|
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 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
где
Рис.2.8. Векторные диаграммы токов и напряжений в диэлектрике
Электрическая прочность
Электрическая прочность — способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях большой напряженности:
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 способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем... ![]() Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор... ![]() 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 делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|