пособие (774869), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Основные параметры полупроводниковых материалов.3. Для чего легируются полупроводники и какие материалыиспользуются в качестве примесей?4. Какие три зоны можно выделить на графике lnγ = f(1/Τ) дляпримесного полупроводника?5. Какими значениями ограничиваются рабочие температурыполупроводниковых приборов, работающих на p-n переходах?ЛитератураМатериалы микроэлектронной техники / Под ред.
В.М. Андреева –М.:«Радио и связь», 1989 г. с. 271-277.14Р а б о т а №2ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ.Цель работы – изучение основных параметров диэлектрическихматериалов.Краткие теоретические сведения.К диэлектрикам относятся вещества, которые вследствие малойконцентрации свободных носителей зарядов имеют высокое удельноесопротивление. Диэлектрики применяются во всех компонентахрадиоэлектронной аппаратуры (РЭА), выполняя функции изолирующихслоёв, оснований в коммутационных платах, подложек гибридныхинтегральных схем (ГИС), корпусов полупроводниковых приборов имикросхем, в МОП-транзисторах и конденсаторах.Подавляющее большинство диэлектриков – химические соединения,имеющие ионное (стёкла, керамики) или молекулярное (полярные инеполярные полимеры) строение. Строение определяет тип химическойсвязи, основные электрические свойства, а также зависимость параметров отвнешних факторов.Важнейшим свойством диэлектриков является их способность кэлектрической поляризации, т.е.
под влиянием электрического поляпроисходит направленное смещение заряженных частиц или молекул наограниченное расстояние.Под действием электрического поля смещаются заряды, как вполярных, так и неполярных молекулах.Существует более десятка различных механизмов поляризации. Вданной работе рассматриваются некоторые из них.1. Электронная поляризация – смещение электронного облака атомапод воздействием электрического поля напряжённостью Е, в результате чегоцентры положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать.
Нарис. 2.1 показана схема моделей атомов в отсутствие внешнегоэлектрического поля (а) и при его воздействии (б).Рис. 2.1.15Специфика этого механизма – смещение на очень малые расстояниячрезвычайно лёгких частиц – обусловливает безинерционность процесса(время установления электронной поляризации составляет 10-15 с).
Этот видполяризации имеет место у всех диэлектриков, но эффект чаще всегомаскируется проявлениями поляризаций других видов. Единственная группаматериалов, обладающих преимущественно электронной поляризацией, - этонеполярные линейные полимеры, к которым относятся фторопласт,полистирол, полиэтилен и т. д.2. Ионная поляризация – смещение упругосвязанных ионов нанебольшое по сравнению с параметром решётки расстояние.
На рис.2.2показана идеализированная схема расположения ионов каменной соли:а –в узлах решетки в отсутствие электрического поля ; б – смещение изузлов на небольшие расстояния при воздействии поля..а)б)Рис.2.2.Время протекания ионной поляризации так же, как и электронной,мало (~10-13 с). Наблюдается в ионных веществах с плотной упаковкой ионов,например, в керамике. Поскольку время протекания электронной и ионнойполяризаций крайне мало, они не сопровождаются потерями энергии.Остальные виды поляризаций относятся к замедленным видам, т.е.требующим определённого времени для установления процесса.
Этоприводит к диэлектрическим потерям.3.Дипольная(дипольно-релаксационная)поляризация–преимущественная ориентация полярных молекул под действиемэлектрического поля. Полярными являются молекулы, построенные изатомов разных элементов так, что центры положительных и отрицательныхзарядов не совпадают. Такие молекулы являются диполями и без приложенияэлектрического поля, а их электрические моменты полностьюразориентированы. Поворот под действием электрического полясравнительно крупных частиц, какими являются молекулы, требует затрат16энергии, поэтому дипольная поляризация приводит к потерям энергии и привысокой частоте - нагрев диэлектрика.а)б)Рис.
2.3.На рис.2.3 показано примерное расположение дипольных молекул вотсутствии электрического поля (а) и при его воздействии на диэлектрик (б).Дипольная поляризация представляет собой инерционный процесс(время установления ~10-6 - 10-2 c), который характеризуется временемрелаксации τp.Наиболее сильно этот вид поляризации проявляется в полярныхдиэлектриках (например, в полихлорвиниле, лавсане и других полярныхполимерах).4.
Миграционная (ионно-релаксационная) поляризация – перемещение(миграция) под действием электрического поля слабо связанных примесныхионов на расстояния, превышающие параметр решётки, часто вплоть дограниц зёрен поликристалла. Процесс установления миграционнойполяризации может продолжаться секунды, минуты и даже часы.Этот вид поляризации характерен для ионных кристаллов с неплотнойупаковкой ионов, т.е.
для материалов, имеющих рыхлую структуру, чащевсего сильно загрязнённых.Основные параметры диэлектрических материалов1) ε – диэлектрическая проницаемость;Диэлектрическая проницаемость – мера способности материала кполяризации; это величина, показывающая во сколько раз силавзаимодействия электрических зарядов в данном материале меньше, чем ввакууме. Внутри диэлектрика возникает поле, направленное противоположновнешнему.
Напряженность внешнего поля ослабевает по сравнению с полем17тех же зарядов в вакууме в ε раз, где ε – относительная диэлектрическаяпроницаемость;Если вакуум между обкладками конденсатора заменяется надиэлектрик, то в результате поляризации ёмкость возрастает. На этомосновано простое определение диэлектрической проницаемости:ε = (Cd / C0) >1(2.1),где: C0 – ёмкость конденсатора, между обкладками которого – вакуум;Cd – ёмкость того же конденсатора с диэлектриком.В зависимости от механизма поляризации, ε может приниматьзначения от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч. Наименьшиезначения ε имеют неполярные диэлектрики (ε < 2,5), а наиболее высокиезначения - диэлектрики, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами, ионные материалы, например титанат бария ВаTiO3, и титанат стронцияSrTiO3 (ε > 105 – 106).2)tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь;Диэлектрические потери – потери электрической энергии,обусловленные протеканием токов в диэлектриках.
Различают ток сквознойпроводимости Iск.пр, вызванный наличием в диэлектриках небольшогоколичества легкоподвижных ионов, и поляризационные токи. Приэлектронной и ионной поляризация поляризационный ток называется токомсмещения Iсм, он очень кратковременный и не регистрируется приборами.Токи, связанные с замедленными (релаксационными) видами поляризации,называются токами абсорбции Iабс. В общем случае суммарный ток вдиэлектрике определяется какI = Iабс + Ιск.пр,(2.2)После установления поляризации суммарный ток будет равенI = Iск.пр.(2.3)Если в постоянном поле поляризационные токи возникают в моментвключения и выключения напряжения, и суммарный ток определяется всоответствии с уравнением (2.3), то в переменном поле поляризационные18токи возникают в момент смены полярности напряжения.
Вследствие этогопотери в диэлектрике в переменном поле могут быть значительными,особенно если полупериод приложенного напряжения приближается квремени установления поляризации.На рис. 2.4(а) приведена схема, эквивалентная конденсатору сдиэлектриком, находящемуся в цепи переменного напряжения. В этой схемеконденсатор с реальным диэлектриком, который обладает потерями, замененидеальным конденсатором C с параллельно включенным активнымсопротивлением R. На рис.2.4(б) приведена векторная диаграмма токов инапряжений для рассматриваемой схемы, где: U – напряжения в цепи; Iак –активный ток; Iр – реактивный ток, который опережает по фазе на 900активную составляющую; IΣ - суммарный ток.При этом:Iа = IR = U/R(2.4)Iр = IC =ωC U(2.5)где: ω – круговая частота переменного поля.Рис.2.4аРис.2.4бУглом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90оугол сдвига фаз φ между током IΣ и напряжением U в ёмкостной цепи.Потери в диэлектриках в переменном поле характеризуются тангенсомугла диэлектрических потерь.19tgδ = Ia / Ip.(2.6)Предельные значения тангенса угла диэлектрических потерь длявысокочастотных диэлектриков не должны превышать 0,0001 – 0,0004, а длянизкочастотных – 0,01 – 0,02.Зная значения tgδ для диэлектрика можно легко определить мощность,рассеиваемую в диэлектрике.Ра = UIa =UIR tgδ= U2ωC tgδ(2.7)3) Eпр – электрическая прочность;Электрической прочностью называется напряженность однородноговнешнего электрического поля, приводящая к образованию в диэлектрикеканала, обладающего высокой проводимостью (явлению пробоядиэлектрика).Eпр=Uпр /d [КB/мм],(2.8)где: Uпр – пробивное напряжение, измеряемое в вольтах иликиловольтах;d –милллиметрах.толщинадиэлектрика,измеряемаявметрахили4) ρv - удельное объёмное сопротивление;Удельное объемное сопротивление представляет собой электрическоесопротивление куба материала с ребром 1 мρv= RV S/ L [Oм·м](2.9)где: RV – сопротивление материала (Ом);S – площадь сечения образца (м2);L – длина образца (м).5) ρs – удельное поверхностное сопротивление;Данный параметр характеризует электрическое сопротивлениеповерхностного слоя диэлектрика в виде квадрата со стороной в 1 мρs = ρv/ d [Oм/ ]где: ρv – удельное объёмное сопротивление;d – толщина диэлектрика.(2.10)20Зависимости ε и tgδ от температуры и частоты.Диэлектрические параметры материалов в различной степени зависятот температуры и частоты.
Большое количество диэлектрических материаловне позволяет охватить особенности всех зависимостей от указанныхфакторов. Поэтому на графиках, приведенных на рис. 2.5 –2.6 изображеныобщие тенденции, характерные для некоторых основных групп.Рис.2.5.Рис.2.6.На рис.2.5 приведены типичные зависимости диэлектрическойпроницаемости от температуры, а на рис.2.6 от частоты, где: 1 – неполярныелинейные полимеры (электронная поляризация); 2 – диэлектрики ионногостроения (ионная поляризация); 3 – полярные полимеры (дипольнаяполяризация);1. С возрастанием температуры объем диэлектрика увеличивается идиэлектрическая проницаемость немного уменьшается. Особенно заметноуменьшение ε в период размягчения и плавления неполярных диэлектриков,когда их объем существенно возрастает.Ввиду высокой частоты обращения электронов на орбитах (порядка10 –1016 Гц) время установления равновесного состояния электроннойполяризации очень мало и проницаемость ε неполярных диэлектриков независит от частоты поля в обычно используемом диапазоне частот (до 1012Гц).152.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
