ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.
1.1. Классификация и общие свойства диэлектриков. Температурные зависимости.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.
- вещества, способные поляризоваться в электрическом поле. В них существует внутреннее электрическое поле и равномерное распределение потенциалов.
Носители заряда в диэлектриках:
1. В газах
1) Положительные и отрицательные ионы. Причина: ионизация молекул газа.
2) Электроны в сильных полях.
2. В жидкостях
1) Ионы. Причина: диссоциация молекул жидкости.
2) Коллоидные заряженные частицы в эмульсиях и суспензиях.
3. В твердых
1) Ионы.
2) Дефекты кристаллической решетки.
3) Электроны или дырки проводимости.
Бывают полярные и неполярные.
Рисунок 50.
Основные электрические свойства диэлектриков:
1. Поляризация
2. Электропроводность
3. Диэлектрические потери
4. Электрическая прочность
При расчетах на постоянном токе учитывают только сквозной ток.

1.2. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.
Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Численной мерой поляризации является поляризованность диэлектрика – количество электрического момента в единице объема диэлектрика:

(1.2)

(1.2)
где dp - электрический момент элемента диэлектрика;
dV – объем элемента диэлектрика
- напряженность внешнего электрического поля, В/м,
- диэлектрическая постоянная,
- относительная диэлектрическая проницаемость.
Поляризация определяет свойство диэлектриков образовывать электрическую емкость. В то же время поляризация диэлектриков, происходящая с затратами энергии и выделением теплоты, вызывает потери электрической энергии в материалах-изоляторах, особенно на высоких частотах, когда процессы поляризации диэлектрика повторяются большее количество циклов в единицу времени. Поэтому поляризацию описывают параметрами диэлектрика и .
Различают несколько видов поляризации.

2.2.1. Упругая поляризация – совершается в диэлектрике без выделения энергии и рассеяния тепла. Различают электронную и ионную упругие поляризации
Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов, приводящая к разделению геометрических центров положительного и отрицательного зарядов в атоме. Для установления требуемся минимальное время – 10-15с, т.е. образуется практически мгновенно. Поляризуемость при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость плавно уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением количества атомов в единице объема (рис. 2.2). Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от их химического состава и внутренней структуры.
Ионная поляризация – упругое смещение ионов – узлов кристаллической решетки, характерна для материалов с ионным строением. С повышением температуры усиливается благодаря ослаблению межионных сил. Время установления поляризации 10-13с – больше, чем у электронной поляризации, так как ионы массивнее.
Так как процессы электронной и ионной поляризации происходят практически мгновенно, величина деэлектрической проницаемости материалов с упругой поляризацией постоянна и от частоты не зависит.

2.2.2. Релаксационная (неупругая) поляризация – медленные виды поляризации. Для их осуществления требуется затратить определенную энергию, которая затем выделяется в виде тепла при возвращении диэлектрика в исходное состояние. Различают дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, резонансную и миграционную виды поляризации.
Дипольно-релаксационная поляризация характерна для веществ с дипольным строением и вызывается переориентацией молекул-диполей в приложенном к диэлектрику внешнем электрическом поле. В зависимости от массы, плотности упаковки и размеров диполей время установления поляризации сставляет 10-10..10-2 с. После снятия поля, вызвавшего поляризацию, они возвращаются в исходное хаотичное состояние под действием теплового движения частиц, при этом поляризованность материала убывает по закону

(1.2)
где - поляризованность диэлектрика в момент снятия внешнего поля, Кл/м2,
- время релаксации (время, за которое количество упорядоченных диполей убывает в е раз), с.
Зависимость дипольной поляризации от температуры изображена на рис. 2.3. Спад графика в области низких температур обусловлен плотной упаковкой ионов и трудностью их переориентации, а в области высоких температур – малым количеством диполей, приходящимся на единицу объема диэлектрика.

Рис. 2.3. Зависимость дипольно-релаксационной поляризации от температуры

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается у всех полярных веществ. У твердых диэлектриков поляризация вызывается не поворотом самой молекулы, а смещением имеющихся в ней полярных радикалов, например, Na+ и Cl- в молекуле поваренной соли.
С увеличением частоты дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость убывают, поэтому полярные диэлектрики являются частотно-зависимыми и не применяются на высоких частотах.
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в материалах с неплотной упаковкой ионов и вызвана физическим перемещением ионов в вакансии кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля. После снятия поля поляризация постепенно ослабевает. Наблюдается только для твердых веществ (рис. 3.х), так как в расплавленном состоянии ионы становятся свободными и материал становится проводником с электролитической проводимостью.

Рис. 3.х. Зависимость ионно-релаксационной поляризации
от температуры

Электронно-релаксационная поляризация вызвана перемещением от одного иона к другому (в направлении поля) избыточных (дефектных) электронов и дырок. Характерна для веществ с электронной электропроводностью, имеет центральный максимум в зависимости и уменьшается с ростом частоты.
Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на световых частотах и обусловлена резонансом собственных колебаний (вращения) электронов или ионов и частоты внешнего электромагнитного поля (света). На практике не применяется и практически не влияет на свойства диэлектрика в области частот, используемой электроникой и микроэлектроникой.
Миграционная поляризация – проявляется в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами поляризации являются наличие проводящих и полупроводящих включений в реальных технических диэлектриках(бумага, ткань). При миграционной поляризации электроны и ионы перемещаются в пределах проводящих включений, образуя большие поляризованные области. Данная поляризация связана с большими потерями энергии и наблюдается уже на низких частотах, время релаксации таких диэлектриков – минуты и секунды.
В реальных диэлектриках проявляется несколько видов поляризации одновременно, поэтому частотные и температурные зависимости поляризованности , диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь усложняются. По виду поляризации различают четыре группы диэлектриков:
1. Диэлектрики в основном с электронной поляризацией. Это неполярные и слабополярные вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, полистирол, полиэтилен). Используют в качестве высокочастотных диэлектриков - изоляторов.
2. Диэлектрики с электронной и дипольно-релаксационной поляризацией. Это полярные органические, полужидкие и твердые материалы (смолы, целлюлоза). Используют в качестве низкочастотных диэлектриков – изоляторов и в низкочастотных конденсаторах.
3. Твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и релаксационной поляризацией (слюда, кварц, стекло, керамика, ситаллы). Используются в качестве диэлектриков в высокочастотных конденсаторах и как изоляторы.
4. Сегнетодиэлектрики, обладающие всеми видами поляризации. Используются как активные (управляемые) диэлектрики.

Благодаря поляризации изменяется электрическое поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость характеризует ослабление внешнего поля внутренним:

(1.2)




где - внешнее электрическое поле, В/м,
- внутреннее электрическое поле, В/м,
- электрическое смещение, Кл/м2,
- поверхностная плотность связанных зарядовна пластинах конденсатора при наличии диэлектрика, Кл/м2,
- добавочная поверхностная плотность заряда, возникающая благодаря поляризации диэлектрика, Кл/м2
- поверхностная плотность заряда на пластинах воздушного конденсатора, Кл/м2
Для получения необходимых свойств, например, минимума температурного коэффициента емкости ТКЕ, в электрических конденсаторах может применяться сложный диэлектрик, состоящий из смеси простых материалов с разными величинами диэлектрической проницаемости. В случае использования такого диэлектрика его эффективная диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле Лихтенеккера: для случая хаотического распределения компонентов:
,

где 1 и 2 – объемные концентрации(доли) компонентов.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.
- процесс смещения и упорядочения носителей заряда под действием электрического поля
- состояние вещества, при котором элементарный его объем приобретает электрический момент
Причины: внешнее электрическое поле, механическое напряжение, освещенность и другие факторы внешней среды, спонтанная поляризация.
Рисунок 51.
Поляризация – причина появления электрической емкости.
Диэлектрики:
1) линейные – изоляция, кондесы постоянной емкости
2)нелинейные – датчики, кондесы управляемого напряжения
Рисунок 52.
Полярные состоят из полярных молекул (вода). Неполярные – из неполярных, у которых электрический момент = 0 (газы, поваренная соль).
Виды поляризации:
1. Быстрая поляризация (упругая) – происходит без рассеяния энергии.
1) Электронная поляризация – смещение электронного облака относительно центра ядра атома. Время возникновения и ликвидации – 10^-14…10^-15 с. Поляризуемость не зависит от температуры, но диэлектрическая проницаемость зависит. Рисунок 53.
2) Резонансная поляризация – возникает при совпадении частот вращения электронов с изменением магнитного поля.
3) Ионная поляризация – смещение друг относительно друга положительных и отрицательных ионов. Время установления – 10^-11 с. Пример: поваренная соль. С ростом температуры параметры растут.
2. Релаксационная
На ее создание тратится энергия, выделяемая в виде тепла, диэлектрические потери на переменном токе.
Разновидности:
1) Дипольная релаксационная поляризация – поворот и ориентация молекул диполей по направлению поля.
Рисунок 54.
Время установления: 10^-2…10^-10 с.
Тау – время релаксации.
2) Ионно-релаксационная поляризация – перемещение ионов от одного атома к другому в веществах с неполной упаковкой электронов. Пример: стекло.
Рисунок 55.
В жидком – проводники с электролитической проводимостью.
3) Электронно – релаксационная – переход электрона к другому атому при поляризации.
Время установления: 10^-2…10^-5 с для комнатной температуры.
4) Миграционная – наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими включениями. Пример: бумага.
Рисунок 56.
Низкочастотная поляризация. Время релаксации: минуты и часы.
5) Спонтанная поляризация. Фаза – состояние кристаллической решетки, ее структура.
В различных веществах возможно изменение фазы без изменения агрегатного состояния. Изменение фазы в диэлектриках может приводить к спонтанной поляризации – сегнетоэлектрики. Диэлектрическая проницаемость – до 10^5. Вид диэлектриков – нелинейные. Используются в датчиках.
Диэлектрическая проницаемость смеси.
Рисунок 57.

1.3. Потери в диэлектриках. Пробой диэлектриков.

Потери в диэлектриках – часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектриках в виде тепла.
Потери на постоянном токе вызываются сквозным током, а на переменном токе – в основном, медленными видами поляризации. Сквозным током и быстрыми видами поляризации можно пренебречь.

Рисунок 58.
1. Tg – величина маленькая, поэтому знаменатель можно принимать за 1.
Виды диэлектрических потерь:
1. Потери на электропроводность (на пост и переменном токе, от частоты не зависят)
2. Релаксационные (из-за медленных видов поляризации, существуют только на переменном токе, создают токи абсорбции)
3. Потери, вызванные неоднородностью
4. Ионизационные. Характерны для газов и пористых диэлектриков
5. Резонансные потери. Из-за быстрых видов поляризации, в том числе резонансных.

Пробои в твердых диэлектриках.
Виды пробоев:
1. Электрический. Причина: ударная ионизация и разрыв связи между молекулами диэлектрика. Длится доли секунды, происходит при максимальной напряженности поля (100 - 1000 МВ/м).
2. Тепловой. Нарушение теплового равновесия диэлектрика из-за диэлектрических потерь.
Рисунок 59.
3. Электрохимический пробой. Вызывается химическими процессами, приводящими к изменению диэлектрика под воздействием электрического поля.
4. Ионизационный. Характерен в пористых диэлектриках и газах.
5. Поверхностный. Вызван некачественной обработкой поверхности или загрязнением.

1.4. Электропроводность жидкостей и газов. Жидкие и газообразные диэлектрики.
Электропроводность газов.
Газы – диэлектрики.
Примеры: воздух, элегаз (Епр эл/Епр в=2.3) (гексофторид серы).
Восстанавливают свои диэлектрические свойства после пробоя.

Электропроводность жидкости.
1. Ионная. Вызвана диссоциацией молекул. (Пример: серная кислота(проводник))
2. Молионная. Молион – заряженная частица в коллоидном растворе. Заряд «+», если диэлектрическая проницаемость материала частицы больше проницаемости жидкости.
Примеры:
1) Трансформаторное масло – изолятор обмоток трансформатора. Охлаждение.
Вязкость.
2) Касторовое масло. Слабополярное, применяется в случаях, где трансформаторное масло не подходит, например, в вакууме.
3) Дистиллированная вода. Сильнополярная.
4) Конденсаторные масла. Хорошо очищенное трансформаторное.
5) Силиконовые масла (относятся к кремниевой органике).
6) Фторорганические масла.
Последние 2 лучше по диэлектрическим свойствам, но опасны для окружающей среды при разложении.

1.5. Природные и искусственные полимерные органические диэлектрики
Классификация твердых диэлектриков.
1. Электроизоляционные (пассивные). Газы, жидкости, твердые. Твердые: синтетические полимеры; пластмассы и пленки; компаунды и композиты; слоистые и волокнистые; стекло, керамика, слюда, ситал; лаки и эмали.
Электрические, механические, управляемые излучением, управляемые теплом.
ПОЛИМЕРЫ.
Виды:
1. Пространственные
2. Линейные
1. Термопласты. При нагревании размягчаются. При этом химических процессов не происходит, процесс можно повторять многократно.
2. Термореакты. При охлаждении затвердевают, при последующих нагреваниях не размягчаются.
1. Полимеризационные
2. Поликонденсационные
1. Природные (целлюлоза, латекс, белок…)
2. Искусственные
1) полиэтилен. Высокочастотный, неполярный, химически стоек, цвет белый или светло-серый. Недостатки: низкий рабочий диапазон температур, разрешение под действием света
2) полистирол. Слабополярный, но высокочастотный. Применяется как конструкционный материал для изготовления каркасов, электронных агрегатов. Блочный, суспензионный (гранулированный).
3) Поливинилхлорид. Полярный, поэтому изоляционные свойства понижены. Является термопластом, выпускается в виде порошка. Может окрашиваться. Формы выпуска: винипласт (жесткие листы из прессованных пвх пленок), пластикат (60-70% пвх, 40-30% пластификатора, т.е. маслообразные жидкости). Применение: изоляция кабелей. Недостаток: узкий диапазон рабочих температур: -45…+79 град.
4) Политетрафторэтилен (фторопласт 4). Высокочастотный, неполярный, широкий диапазон рабочих температур (-195…+250 град). Не смачивается, не поглощает жидкости, не горит, не растворяется ни в одном растворителе, не подвергается плесени, обрабатывается любым способом. Недостатки: при температуре свыше 400 град разлагается с образованием свободного фтора, разрушается радиацией. Применение: конструкционный материал, изоляция ВЧ кабелей, изоляция МГТФ, уплотнитель.
5) Полипропилен. Применение: как конструкционный материал. Сваривается. PP
6) Кремниеорганика. Твердые силиконы. Применение: кострукционный материал.
7) Полиэтилен – телефтолат, он же лавсан. PET. Применение: пленочная изоляция, основа магнитных дисков и лент.
Смолы (аморфные полимеры):
1. Фенолформальдегидная
2. Эпоксидная
3. Полиамидные (капрон, нейлон…)
Применение: компаунды, изоляция.
4. Пластмасса – смола с наполнителем, пластификатором и стабилизатором против старения. Наполнитель – любые дешевые материалы (например, опилки, песок, стекловолокно).
Компаунды:
1. Пропиточные - герметизация
2. Заливочные – создание конструкционных элементов

Каучуки (эластомеры):
1. Натуральные
2. Синтетические
Относятся к низкочастотным элементам. Резина. Получение: с помощью вулканизации.
1. Мягкие
2. Твердые
3. Эбонит
Отличаются долей серы.
Недостатки: стареют, трескаются, разбухают в растворителях, разрушают медь.
Достоинства: выдерживают низкие температуры практически без потери эластичности.

Волокнистые.
Это слоистые пластики. Примеры: стеклотекстолит, гетинакс.
Конденсаторная и кабельная бумага, ткань, шелк, асбестовое волокно.
Достоинство: дешевые, гибкие, хорошо обрабатываются.
Недостатки: впитывают влагу, гниют.

Лаки.
Коллоидные растворы лаковой основы после растворения растворителя образуют пленку. В них добавляется сиккатив (ускоритель высыхания), пластификатор, отвердители, инициаторы и ускорители полимеризации.
Эмаль – лак + пигмент.
Лаки и эмали бывают:
1. Пропиточные
2. Покровные
3. Клеящие

1.6. Неорганические диэлектрики. Стекла, керамика, ситаллы.
СТЕКЛА.
Аморфные термопласты. Химический состав – смесь оксидов.
SiO2, ZnO, Na2O, Al2O3…
Сырье – песок, глинозем, известняк.
Технология производства – нагревание до расплавления с мгновенным охлаждением со скоростью 10^5 град Цельсия в секунду.
Разновидность – сталемит – стекло с дополнительной закалкой.
Применение: конструкционный материал, изоляция, световоды.
Ситаллы.
Промежуточное вещество между керамикой и стеклом. Содержание стекла – 5-10%, все остальное – поликристалл. Применение – подложки микросхем.
Керамика.
Состав как у стекла. Кристалл или поликристалл. Технология получения – как у стекла, но охлаждают медленней.
Конденсаторная керамика.
Изоляционная керамика.

1.7. Активные диэлектрики. Пьезо- и пироэффект. Электреты.
ПЬЕЗОДИЭЛЕКТРИКИ.
Пьезоэлектрический эффект – поляризация диэлектрика под действием механического напряжения. Им обладают сегнетоэлектрики – способные самоэлектризоваться под действием электрического поля.
Рисунок 60.
Структура доменная.
Области применения: кондесы для низких частот, если поляризация сохраняется надолго – устройство памяти.
Пьезокерамика приобретает соответствующие свойства после длительной выдержки в электрическом поле при высокой температуре. Керамика как поликристалл применяется до частоты 10 МГц, на более высоких частотах применяются монокристаллы кварца (SiO2). Кварцевый резонатор – аналог кондесатора. Размеры кварца на 32 МГц – порядка 10мм.
Применение: микрофоны, датчики, пьезотрансформатор.

Пироэлектрики.
Пироэффект – поляризация диэлектрика при однородном по объему нагревании или охлаждении. Всегда существует обратный пьезоэффект (электроколорический).
Применеие: датчики температур.

Электеты.
Твердые диэлектрики, длительно создающие электрическое поле после предварительной поляризации.
Делят по способу формирования заряда:
1. Термоэлектреты – электризуются электрическим полем при нагревании.
2. Фотоэлектреты – электризуются освещением. Область использования: барабаны для копировальной техники.
3. Радиоэлектреты – электризуются радиоактивным излучением.
4. Электроэлектреты – электризуются разрядом в смежном газе.
5. Трибоэлектреты – электризуются трением.

1.8. Современное состояние развития диэлектрических материалов. Диэлектрические материалы микроэлектроники и наноэлектроники.
Использование диэлектриков в микроэлектронике.
Форма: обычно пленочная.
Функции:
1. Пассивация поверхности полупроводника.
2. Защита от механических повреждений.
3. Стабилизация параметров.
4. Повышение радиационной стойкости.
5. Изоляция элементов друг от друга.
6. Изоляция затвора в МДП – структурах.
7. Маска при диффузии и эпитаксии.
8. В качестве активной области.
Требования:
1. Хорошая адгезия к полупроводнику, металлу и фоторезисту.
2. Механическая прочность.
3. Непроницаемость для нежелательных примесей.
4. Однородность слоя.
5. Химическая стойкость, в том числе к травлению.
6. Высокие диэлектрические свойства.
7. Необходимая диэлектрическая проницаемость.
8. Согласованность с материалом подложки (например, одинаковый ТКЛР)
9. Технологичность получения.
10. Простота обработки.
Основной материал: SiO2.

Лабораторные работы
Исследование свойств диэлектрических материалов. Конденсаторы
Диэлектрические материалы в катушках индуктивности и трансформаторах