Крутогин - Материалы и компоненты микроэлектроники (1074334), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Особенно подвижны ионыNa+ , Li+ .70- зависит от частоты электрического поля, эта зависимость называетсядиэлектрическим спектром материала. По мере роста частоты сначалаугасают медленные виды поляризации.Поляризованность диэлектрика (состояние, возникшее в результатеполяризации) определяется плотностью поверхностного заряда Р = [Кn / м2 ]D=оE+P,( 30 )где D-электрическая индукцияP=(гдеоE( 31 )- диэлектрическая восприимчивость материала).Пьезоэлектрики (пьезоэффект)Некоторые ( далеко не все, только около 1500 ) диэлектрическиекристаллы самопроизвольнополяризуются при упругой деформации.Одна из возможных причин поясняетсяна рисунке 33..Этот эффектназывается пьезоэлектрическимРавновесное состояниеДеформированное состояниеРисунок 33 – Возникновение прямого пьезоэффектаЭффект обратим – во внешнем электрическом поле те же кристаллыупруго деформируются.P=dп,( 32 )71где d – пьезомодуль [Кл|н ]d – обычно порядка 10-10 .Пьезоэффект в соответствии с видом деформации бывает продольный,поперечный и сдвиговый.Пьезоэффект имеет широкое применение, а благодаря использованиюнедорогих и прочных керамик пьезоматериалы относительно доступны( BaTiO3 и некоторые другие керамики).Электроакустические линии задержки, см.
например рисунок 34,пьезозвучатели , пъезодатчики эффективно применяются в электроникеРисунок 34 – Схема линии задержки электрического сигнала наповерхностной акустической волне(ПАВ)Для оценкиэффективности пьезопреобразования энергии важенкоэффициент электромеханической связи:К ЭМСмахэл,( 33 )72где- плотность соответствующего вида энергии(механической илиэлектрической) [Дж/м3];КЭМС всегда < 1 ( от 0,01 до 0,9 ).Пьезоэффект в соответствии с видом деформации бывает продольный,поперечный и сдвиговый.Кварцевые пьезорезонаторы –один из важнейших элементов многихэлектронных схем. Они позволяют стабилизировать частоты генераторов (ирадиочастотных и компьютерных тактовых), сделать их почти независимымиотвнешнихусловий(температура,напряжениепитанияит.п.).Пьезорезонаторы характеризуются резонансной частотой и добротностью.Добротность пьезорезонатора Q – энергетический параметр.
Обратнаявеличина 1/Q характеризует относительные потери энергии, причем всепотери в диэлектрическом устройстве ( не только в материале!) в т.ч.диэлектрические, механические, излучательные. Q показывает во сколько разамплитуда в резонансе больше, чем амплитуда на частоте много меньшей.Лучшийпомногимпоказателямзамечательная термостабильность,пьезокристалл–кварц,еговысокая механическая прочность,надежная воспроизводимая технология, доступная сырьевая база – все этонесомненныедостоинства.Несколькоогорчаетналичиевкварценизкотемпературных фазовых переходов. Новые пьезоматериалы– лангасит,ланганит, ниобат лития лишены этих недостатков.Спонтанная поляризацияНекоторые диэлектрические кристаллы способны поляризоватьсясамопроизвольно, т.е в нормальных температурных условиях и в отсутствиивнешних электрических полей эти веществауже находятся в поляри-зованном состоянии.
Выше некоторой температуры( точки Кюри) спонтаннаяполяризация исчезает. Одно из первых веществ, показавших такие свойства,73сегнетова соль – твердый раствор Na и К солей виннокаменной кислоты далоназвание явлению –вещества называютсегнетоэлектрическая поляризация, а подобныесегнетоэлектриками.Подобно ферромагнетикамсегнетоэлектрики разбиваются на поляризованные микрообласти -домены,границы которых сравнительно легко смещаются при воздействии внешнегополя. В западной научной литературе сегнетоэлектрические материалы поэтим признакам подобия называют ферроэлектриками. Один из возможныхмеханизмов сегнетоэлектрической поляризации, реализующийся в титанатебария BaTiO3 и подобных ему оксидных соединениях показан на рис.35.Ниже точки Кюри кубическая решетка титаната бария тетрагональноискажается и электрически активный четырехзарядный ион титана немногосмещается относительно центра окружающего его кислородного октаэдраРисунок 35 – Фазовый переход в сегнетоэлектриках в точке Кюри напримере BaTiO3_----Некоторые сегнетоэлектрики:КДП( калийдигидрофосфат KH2PO4 ), LiNbO3 , BaTiO3.Признаки сегнетоэлектриков ( см.
рисунок 36 )74:Рисунок 36 – Особенности сегнетоэлектрикова) электрический гистерезисP=(E) – петля (рис. 36,а);б) необычно высокие значения ( от десятков до 104в) зависимостьг)наличиео)от Е (рис36,б)критическойтемпературыпереходаизсостоянияспонтанной поляризации в обычное диэлектрическое Т с – точки Кюри(рис.36,в) (обычно 373 – 423 К ), что иногда ограничивает термостабильностьприборов на их основе.Предварительнаяполяризациясегнетоэлектрикапозволяетдонекоторой степени «закрепить» смещенные доменные границы (см. рисунок37) и получить предпочтительное направление поляризации с повышеннымисвойствами.Многие сегнетоэлектрикидемонстрируют отличныепьезоэлект-рические свойства, причем в виде дешевых и технологичных керамик,поэтому широко применяются в этом качестве.75Рисунок 37 – Предварительная поляризация сегнетоэлектриковПироэлектрики – поляризуются при изменениитемпературы вовремени, причем изменение температуры вызывающее поляризацию иногдасовсем ничтожно по абсолютной величине.
Это делает пироэлектрикиценными материалами для пирометрии, приборов инфракрасной оптики ит.п.Проводимость и пробой диэлектриковДиэлектрики подразделяют на пассивные и активные. В пассивных наспрежде всего интересуют возможно более высокоеи долговременнаястабильность в большом электрическом поле. Пассивные диэлектрики этопрежде всего изоляционные материалы.В активных диэлектриках важны зависимости пьезо- , сегнето-, иоптическихсвойствсоответствующиеотнапряженностиэлектрическогополяЕ–области применения таких материалов называютсяакустоэлектроника и квантовая электроника ( физическая оптика ).Поговорим о пассивных диэлектриках – материалах, обеспечивающихвсе виды взаимной изоляции. Это наиболее общее их применение! Вдиэлектриках текут два вида активных токов: сквозные–объѐмные и76поверхностные;а такжеабсорбционные–толькоdEdtпри0.Абсорбционные токи - это активная часть затрат энергии на дипольную имиграционную поляризацию.Сквозные токи имеют в основном примесную природу: объясняютсядиффузией легкоподвижных ионов H+ , Na+ , Cu+ , K+ , Ag +, особеннозаметной в тонкопленочных слоях .
Формально проводимость диэлектрикаQА ekT,( 34 )но энергия активации Q разная для разных ионов, а начальная концентрацияпримесных ионов А почти не зависит от температуры.Рассматриваются ипрыжковые механизмы проводимости, реализуемые электронами , путемперехода между разновалентными ионами в решетке с низкой подвижностью,эффективность этих процессов зависит от концентрации таких разновалентныхионов. С ростом температуры проводимость диэлектриков растет.
Для оценкитемпературной устойчивости диэлектриков вводят параметртемпературу, при которой200о С, у керамик -ТК – 100 ,= 100 МОм.см – 108 Ом.см . У стекол ТК-100 = 150-1000о С, у полимеров ТК-100 = 200оС , что конечно оченьмало. При ионном механизме электропроводности имеет место перенос массы и,следовательно, постепеннаядеградация диэлектрика , вплоть до локальногоразрушения .Электрическая прочность диэлектриковЭлектрическая прочность оценивается по напряженности поля пробояЕпрU прd,( 35 )77где Uпр - пробивное напряжение, d – расстояние между электродами.Пробой - локальное нарушение диэлектрических свойств материала.Основные виды пробоя:Тепловой – если теплоотдача за счет сквозного и абсорбционных токоврастет быстрее, чем теплоотвод от поверхности, то растет температура ипроводимость диэлектрика, а вслед заней лавинообразно нарастаетсуммарный ток.
Возникает проводящий токовый шнур, вслед за темплавление, испарение диэлектрика, дуговой разряд в плазме. Даже если недошло дело до такой катастрофы, то следствием локального термоударабудут трещины и общее ухудшение свойств диэлектрика. Время развитиятеплового пробоя – минуты. Напряжение теплового пробоя Е0,1 – 1 МВ/м.Электрический пробой – туннельный переход электронов в зонупроводимостииз примесных уровней или металлических контактов.Процесс развивается за счет ударной ионизации валентных электронов илавинного размножения свободных носителейНапряжение электрического пробоя Епр гораздо больше 10-1000 МВ/м,электрический пробой развивается как безинерционный (практическимгновенный).Этонапряжениепробоясчитаетсясвойствомдиэлектрического материала и вводится в справочники.Поверхностный пробой – возникает в силу поверхностных токов попримесным поверхностным уровням; остаточной влажности на поверхности,возможным загрязнениям.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
