Билет №13, 14 (Ответы на экзамен 2)
Описание файла
Файл "Билет №13, 14" внутри архива находится в папке "otvety_v2". Документ из архива "Ответы на экзамен 2", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "материалы и элементы электронный техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Билет №13, 14"
Текст из документа "Билет №13, 14"
5
Билет №13, 14
7.15. АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Активными (управляемыми) диэлектриками называют материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах с помощью внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического или магнитного поля, механического напряжения, температуры, светового потока и др. В этом их принципиальное отличие от обычных (пассивных) диэлектриков.
Из активных диэлектриков изготавливают активные элементы электронных приборов. Особенностью свойств этих материалов являются такие явления, как сегнетоэлектричество, электретный, пьезоэлектрический и электрооптический эффекты, инжекционные токи и др., послужившие основой для разработки диэлектрических приборов. Ниже рассматриваются особенности строения и свойств некоторых активных диэлектриков, нашедших наиболее широкое применение.
7.15.1. Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектрики в отличие от обычных (пассивных) диэлектриков обладают регулируемыми электрическими характеристиками. Так, например, диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектриков с помощью электрического напряжения можно изменять в широких пределах. Характерная особенность сегнетоэлектриков заключется в том, что у них наряду с электронной, ионной и релаксационными видами поляризации, вызываемыми внешним электрическим полем наблюдается самопроизвольная (спонтанная) поляризация, под действием которой эти диэлектрики приобретают доменную структуру и характерные сегнетоэлектрические свойства.
Самопроизвольная поляризация проявляется в отсутствие электрического поля в определенном интервале температур ниже точки Кюри Тк вследствие изменения строения элементарной ячейки кристаллической решетки и образования доменной структуры, что, в свою очередь, вызывает у сегнетоэлектриков:
-
необычно высокую диэлектрическую проницаемость (до десятков тысяч);
-
нелинейную зависимость поляризованности, а следовательно,и диэлектрической проницаемости от напряженности приложенного
электрического поля; -
резко выраженную зависимость диэлектрической проницаемости от температуры;
-
наличие диэлектрического гистерезиса.
Указанные выше свойства были детально изучены И.В.Курчатовым и П.П.Кобеко у сегнетовой соли (натриево-калиевая соль винной кислоты NaKC4H4O6 • 4Н2О), поэтому вещества, обладающие аналогичными свойствами, называют сегнетоэлектриками. Важнейший для практического применения сегнетоэлектрик — титанат бария — открыл в 1944 г. Б.М. Бул. Ряд сегнетоэлектриков был открыт Г.А. Смоленским и др.
В настоящее время известно около 500 материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. В зависимости от структуры элементарной ячейки и механизма спонтанной поляризации различают сегнетоэлектрики ионные и дипольные, иначе — сегнетоэлектрики типа смещения и упорядочивающиеся, соответственно.
Ионные сегнетоэлектрики имеют структуру элементарной ячейки типа перовскита (минерал СаТiO3). К ним относятся:
титанат бария ВаТiO3 (Тк= 120°С),
титанат свинца РbТiO3 (Тк = 493°С),
титанат кадмия CdTiО3 (Тк = 223°С),
метаниобат свинца PbNb2O6 (Tk = 575°С),
ниобат калия KNbO3 (Tk = 435°С),
иодат калия KNbO3 (Тк = 210°С) и др.
Все химические соединения этой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, изделия из них получают по керамической технологии. Они представляют собой в основном кристаллы с преимущественно ионной связью. Для этой группы сегнетоэлектриков спонтанная поляризация схематически показана на рис. 7.1 на примере элементарной ячейки ВаТiO3. Элементарная ячейка титаната бария при высоких температурах имеет форму куба (а = 4,01•10-10м); в узлах куба расположены ионы бария, в середине граней — ионы кислорода, образуя кислородный октаэдр, в центре которого размещен ион титана (см. рис. 7.1, а, а'). В результате интенсивного теплового движения ион титана равновероятно находится вблизи каждого иона кислорода, поэтому электрический момент ячейки ввиду ее симметричности равен нулю и диэлектрик находится в параэлектрическом состоянии (термин аналогичен термину «парамагнетик»). При температурах равной и ниже некоторой, называемой точкой Кюри (Тк), ион титана, благодаря ослаблению энергии теплового движения, оказывается преимущественно вблизи одного из ионов кислорода, смещаясь на 1•10-11 м. В этом же направлении смещаются и ионы бария (на 5•10 -12 м).
Ион кислорода, находящийся напротив О2-, к которому сместился Ti4+, сдвигается в противоположном направлении (на 4•10-12 м). В результате этих смещений ионов кубическая решетка незначительно деформируется в тетрагональную (с параметрами элементарной ячейки а = 3,99 A , с = 4,036 A ), а кислородный октаэдр несколько искажается (см. рис. 7.1, б, б'). Хотя все эти смещения ионов, в том числе и иона титана, сравнительно малы, тем не менее они очень важны и приводят к образованию значительного электрического дипольного момента Po –
Рис. 7.1. Элементарная ячейка (а, а') титаната бария и ее проекция при температурах выше (а, а') и ниже точки Кюри (б, б')
Возникает спонтанная поляризация и происходит фазовый переход диэлектрика из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое.
Таким образом, самопроизвольная поляризация ионных сегнетоэлектриков возникает в отсутствие электрического поля в определенном интервале температур в результате смещения иона Ti4+ в объеме элементарной ячейки из центрального положения и деформации последней.
Дипольными сегнетоэлектриками являются
сегнетова соль NaKC4H4O6 • 4Н2О (Тк = 24°С),
триглицинсульфат (NH2CH2COOH)3•H2SO4 (Tk = 49°С),
гуaнидиналюминийсульфатгексагидрат C(NH3)2A1(SO4)2 •6Н2О (Тк > 200°С),
нитрит натрия NaNO2 (Тк = 163°С),
дигидрофосфат калия КН2Р04(Тк = -151 С) и др.
Химические соединения этой группы обладают низкой механической прочностью и растворимы в воде, благодаря чему из водных растворов этих соединений можно выращивать крупные монокристаллы. Атомы в этих соединениях несут на себе заряд, но связаны между собой преимущественно кова-лентной связью.
Дипольные сегнетоэлектрики в элементарной ячейке содержат атом (ион) или группу атомов (ионов), имеющих два положения равновесия, в каждом из которых образуется электрический дипольный момент Ро . При температурах выше точки Кюри в результате хаотического теплового движения эти два положения равновесия равновероятны, поэтому спонтанная поляризация отсутствует, и диэлектрик
Рис. 7.2. Схематическое изображение
элементарной ячейки кристалла
NaNO2
находится в параэлектрической фазе. При Т<Тк одно из положений становится предпочтительным и в элементарной ячейке возникает дипольный момент; происходит спонтанная поляризация, и диэлектрик переходит из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое (осуществляется фазовый переход). На рис. 7.2 схематически показано строение элементарной ячейки NaNO2. При Т> Тк ион N5+в результате хаотического теплового движения равновероятно находится в «верхнем» (а) и «нижнем» (б) положении. При Т< Тк энергия теплового движения иона N5+ + уменьшается, и он остается в «верхнем» или «нижнем» положении; возникает дипольный момент Ро определенной направленности. Произошла спонтанная поляризация.
В результате спонтанной поляризации в ионных и дипольных сегнетоэлектриках элементарные ячейки с одинаково направленными электрическими моментами образуют небольшие объемы, называемые доменами. Следовательно, домен — это совокупность элементарных ячеек, имеющих общий вектор спонтанной поляризованности Рс (Рс = ∑po). Векторы Рс отдельных доменов имеют различную направленность, поэтому суммарная поляризованность (или просто поляризация) Р всего образца сегнетоэлектрика равна нулю (Р = 0). Если монокристаллический образец поместить в электрическое поле и повышать его напряженность, то векторы дипольных моментов отдельных доменов начнут ориентироваться в направлении силовых линий поля, и тем в большем количестве, чем больше будет напряженность электрического поля; поляризованность Р образца начнет возрастать. Когда векторы поляризованности всех доменов сориентируются по полю, наступит состояние технического насыщения и весь монокристалл станет однодоменным; при этом Р будет равна Ри а Е= Еи диэлектрическая проницаемость примет максимальное значение. Если теперь поменять полярность электрического поля, то произойдет переполяризация — изменится направление вектора Рс на противоположное. Техническое насыщение Ри нужно отличать от спонтанной поляризованности Рс, которая всегда присутствует в доменах. Величину Ек удобнее измерять, используя предельную петлю диэлектрического гистерезиса (см. ниже).
Изменение знака спонтанной поляризации под действием электрического поля — важная особенность сегнетоэлектриков.
Зависимость поляризованности Р и диэлектрической проницаемости ε от напряженности электрического поля Е имеет сложный
вид (рис. 7.3). С увеличением напряженности поля ε изменяется от начального значения εн до максимального εм (при Е = Емакс) и далее уменьшается, приближаясь к значению εн в области сильных полей. Весь процесс изменения Р и ε от Е можно разбить на три участка (см. рис. 7.3).
Участок I — область слабых электрических полей с напряженностью Е меньшей коэрцитивной силы Ес. На этом участке поляризация осуществляется за счет обратимого смещения стенок доменов. Зависимость Р от Е линейная, ε от Е практически не зависит, т.е. сегнетоэлектрик ведет себя аналогично обычному диэлектрику.
Участок II — область приближения Е к Ес характеризуется поляризацией образца путем необратимого смещения стенок доменов. Значения Р и в на этом участке максимально зависят от Е. Небольшие изменения напряженности электрического поля приводят к резкому изменению поляризованности и диэлектрической проницаемости и при Eмакс ε = εм. Этот участок характеризуется коэффициентом эффективной нелинейности Кэф
Кэф = εм/εн (7.1)
С увеличением частоты Кэф уменьшается. Наибольшее значение он имеет при низких частотах. При высоких частотах, когда полупериод приложенного напряжения становится меньше времени переполяризации доменов, Кэф существенно уменьшается. Коэффициент Кэф является важной характеристикой сегнетоэлектриков, используемых в варикондах, диэлектрических усилителях, стабилизаторах переменного напряжения и т.п. Например, вариконды работают на участке II ε(Е), когда Кэф максимален. В зависимости от природы материала Кэф изменяется от 1 до 50 (табл. 7.5).
Таблица 7.5 Свойства сегнетокерамики для варикондов
Материалы Tk,°С εн Кэф Емакс, кВ/м tgδ
ВК-1 75±10 2000 6-8 150-200 0,02
ВК-2 75+10 2000 15-20 120-150 0,01
ВК-3 25+10 10000 1-2 50-100 0,03
ВК-4 105±10 1800 10-16 250-300 0,015
ВК-5 75+10 2000 35-50 80-100 0,01
ВК-6 200 400 20-50 500-600 0,03