Скачиваний:
45
Добавлен:
24.06.2021
Размер:
538.02 Кб
Скачать

Диэлектрики

К диэлектрикам относятся вещества, которые вследствие малой концентрации свободных носителей зарядов имеют высокое удельное сопротивление. Диэлектрики применяются во всех компонентах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), выполняя функции изолирующих слоёв, оснований в коммутационных платах, подложек гибридных интегральных схем (ГИС), корпусов полупроводниковых приборов и микросхем, в МОП-транзисторах и конденсаторах.

Подавляющее большинство диэлектриков – химические соединения, имеющие ионное (стёкла, керамики) или молекулярное (полярные и неполярные полимеры) строение. Строение определяет тип химической связи, основные электрические свойства, а также зависимость параметров от внешних факторов. На рисунке представлена возможная классификация диэлектриков

Важнейшим свойством диэлектриков является их способность к электрической поляризации, т.е. под влиянием электрического поля происходит направленное смещение заряженных частиц или молекул на ограниченное расстояние.

Под действием электрического поля смещаются заряды, как в полярных, так и неполярных молекулах.

Существует более десятка различных механизмов поляризации. В данной работе рассматриваются некоторые из них.

1. Электронная поляризация – смещение электронного облака атома под воздействием электрического поля напряжённостью Е, в результате чего центры положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать. Схема моделей атомов в отсутствие внешнего электрического поля (а) и при его воздействии (б).

Рисунок 1.

Специфика этого механизма – смещение на очень малые расстояния чрезвычайно лёгких частиц – обусловливает безинерционность процесса (время установления электронной поляризации составляет 10-15 с). Этот вид поляризации имеет место у всех диэлектриков, но эффект чаще всего маскируется проявлениями поляризаций других видов. Единственная группа материалов, обладающих преимущественно электронной поляризацией, - это неполярные линейные полимеры, к которым относятся фторопласт, полистирол, полиэтилен и т. д.

2. Ионная поляризация – смещение упругосвязанных ионов на небольшое по сравнению с параметром решётки расстояние. Идеализированная схема расположения ионов каменной соли:

а –в узлах решетки в отсутствие электрического поля ; б – смещение из узлов на небольшие расстояния при воздействии поля..

а) б)

Рисунок 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 ионной поляризаций крайне мало, они не сопровождаются потерями энергии. Остальные виды поляризаций относятся к замедленным видам, т.е. требующим определённого времени для установления процесса. Это приводит к диэлектрическим потерям.

3.Дипольная (дипольно-релаксационная) поляризация – преимущественная ориентация полярных молекул под действием электрического поля. Полярными являются молекулы, построенные из атомов разных элементов так, что центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы являются диполями и без приложения электрического поля, а их электрические моменты полностью разориентированы. Поворот под действием электрического поля сравнительно крупных частиц, какими являются молекулы, требует затрат энергии, поэтому дипольная поляризация приводит к потерям энергии и при высокой частоте - нагрев диэлектрика.

а) б)

Рисунок 3.

Примерное расположение дипольных молекул в отсутствии 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 временем релаксации τp.

Наиболее сильно этот вид поляризации проявляется в полярных диэлектриках (например, в полихлорвиниле, лавсане и других полярных полимерах).

4. Миграционная (ионно-релаксационная) поляризация – перемещение (миграция) под действием электрического поля слабо связанных примесных ионов на расстояния, превышающие параметр решётки, часто вплоть до границ зёрен поликристалла. Процесс установления миграционной поляризации может продолжаться секунды, минуты и даже часы.

Этот вид поляризации характерен для ионных кристаллов с неплотной упаковкой ионов, т.е. для материалов, имеющих рыхлую структуру, чаще всего сильно загрязнённых.

5. Спонтанная поляризация характерна для определенного класса диэлектриков – сегнетодиэлектрики. Эти материалы имеют высокую диэлектрическую проницаемость. При температурах ниже точки Кюри, если внешнее электрическое отсутствует, вся структура сегнетодиэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых возникает спонтанная поляризация определенного направления.

Рассмотрим механизм возникновения спонтанной поляризации на примере BaTiO3. На рисунке представлена упрощенная модель структуры BaTiO3, которая при температуре T > 130ОС (точка Кюри) неполяризована, т.к. ион титана за счет теплового движения находится в центре куба, образованного ионами кислорода. При охлаждении энергетически более выгодным становится структура, в которой ион титана сдвигается относительно центра подрешеток ионов Ва2+ и кислорода О2-, что и приводит к самопроизвольной (спонтанной) поляризации. Причем сдвиг подрешеток охватывает не одну кристаллическую ячейку, а целую область кристалла, называемую доменом. Разбивка на домены энергетически выгодна, т.к. различные направления поляризации в доменах взаимно компенсируются и суммарный электрический момент кристалла в отсутствии внешнего электрического поля равен нулю.

Рисунок 4. Структура кристаллической решетки титаната бария.

Под воздействием внешнего электрического поля происходит переориентация поляризации в доменах до совпадения с направлением внешнего поля – насыщения, что приводит к увеличению суммарной поляризации образца. При изменении направления поля на противоположное переориентация доменной структуры проходит не по первоначальной кривой, а с отставанием, что является следствием неоднородности материала, наличия примесей, дефектов структуры, которые затрудняют ориентацию доменов, что приводит к потерям. Зависимость поляризованности (Р) сегнетоэлектрика от напряженности внешнего электрического поля (Е) представлена на рис.5. Площадь петли пропорциональна величине потерь, которые в сегнетодиэлектриках достаточно высокие (tgδ ~ 10-2).

Р ис. 5. Зависимость поляризованности от напряженности внешнего электрического поля в сегнетодиэлектриках.

Спонтанная поляризация является инерционным процессом, поэтому после определенной частоты, называемой критической, процесс переполяризации не успевает следовать за полем и диэлектрическая проницаемость (ε) резко падает. Применение сегнетодиэлектриков обычно ограничено областью низких частот (до 100 кГц).

Недостатком сегнетокерамики является низкое значение точки Кюри и резкая зависимость диэлектрической проницаемости от температуры.

Рисунок 6. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для сегнетодиэлектрика.

Таким образом сегнетокерамические материалы используют для изготовления низкочастотных миниатюрных конденсаторов большой емкости (до 20 мкФ) и низкой температурной стабильности.