3.4. Діелектроніка

Діелектроніка використовує зв’язок між електричним і тепловим сигналами та діелектричним відгуком. Основними пристроями є елементи сегнетоелектричної пам’яті, пристрої, що працюють на діелектричній нелінійності, електретному стані, піроелектричному ефекті та особливостях електропровідності.

Сегнетоелектрична пам’ять – це здатність сегнетоелектрика зберігати моно доменний поляризований стан після припинення дії зовнішньогоелектричного поля. Ця здатність виявляє себе в умовах спостереження процесів поляризації - переполяризації в синусоїдальному зовнішньому електричному полі як залежність Р(Е) величини поляризації Р від зовнішнього поля напруженістю Е у вигляді петлі гістерезису. Природа явища розглянута в розділі 2.

Сегнетоелектрична пам’ять використовують для запису інформації у двійковій системі. З рис. 2. 18 видно, що коли напруженість зовнішнього поля

Е = 0, сегнетоелектрик може перебувати у двох станах: із Р = +Р_r та Р = -Р_r, де B_r – залишкова поляризація. Аналогічно до феромагнітної пам’яті один зі станів приймають за «нуль», а інший – за «одиницю», тобто один елемент містить один біт інформації.

Два протилежні значення спонтанної поляризації сегнетоелектрика (+Р_r і –Р_r) у сегнетоелектричних кристалах можуть тривалий час зберігатися, забезпечуючи тим самим у запам’ятовувальних пристроях ЕОМ запис і збе­реження інформації за двійковим кодом. Наприклад, імпульс позитивної по­лярності орієнтує домени і спричиняє залишкову поляризацію, яка приблизно дорівнює +Р_r. Наступний додатний «зчитувальний імпульс» у цьому разі не приводитиме до переполяризації, і струм через сегнетоелектричний елемент пам’яті виявиться дуже малим. Якщо ж був «записаний» від’ємний імпульс, то під час зчитування відбувається переполяризація – стрибок поляризації від –Р_r до +Р_r, що зумовлює імпульс електричного струму через сегнетоелектричний конденсатор.

С

Рис.3.12. Сегнетоелектичний запам’ятову-вальний пристрій з матричною адресацією

егнетоелектричний пристій запису та збереження інформації з матричною адресацією показано на рис. 3.12. На протилежних поверхнях сегнетоелектричного зразка нанесені лінійні електроди в вигляді ортогональної системи строчок та стовбців. Об’єм сегнетоелектрика, заключний між перетинанням строчок та стовбців являє собою окрему коміркупам’яті. Для зчитування інформації на електроди цієї комірки одночасно подають додатній та від’ємний імпульси напруги, які викликають пере поляризацію комірки. Сегнетоелектричні запам’ятовувальні пристрої не знайшли широкого розповсюдження через явище «утоми», коли вектор поляризації комірки перестає переорієнтовуватися. Але якщо пристрій повинен бути не чутливим до зовнішніх впливів сегнетоелектрична пам’ять стає в нагоді. Цій вимозі задовільнюють сегнетоелектрична кераміка Pb_0.99{(Sr_0.50Sn_0.50)_0.86Ti_0.14}Nb_0.02O₃ та монокристали Bi₄Ti₃O₁₂.

Запам’ятовувальні пристрої на структурі сегнетоелектрик– n- фотопровідник являє собою пластину сегнетоелектрика, на яку нанесено шар фотопровідника. На обох поверхнях двошарової структури розпилені електроди, верхній з яких має бути прозорим. Записуване зображення проектується на поверхню фотопровідника, одночасно на структуру подається «записувальний» імпульс напруги.

Завдяки різкому падінню опору фотопровідника в освітлених ділянках майже вся прикладена напруга падає на шар сегнетоелектрика, локально пе-реполяризуючи його і тим самим створюючи в ньому просторовий розподіл поляризації, що відповідає розподілові освітленості в записуваному зобра­женні. Під час електричного зчитування записаної інформації відбувається її руйнування; оптичне зчитування можна здійснити без руйнування, якщо ви­користати сегнетоелектрики з електрооптичними властивостями. Прикладом подібних запам’ятовувальних пристроїв є пристрій, у якому плівка фотопровідника CdSe завтовшки 0,7 мкм осаджувалася на поверхню шару сегнетоелектрика (PbBiLa)(Fe,Nb,Zr)О₃. Ємність пристрою становила 6,10⁶ біт. Після 10⁹ циклів переполяризації «утома» сегнетоелектричної плівки виявлялася слабко.

Подібні пристрої здатні до тривалий час зберігати оптично записану інформацію, що може бути електрично стерта і знову перезаписана. Такий набір функціональних характеристик забезпечує широке використання подібних структур як запам’ятовувальних пристроїв, транспарантів-формувачів сторінок у голографічних запам’ятовувальних пристроях і спеціальних фотопроцесорах.

Пристрої із застосуванням нелінійних властивостей діелектриків

Нелінійним називають діелектрик, у якому діелектрична проникність змінюється в електричному полі ε(Е). Природа нелінійності розглянута в розд 2.

В

Рис.3.13. Схема піроелектричного видикону: 1 – вивід загального електроду мішені (сигнальної пластини); 2 – сітка колектора; 3 – точка підключення напруги зміщення мішені; 4 котушки фокусування та відхилення електронного поменя; 5 – другий анод; 6 – прискорюючий анод; 7 – сітка

елике практичне значення мають нелінійні конденсатори –вариконди – значення коефіцієнта ефективної нелінійності у них досягає 20. Завдяки малій інерційності керування, високій радіаційній стійкості та стійкості до перевантажень у НВЧ-діапазоні вариконди досить перспективні для застосування як діелектричні підсилювачі, модулятори сигналів НВЧ, фазообертачі і т. ін.

Нелінійність варикондів використовують також у пристроях множення частоти (виділяються вищі гармоніки струму), для підвищення контрастності зображення – у фотолюмінісцентних екранах, в обмежниках напруги (де ємність різко зростає з напругою і її опір змінному струмові знижується).

Піроелектричні видикони – одні з найперспективніших приладів візуалізації зображень, в яких використовується піроелектричний ефект. Природа ефекта розглянута в розд 2. Піровидикони виріщують завдання перетворення сигналу ІЧ- (інфрачервоного, теплового) діапазону у видимий сигнал.

Основні складові піровидикона показані на рис. 3….Принцип дії полягає в наступному. Тепловий потік, просторово неоднорідно розподілений відповідно до ІЧ-випромінювання об’єкта, проходить через прозоре напівпровідникове вікно з As₂S₃ або Ge, потім падає на підкладку із In-електродом, до якого підключені вхідні резистори R₁ та ємність C. На вхід подають напругу зміщення U_вх. На підкладці розташована так звана піроелектрична мішень, наприклад, з кристалу ТГС або іншого піроелектрика (див. табл. 2….). Тепловий потік потрапляє на поверхню цієї мішені і створює на ній просторово неоднорідно розподілений тепловий рельєф. Внаслідок піроелектричного ефекту відповідно до розподілу градієнта температури ΔТ (х,у) виникає розподіл змін спонтанної поляризації ΔР(х,у) – електричний рельєф. У свою чергу, цей рельєф модулює піроелектричний струм i ~ ΔР/ ΔТ (х,у), що тече через вихідний резистор навантаження R_н. Модуляція струму виникає тому, що електричний рельєф сприймає сітка телевізійної трубки, яку сканує електронний промінь. Напруга, створена промодульованим струмом, керує яскравістю кожної точки телевізійного монітора, тобто створює відображення об’єкта.

Пристрої ксерокопіювання – надзвичайно масово поширені пристрої для відображення об’єктів, що працюють на електретному ефекті. Природа ефекту розглянута в розд.2.

Ф

Рис. 3.14. Кострукційні складові та принцип формування зображення у пристроях ксерокопіювання:а – без електрода- проявлювача; б – з електродом-проявлювачем

ормування зображення відбувається наступним чином (рис.3.14…). Спочатку поверхня платини з високоомного, але й фотопровідного напівпровідника (аморфний Se або ZnO) заряджають коронним розрядом, створюючи електретний стан. Далі цю поверхню експонують світлом, точніше, проектують на неї оптичне зображення об’єкта. Завдяки фотопровідності пластини в ній виникають фотоіндуковані заряди, які компенсують електретний заряд в освітлених ділянках. Створюється просторово- неоднорідний розподіл електретного заряду – так зване приховане електростатичне зображення. Для перенесення зображення на папір використовують дрібно дисперсні порошки (віраж). Ці порошки електризують тертям, створюючи трибоелектрет. Кожна частинка порошку набуває дипольного моменту.

Порошок-віраж спрямовують на пластину напівпровідника, заряджені його частинки накопичуються в тих місцях, де електретний заряд більший. Передають зображення на папір електростатичним методом. Із зовнішнього боку листа паперу знову діє коронний розряд тієї ж полярності, що й був використаний для заряджання пластини напівпровідника. Папір заряджається, а частинку порошку притягуються на нього й залипають там.

Сучасні досягнення в справі ксерокопіювання забезпечують й кольорове копіювання,

Пристрої, що використовують суперіонну електропровідність

Однією з важливих переваг для застосування суперіонних провідників є можливість отримувати їх у вигляді монокристалів, порошків, щільних керамік, плівкових покриттів. Завдяки своїм властивостям (розд. 2) суперіонні матеріали використовуються у виготовленні: хімічних датчиків, конденсаторів великої ємності (іоністорів), комірок пам’яті, різноманітних джерел живлення та акумуляторів та інше.

Комірки пам’яті на твердих електролітах

Для виготовлення елементів (комірок) пам'яті в розплав суперіонного провідника поміщають два вугільних електрода, на один з електродів попередньо напилюють метал, іони якого є носіями заряду в суперіонному провіднику.

У

Рис. 3.15. Суперіонна комірка пам'яті

даному прикладі на один електрод нанесено срібло, а суперіонним провідником є йодид срібла (рис. 3.15). За прикладенням позитивного потенціалу на електрод з нанесеним сріблом, срібло починає розчинятися, іони срібла переходять в суперіонний провідник, і переносяться на інший електрод. Після того як шар срібла перенесеться на інший електрод, струм через осередок припиниться (стан запам’товується). Для відновлювання струму необхідно змінити полярність електродів.

І

Рис. 3.16. Порівняння конструктивних схем трьох конденсаторів: а – «звичайний» конденсатор; б – електролітичний; б – іоністор

оністериЯкщо у розглянутому прикладі на електроди не наносити шар металу, то при прикладенні електричного поля рухливі іони зміщуються від одного з електродів, і в суперіонних провіднику з'являється замираючий шар. Інакше кажучи, ми маємо можливість створити конденсатор – іонітор. Ємність конденсатора пропорційна поверхні електродів і діелектричної проникності і обернено пропорційна відстані між електродами або товщині замикаючого шару. Оскільки поверхня одного з електродів можна бути дуже великою, використовуючи в якості електрода активоване вугілля (до 2500-3000 см²/г), товщина замикаючого шару невелика – близько 7-10 нм, а діелектрична проникность іонних сполук досить велика, тоді ємність отриманих конденсаторів досягає дуже великих величин, при цьому розміри конденсатора досить малі. Типова ємність іоністора – кілька фарад. Дешеві іоністори на 3,3 В та ємностю приблизно в 1 Ф мають розміри пари таблеток. Принцип дії іонітсорів заснований на появі подвійного електричного шару на межі розділу електрода і електроліта (рис. 3.16 )

З появою іоністоров стало можливим використовувати конденсатори в p-n електричних колах і як джерело струму. Такі елементи мають декілька переваг над звичайними хімічними джерелами струму - гальванічним елементами та акумуляторами: високі швидкості зарядки і розрядки, простота зарядного пристрою, мала деградація навіть після сотень тисяч циклів заряду / розряду, мала вага в порівнянні з електролітичними конденсаторами подібної ємності, низька токсичність, матеріалів, висока ефективність (більше 95%), неполярність.

Але є й недоліки : питома енергія менша, ніж у традиційних джерел, напруга залежить від ступеня зарядженості, малий термін служби (сотні годин) на граничних напругах заряду, великий внутрішній опір в порівнянні з традиційними конденсаторами та деякі інші.

Разом з тим є думка що, іоністори можуть незабаром замінити звичайні акумулятори. Вже запропонований акумулятор на основі іоністора, в якому в пористий матеріал були введені наночастинки заліза. Отриманий подвійний електричний шар пропускав електрони в два рази швидше за рахунок створення тунельного ефекту. Нині розробили новий матеріал – пористий тривимірний вуглець, який володіє властивостями суперконденсатора. Велика кількость крихітних пор і в поєднанні з електролітом можуть зберігати в собі колосальний електричний заряд.