Электропроводность диэлектриков

К диэлектрикам относятся материалы с большой шириной запре­щенной зоны, поэтому концентрация свободных электронов в них ничтожно мала.

Опыт показывает, что удельное сопротивление диэлектриков не бесконечно велико и часто в них имеются значительные потери именно из-за протекания сквозных токов. В микросхемах расстояния меж­ду проводниками, находящимися под напряжением, очень малы (5... 10 мкм) и, несмотря на ма­лые напряжения, токи утечки могут быть достаточными для по­явления паразитных сигналов. В СВЧ-устройствах потери в ди­электрике приводят к затуханию сигналов в линии, то есть также к утрате работоспособности.

Установлено, что причиной повышенной электропроводности диэлектриков является наличие в них подвижных ионов — носи­телей заряда.

Однозначно теоретически предска­зать концентрацию ионов в диэлектриках нельзя из-за их различ­ной природы и бесконечного разнообразия примесей и дефектов.

В электропроводности могут участвовать как собственные ионы (в солях, стеклах, керамике при повышенных температурах), так и ионы примеси. Поэтому ионная электропроводность наблюдает­ся и в материалах, имеющих неионное строение, например, в по­лимерах.

Так же, как и в полупроводниках, различить собствен­ную и примесную электропроводность в диэлектриках можно по виду ее температурной зависимости. Вклад различных примесей в электропроводность диэлектриков неравнозначен: наибольшее значение имеют легкоподвижные ионы. Ионная электропровод­ность осуществляется подобно диффузии — в простейшем случае перемещением ионов по вакантным узлам решетки. Отличие со­стоит лишь в движущей силе: при электропроводности это — раз­ность потенциалов, при диффузии — уменьшение химического по­тенциала, которое можно выразить через градиент концентраций. Поэтому существует связь между подвижностью ионов µ, и коэф­фициентом диффузии D, строго определяемая соотношением Эйн­штейна: µ=eD/kT.

Поскольку коэффициенты диффузии ионов при комнатной температуре очень малы (не более 10^-15 см²/с), их по­движность, вычисленная по соотношению Эйнштейна, оказывается низкой, порядка 10 ^-14 см²/(В∙с). Подвижны только так называемые быстродиффундирующие при­меси. Такими примесями во многих диэлектриках являются ионы Cu+, Au+, Ag +, K+, но особенно Na +, Н+, легко проникающие через тонкие пленки уже при комнатных темпера­турах, а при высоких температурах — и через стенки кварцевой аппаратуры.

Рис 2.7. Температурная зависимость электропроводности диэлектрика

Вследствие экспоненциального роста удельной проводимости изоляционные свойства диэлектриков резко ухудшаются с повышением температуры (рис.2.7).

Поскольку ионная электропро­водность, в отличие от электронной, представляет собой перенос не только зарядов, но и вещества, в процессе длительной эксплуа­тации изменяется химический состав диэлектрика. Следствием этого может быть и постепенная деградация диэлектрика и пол­ное разрушение, особенно при воздействии постоянного электри­ческого поля на тонкопленочные структуры. Поэтому в ответствен­ных случаях, например в производстве ИС, чистоте, однородности и структуре диэлектрических пленок уделяют не меньшее внима­ние, чем качеству самого полупроводника.

Говоря об ионной электропроводности, мы рассматривали объем диэлектрика. Удельное объемное сопротивление – параметр, который при постоянной температуре не зависит от внешних условий.

В противоположность этому поверхностные слои диэлектрика способны активно взаимодействовать с окружающей средой. Поверхность ионных диэлектриков может быть сплошь покрыта тонкой пленкой адсорбированной воды.

Свойства адсорбционных слоев количественно охарактеризо­вать трудно, поскольку их толщина и удельное сопротивление не поддаются непосредственному измерению. Чтобы, не имея этих данных, количественно оценить состояние поверхности диэлектри­ка, используется тот же параметр, что был введен выше для про­водниковых и резистивных пленок — удельное поверхностное со­противление. Разница состоит в том, что связь между парамет­рами и в диэлектриках неопределенна, тогда как для про­водников пересчет легко сделать, зная толщину пленки. Высокие значения удельного поверхностного сопротивления p_s во влаж­ной атмосфере имеют только те диэлектрики, поверхность кото­рых обладает гидрофобными свойствами, то есть те, угол смачива­ния которых > 90°.

Измерения удельного поверхностного сопротивления диэлектриков преследуют цель оценить реальное состояние по­верхности в зависимости либо от состояния окружающей атмо­сферы, либо от качества обработки поверхности. В частности, именно таким способом ведется контроль отмывки поверхности печатных плат после травления рисунка. Если поверхность сло­истого пластика очищена от остатков реагентов — кислот и со­лей — недостаточно тщательно, удельное поверхностное сопротивление снижается примерно до 10⁶ Ом, тогда как при выполнении всех необходимых требований его значение должно быть близ­ким к удельному объемному сопротивлению, для стеклотекстолита к 10¹⁴Ом.

Потери в диэлектриках

Потери энергии в диэлектриках обусловлены протеканием в них двух видов активных токов — сквозного (объемного и поверхно­стного) и тока абсорбции. Из них второй представляет собой активную часть поляризационного тока, расходуемую при уста­новлении дипольной и миграционной поляризации. Ток абсорбции протекает только при изменении напряженности, то есть при dE/dt ¹ 0. Вследствие инерционности релаксационных видов поля­ризации токовое равновесие в диэлектрике устанавливается не сразу после подачи напряжения, так же как не сразу падает до нуля после отключения питания.

Количественной мерой потерь в данном диэлектрике служит тангенс угла диэлектрических потерь tg . Определение tg сле­дует из векторной диаграммы (рис. 2.8). В реальном диэлек­трике, заключенном между двумя контактами, фазовый сдвиг между током и напряжением менее л/2. Таким образом, угол, дополняющий до прямого фазовый сдвиг между током и напряжением в емкостной цепи или, что то же, угол между вектором полного тока и его реактивной состав­ляющей, называется углом диэлектрических потерь. Практическое значение tg как одного из важнейших диэлектрических параметров материала состоит в том, что он определяет потери мощности:

,

где - круговая частота, – напряжение в цепи, обладающей емкостью С.

Рис.2.8. Векторные диаграммы токов и напряжений в диэлектрике

Электрическая прочность

Электрическая прочность — способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях большой напряженно­сти: , где - пробивное напряжение, то есть мини­мальное напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к его пробою; d — толщина диэлектрика. Электрическая прочность не является фундаментальным па­раметром материала, в широких пределах изменяется в зависи­мости от толщины диэлектрика и условий теплоотвода.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое поляризация диэлектрика? Поясните, почему диэлектрическая проницаемость является мерой поляризации диэлектрика?

2. Какие виды поляризации являются замедленными?

3. В чем различие между ионной поляризацией и релаксационными механизмами поляризации?

4. Каков механизм электропроводности диэлектриков? Как влияет температура на удельную электропроводность?

5. Что такое диэлектрические потери? Каковы физические причины возникновения потерь в диэлектрике?

6. Что характеризует тангенс угла диэлектрических потерь?

7. Почему материалы с высокими значениями тангенса угла диэлектрических потерь нельзя использовать в технике высоких частот и СВЧ-диапазона?

8. Какая электрическая упорядоченность свойственна сегнетоэлектрикам?

9. Как объяснить диэлектрический гистерезис и нелинейность зависимости заряда от напряженности электрического поля у сегнетоэлектриков?

10. Какие внешние факторы влияют на наличие спонтанной поляризации у сегнетоэлектриков?

11. В чем заключается пьезоэффект?

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: