарядов. Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал. Диэлектрики классифицируют по разным признакам. 1 По функциям, которые диэлектрические материалы выполняют в приборах и устройствах, а также по воздействию, оказываемому на них внешними факторами, они подразделяются на электроизоляционные и конденсаторные материалы (линейные или пассивные) и активные диэлектрики (нелинейные или управляемые). 2 По агрегатному состоянию - на газообразные, жидкие и твердые. В газообразных - молекулы или атомы находятся на значительном расстоянии друг от друга и слабо взаимодействуют между собой, плотность газов низка, они не имеют собственного объема и подразделяются на: - неполярные (воздух и входящие в его состав газы: водород, кислород, азот; благородные газы: гелий, аргон и др.), у которых в отсутствии внешнего электрического поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают; - полярные (СО, Н2О, HCl, HF, H2S и др.), у которых центры разноименных зарядов не совпадают, т.е. существуют постоянные диполи. В жидких - молекулы и атомы расположены ближе чем в газах, и они имеют собственный объем, а их свойства слабо зависят от внешнего давления. К электроизоляционным и конденсаторным материалам относятся нефтяные масла (трансформаторное, кабельное и конденсаторное) и синтетические фтор-, хлор- и кремнийорганические жидкости. 3 По химическому составу на: органические, неорганические и элементоорганические. Органические - представляют собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические - те, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержат в своем составе углерода и представляют собой, в основном, неорганические химические соединения и твердые растворы на их основе. Также возможна классификация по наличию или отсутствию дальнего порядка (аморфные и кристаллические), по количеству фаз (однофазные и многофазные), по области применения (низкочастотные и высокочастотные) и др. Из многообразия электрических свойств диэлектриков, определяющих их техническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация, диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение. При воздействии электрического поля в диэлектрике возникает ряд процессов: смещение связанных зарядов (поляризация), направленное движение зарядов (электропроводность), рассеивание энергии поля, вызывающее нагрев диэлектрика (диэлектрические потери) и, наконец, при достаточно высоких напряженностях поля диэлектрик теряет свои диэлектрические свойства (пробой).   5.2 Основные электрические свойства и характеристики диэлектриков   5.2.1 Поляризация и электрическое поле в диэлектрике В диэлектрике положительно и отрицательно заряженные частицы прочно связаны друг с другом. Поэтому, при внесении диэлектрика в электрическое поле наблюдается лишь смещение связанных зарядов относительно друг друга на небольшие расстояния в направлении действующих на них сил. Это явление называется поляризацией. Электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля. Свойства диэлектриков, в которых поляризация возникает лишь пол влиянием электрического поля и исчезает после его снятия, не зависит от напряженности приложенного поля. Поэтому такие диэлектрики и называются линейными (пассивными). Поляризация в диэлектриках может возникать не только под влиянием электрического поля, но и под воздействием различных внешних факторов (механических усилий, света, температуры и др.), а в некоторых диэлектриках-сегнетоэлектриках возникает в определенном интервале температур самопроизвольно. Свойствами таких диэлектриков можно управлять с помощью внешних воздействий: напряженностью электрического поля Е (в сегнетоэлектриках), механическим усилием (в пьезоэлектриках) и т.д., причем зависимость эта не линейна. Так, у сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость ε = f (Е), у материалов для варисторов электрическая проводимость γ = f (E). Эти аномальные по своему поведению в электромагнитном поле материалы называют нелинейными (активными). Таким образом, приложение к диэлектрику внешнего электрического поля напряженностью Е может привести: - к смещению внутри диэлектрика электрических зарядов (положительные смещаются к “-“, а отрицательные – к”+”), в результате чего образуются диполи; - к ориентации уже имеющихся в материале постоянных диполей. Два электрических заряда противоположного знака (±q), находящиеся на расстоянии l друг от друга образуют диполь с моментом m (рисунок 5.1)       Рисунок 5.1 – Диполь в электрическом поле   При этом дипольный момент каждого элементарного объема диэлектрика будет пропорционален напряженности электрического поля Е   где α- поляризуемость, характеризующая способность частицы диэлектрика (атома, иона, молекулы или другой структурной единицы) к поляризации.   5.2.2 Вектор поляризации, поляризованность Основными количественными характеристиками степени поляризации диэлектриков являются поляризованность (или вектор поляризации) Ри диэлектрическая проницаемость ε. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы) или распределены хаотических образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю. Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется, т.е. результирующий дипольный момент любого его объема становится отличным от нуля. Тогда вектор поляризации можно определить по формуле   ,   где – χ = кэ·ε0 – абсолютная диэлектрическая восприимчивость; кэ- диэлектрическая восприимчивость, а ε0= 8,85·10-12 Ф/м- электрическая постоянная. Таким образом,       Пропорциональность между Р и Е в слабых полях наблюдается у линейных диэлектриков. Вектор поляризации может быть представлен в виде   ,   где N- число элементарных дипольных моментов. Скалярная величина Р называется поляризованностью.   5.2.3 Диэлектрическая проницаемость На рисунке 5.2 схематически изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рисунок 5.2 а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рисунок 5.2 б)- диэлектрик.   Рисунок 5.2   Если электрическое напряжение на электродах U= U0· exp (jωt) с угловой частотой ω = 2πf, то напряженность электрического поля Е = U/h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q0 (на рисунке 5.2 а - квадраты) и определяется из выражения   ,   где С0- емкость конденсатора с вакуумом. В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате, как уже сказано выше, образуются электрические диполи с моментом m= q·l, где q- суммарный положительный (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l- расстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м. Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Qд и общий заряд конденсатора возрастает. При этом полный заряд конденсатора с диэлектриком   ,   где εr- относительная диэлектрическая проницаемость. Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами   .   Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами   .   Из этих формул следует, что   ,