Материал: Диэлектрики

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 τ_p.

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 > 130^ОС (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 О^2-, 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.

Основные параметры диэлектрических материалов

1. ε – диэлектрическая проницаемость;

Диэлектрическая проницаемость – мера способности материала к поляризации; эта величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном материале меньше, чем в вакууме. Внутри диэлектрика возникает поле, направленное противоположно внешнему. Напряженность внешнего поля ослабевает по сравнению с полем тех же зарядов в вакууме в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость;

Если вакуум между обкладками конденсатора заменяется на диэлектрик, то в результате поляризации ёмкость возрастает. На этом основано простое определение диэлектрической проницаемости:

ε = (C_d / C₀) >1

где: C₀ – ёмкость конденсатора, между обкладками которого – вакуум;

C_d – ёмкость того же конденсатора с диэлектриком.

В зависимости от механизма поляризации, ε может принимать значения от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч. Наименьшие значения ε имеют неполярные диэлектрики (ε < 2,5), а наиболее высокие значения - диэлектрики, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами, - ионные материалы, например титанат бария ВаTiO_3, и титанат стронция SrTiO₃ (ε > 10⁵ – 10⁶).

2. tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь;

Диэлектрические потери – потери электрической энергии, обусловленные протеканием токов в диэлектриках. Различают ток сквозной проводимости I_ск.пр, вызванный наличием в диэлектриках небольшого количества легкоподвижных ионов, и поляризационные токи. При электронной и ионной поляризация поляризационный ток называется током смещения I_см, он очень кратковременный и не регистрируется приборами. Токи, связанные с замедленными (релаксационными) видами поляризации, называются токами абсорбции I_абс. В общем случае суммарный ток в диэлектрике определяется как

I = I_абс + Ι_ск.пр,

После установления поляризации суммарный ток будет равен

I = I_ск.пр.

Если в постоянном поле поляризационные токи возникают в момент включения и выключения напряжения, и суммарный ток определяется в соответствии с уравнением (2.3), то в переменном поле поляризационные токи возникают в момент смены полярности напряжения. Вследствие этого потери в диэлектрике в переменном поле могут быть значительными, особенно если полупериод приложенного напряжения приближается к времени установления поляризации.

Рисунок 7.

Схема, эквивалентная конденсатору с диэлектриком, находящемуся в цепи переменного напряжения (а). В этой схеме конденсатор с реальным диэлектриком, который обладает потерями, заменен идеальным конденсатором C с параллельно включенным активным сопротивлением R. Векторная диаграмма токов и напряжений для рассматриваемой схемы (б), где: U – напряжения в цепи; I_ак –активный ток; I_р – реактивный ток, который опережает по фазе на 90⁰ активную составляющую; I_Σ - суммарный ток.

При этом:

I_а = I_R = U/R

I_р = I_C =ωC U

где: ω – круговая частота переменного поля.

Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз φ между током I_Σ и напряжением U в ёмкостной цепи.

Потери в диэлектриках в переменном поле характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь.

tgδ = I_a / I_p.

Предельные значения тангенса угла диэлектрических потерь для высокочастотных диэлектриков не должны превышать 0,0001 – 0,0004, а для низкочастотных – 0,01 – 0,02.

Зная значения tgδ для диэлектрика можно легко определить мощность, рассеиваемую в диэлектрике.

Р_а = UI_a =UI_R tgδ= U²ωC tgδ

3. E_пр – электрическая прочность;

Электрической прочностью называется напряженность однородного внешнего электрического поля, приводящая к образованию в диэлектрике канала, обладающего высокой проводимостью (явлению пробоя диэлектрика).

E_пр=U_пр /d [КB/мм],

где: U_пр – пробивное напряжение, измеряемое в вольтах или киловольтах;

d – толщина диэлектрика, измеряемая в метрах или милллиметрах.

4. ρ_v - удельное объёмное сопротивление;

Удельное объемное сопротивление представляет собой электрическое сопротивление куба материала с ребром 1 м

ρ_v= R_V S/ L [Oм·м]

где: R_V – сопротивление материала (Ом);

S – площадь сечения образца (м²);

L – длина образца (м).

1. ρ_s – удельное поверхностное сопротивление;

Данный параметр характеризует электрическое сопротивление поверхностного слоя диэлектрика в виде квадрата со стороной в 1 м

ρ_s = ρ_v/ d [Oм/ð]

где: ρ_v – удельное объёмное сопротивление;

d – толщина диэлектрика.

Электропроводность диэлектрика

В любом реальном (техническом) диэлектрике находится некоторое количество свободных зарядов примесей. При приложении к диэлектрику напряжения направленное перемещение этих свободных зарядов обусловливает ток в диэлектрике. Этот ток называется сквозным током Iск. Сквозной ток в большинстве диэлектриков имеет ионный характер в отличие от электронного в металлах. При невысоких напряжениях в диэлектриках выполняется закон Ома. Это говорит о том, что ток обусловлен примесями и число их не зависит от напряженности поля Е.

Процессы поляризации в диэлектрике тоже аналогичны току, но эти токи обусловлены перемещением связанных зарядов и существует только короткое время, пока процесс поляризации не завершился. Они называются токами смещения.

Электронная и ионная поляризации устанавливаются мгновенно и токи смещения, обусловленные этими видами поляризации, настолько кратковременны, что их невозможно зафиксировать. Замедленные виды поляризации устанавливаются более длительное время и токи смещения, обусловленные ими, уже регистрируются приборами до тех пор, пока эти виды поляризации не завершатся. Токи смещения замедленных видов поляризации называются абсорбционными токами (или токами абсорбции) Iабс. Таким, образом, зависимость тока в диэлектрике от времени при постоянном напряжении будет иметь вид (рис. 8).