1 Классификация диэлектриков

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования «Московский институт электронной техники (технический университет)»
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
ПОТРЕБНОСТИ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ В ДИЭЛЕКТРИКАХ
НОВОГО ТИПА
по курсу: «Новые типы диэлектриков для микро- и наноэлектроники»
Москва 2009
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................................... 3
1 Классификация диэлектриков ......................................................................................... 3
2 Основные электрофизические свойства диэлектриков ................................................ 4
3 Электронные приборы на основе диэлектриков ........................................................... 7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................... 9
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................................ 9
2
ВВЕДЕНИЕ
Настоящий научно-информационный материал по курсу «Новые типы
диэлектриков для микро- и наноэлектроники» является вводным и ставит перед
собой цель ознакомить слушателей с многообразием диэлектрических материалов,
их классификацией, основополагающими электрофизическими свойствами, а также
с основными потребностями нано- и микроэлектроники в данном виде материалов.
1 Классификация диэлектриков
Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством
которых
является
способность
поляризоваться
в
электрическом
поле.
В
газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно
связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь
смещаться,
при
этом
происходит
разделение
центров
положительного
и
отрицательного зарядов, т. е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные
заряды,
которые
перемещаясь
в
электрическом
поле,
обусловливают
электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике
невелико, поэтому ток мал.
Используемые в качестве изоляционных материалов диэлектрики называют
пассивными. Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно
регулировать,
изменяя
напряженность
электрического
поля,
температуру,
механические напряжения.
По химическому составу их разделяют на органические, представляющие
собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими
элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния,
магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержащие в
своем составе углерода.
Из многообразия свойств диэлектриков, определяющих их техническое
применение,
основными
являются:
электропроводность,
поляризация
диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение [1].
3
и
2 Основные электрофизические свойства диэлектриков
Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в
своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в
электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках
свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть
ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии
(дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3...7 эВ, энергию,
достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в
результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных
полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из
металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и
электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов
достаточна для ионизации атомов при соударении [2].
Диэлектрическая проницаемость и поляризованность. На рис. 1 изображены
два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между
ними h. В конденсаторе (рис. 1, в) между электродами вакуум, в конденсаторе
(рис. 1, б) – диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U, то
напряженность электрического поля Е = U/h. Электрический заряд, накопленный в
конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q0.
В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные
положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются
электрические диполи с электрическим моментом: т = ql, где q — суммарный
положительный (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l —
расстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.
Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического
напряжения создается дополнительный связанный заряд Qд . Суммарный полный
заряд в конденсаторе с диэлектриком: Q = Q0 + Qд = εrQ0, где εr — относительная
диэлектрическая проницаемость.
4
Рис. 1
Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами:
C0 = Q0/U.
Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами:
C = Q/U.
Из этих формул следует, что εr = С/С0-отношению емкости конденсатора с
диэлектриком к емкости того же конденсатора, где между электродами вакуум.
Емкость
плоского
электрическая
конденсатора:
постоянная.
С = ε0εrS/h,
Произведение
ε0εr
где
ε0 = 8,85·10-12 Ф/м
называется
—
абсолютной
диэлектрической проницаемостью.
Поляризованное состояние диэлектрика характеризуется также электрическим
моментом единицы объема, поляризованностью Р (Кл/м2), которая связана с
диэлектрической проницаемостью Р = ε0(εr – 1)Е. Поляризованность является
векторной величиной.
Поляризация
диэлектриков.
Принято
различать
упругую
(быструю,
нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации.
Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее
5
полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации
создает в диэлектрике только реактивный ток. К таким быстрым поляризациям
относятся электронная (завершающаяся за время 10-16...10-13 с) и ионная упругая
(завершающаяся за время 10-14...10-13 с).
Электронная поляризация. В электрическом поле в атомах, ионах или
молекулах
деформируются
электронные
оболочки.
Смещение
электронов
происходит на малые расстояния (10-13 м) в пределах своих атомов и молекул. Такая
поляризация происходит у всех атомов и молекул независимо от их агрегатного
состояния и существования в них других видов поляризации.
Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация,
называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков
центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие
молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются: газы — гелий,
водород, азот, метан; жидкости — бензол, четырех хлористый углерод; твердые —
алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин.
Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало
отдичается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не
превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков с ростом
температуры уменьшается незначительно и не изменяется с ростом частоты
приложенного напряжения.
Ионная упругая поляризация происходит в кристаллических диэлектриках,
построенных из положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных
кристаллах, слюде, керамике. В электрическом поле в таких диэлектриках
происходит смешение электронных оболочек в каждом ионе — электронная
поляризация. Смещаются относительно друг друга подрешетки из положительных и
отрицательных ионов, т. е. происходит упругая ионная поляризация. Это смещение
приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего
поляризованность, а следовательно, и диэлектрическую проницаемость. Ионная
поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 1012...1013 Гц.
Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры
увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи
6
между ионами и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле.
3 Электронные приборы на основе диэлектриков
При легировании сегнетоэлектрической керамики BaTiO3 и твердых растворов
Ba(Ti,Sn)O3 и (Ba,Pb)TiO3 неодимом и марганцем получают материалы, которые по
своим свойствам относятся к сегнетополупроводникам. В таких материалах,
благодаря
легированию,
возникают
донорные
и
акцепторные
уровни,
и
проводимость повышается в миллиарды раз до значений, соответствующих
типичным полупроводникам. Однако высокая проводимость есть лишь в полярной
фазе при температурах ниже точки Кюри. Вблизи точки Кюри проводимость резко
уменьшается (в 102...106 раз) и лишь при нагревании выше точки Кюри снова
начинает
расти
с
увеличением
температуры.
Такой
эффект
называется
позисторным. Керамические элементы— позисторы имеют низкое «холодное» и
высокое «горячее» сопротивления. Они широко применяются в системах теплового
контроля,
измерительной
технике,
в
пусковых
системах
двигателей,
для
авторегулировки и в других устройствах.
Пьезоэлектрики — диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим
эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации
диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте
происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного
электрического
поля.
Важное
место
среди
пьезоэлектриков
занимает
монокристаллический кварц, из которого вырезают пластины с нужной для
получения высоких характеристик кристаллографической ориентацией, имеет
малый tgδ и высокую механическую добротность (т. е. малые механические потери).
Механическая добротность (величина, обратная tgδ) в кварцевых резонаторах может
достигать 106...107.
Кроме кварца, в различных пьезопреобразователях используют кристаллы
сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется
для изготовления пьезопреобраэователей пьезоэлектрическая керамика, получаемая
в основном из твердых растворов цирконате-титаната свинца PbZrO3-PbTiO3 (ЦТС).
7
Преимущество пьезокерамики перед монокристаллами
изготовления
активных
элементов
сложной
формы
и
— возможность
любого
размера.
Пьезокерамика применяется для изготовления малогабаритных микрофонов,
телефонов, детонаторов, датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций,
пьеэорезонансных фильтров, линий задержки, пьезотрансформаторов и др.
В конце 1960 — начале 1970-х годов были открыты высокоэффективные
полимерные пьезоэлектрики на основе, в частности поливинилиденфторида
(ПВДФ), конкурентоспособные с пьезокерамикой. Пьезопленка из ПВДФ и
композитов на ее основе находит применение в бесконтактных переключателях,
клавиатуре калькуляторов, ЭВМ, телефонных номеронабирателях. Стабильность
пьезосвойств ПВДФ и керамики ЦТС сравнима. Основные параметры композитов с
ЦТС снижаются на 1 % в год в течение 10 лет, у ПВДФ — на 4 % за 10 лет.
К активным диэлектрикам относятся пироэлектрики, т. е. диэлектрики,
обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в
изменении
спонтанной
поляризованности
диэлектриков
при
изменении
температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфат
лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков
направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим
полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика
скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака за счет процессов
электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы.
При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что
приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика,
благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток. Пироэффект
используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии,
предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.
Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические
кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария-стронция, триглицинсульфат
(ТГС), ниобат и танталат лития. Пироэлектрический эффект проявляется в
поляризованной, т. е. подвергнутой действию постоянного электрического поля,
сегнетокерамике и
у некоторых полимеров, например,
8
у поляризованных
поливинилденфторида и поливинилиденхлорида.
Твердые диэлектрики для оптических квантовых генераторов (лазеров)
являются
активной
средой,
представляющей
собой
кристаллическую
или
стеклообразную матрицу, в которой равномерно распределены активные ионы
(активаторы). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами
электронов между уровнями активного иона, при этом матрица играет пассивную
роль. Спектр излучения лазера в основном зависит от типа активного иона.
В
твердотельных
лазерах
на
рубине
матрицей
является
рубин
А12О3+0,05%Cr2О3, активатором — Cr3+, который определяет длину волны
излучения 0,7 мкм; в лазерах на основе иттрий-алюминиевого граната матрицей
является Y3Al5O12, активные ионы Nd3+, длина волны излучения 1,6 мкм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленные материалы — основа электронных приборов и устройств. Они
определяют современное состояние электроники и обеспечивают ее дальнейший
прогресс. В следующих частях курса «Новые типы диэлектриков для микро- и
наноэлектроники» основное внимание будет уделено альтернативным диэлектрикам
для наноэлектроники. Речь пойдет о проблемах масштабирования технологических
процессов и о роли диэлектриков в этих процессах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Плотянская М.А., Киршина И.А., Филонов О.М. Материаловедение и
материалы электронной техники: Текст лекций / СПбГУАП. СПб., 2004. – 95 с.
2 Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. СПб.:
Издательство «Лань», 2001. – 368 с.
9