現(xiàn)代電子材料與元器件_7

1、第七章電介質(zhì)材料 光電工程學(xué)院微電子教學(xué)部馮世娟27.2 電介質(zhì)在靜電場中的極化 n1 電介質(zhì)的極化現(xiàn)象q 導(dǎo)體q電介質(zhì)n在無外加電場作用時，分子熱運動使得偶極矩排列混亂，因而在各個方向上的分子偶極矩矢量和為零。n而在外加電場作用下，偶極分子將沿電場方向偏轉(zhuǎn)定向，這是整個電介質(zhì)對外感生出宏觀偶極矩。 傳導(dǎo)電流 位移電流電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場作用下內(nèi)部感應(yīng)偶極矩的現(xiàn)象。電介質(zhì)在電場作用下內(nèi)部感應(yīng)偶極矩的現(xiàn)象。37.2 電介質(zhì)在靜電場中的極化n2 電介質(zhì)極化機制 p電子極化p離子極化p偶極子轉(zhuǎn)向極化p自發(fā)極化p空間電荷極化極化形式極化形式位移極化：是一種彈性的、瞬時完成的極化，不

2、消耗能量 弛豫極化：與熱運動有關(guān)，完成這種極化需要一定的時間，并且是非彈性的，因而消耗一定的能量47.2 電介質(zhì)在靜電場中的極化n2 電介質(zhì)極化機制q幾種物質(zhì)的介電常數(shù)n2極化形式光頻下低頻下金剛石5.665.68電子位移極化NaCl2.255.9電子、離子位移極化H2O1.7780.4電子、離子位移極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化57.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化 n1 電介質(zhì)的極化過程 電介質(zhì)極化的建立和消失都有一個響應(yīng)過程，需要一定的時間。 在變化電場作用下的極化響應(yīng)大致有三種情況： 如果電場的變化很慢，相對于極化建立的時間，像在靜電場中的那樣，則極化完全來得及響應(yīng)，則不需要考慮響應(yīng)過程，可以按照與在靜電場

3、中的情形進行分析；如果電場的變化很快，以至于極化完全跟不上，就沒有極化的發(fā)生；如果電場的變化與極化建立的時間可以比擬，則極化對電場的響應(yīng)受極化建立過程的影響很大，因而會產(chǎn)生比較復(fù)雜的介電現(xiàn)象。 67.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n1 電介質(zhì)的極化過程電子位移極化、離子位移極化建立的時間極短，通常被稱為瞬時極化或快極化； 而對于偶極子轉(zhuǎn)向極化及離子松弛極化等，因其建立的時間較長，故稱之為慢極化或弛豫極化。 r( )( )( )P tP tP t瞬間極化強度，與時間無關(guān)。 松弛極化強度，與時間的關(guān)系比較復(fù)雜 /rrm( )( ) 1tP tPte77.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n1 電介質(zhì)的極化過程q極化強度與

4、電場強度的關(guān)系 0( )1P tEr0S( )P tE0( )1SP tES為靜態(tài)介電常數(shù)，為光頻介電常數(shù)。 介電常數(shù)隨電場頻率的改變而變化，且介電常數(shù)的溫度關(guān)系與在恒定電場下的情形也不一樣；在極化過程中，存在能量的損耗，損耗掉的那部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使電介質(zhì)的溫度升高，這種損耗稱為極化損耗，極化損耗的大小與電場的頻率有密切的關(guān)系。 87.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n2 復(fù)數(shù)介電常數(shù) 考慮一個平板電容器，加一個交變電場，其電場強度為 0expEEi t0expDDi t當(dāng)極化跟不上電場變化時，D和E之間便會有一定的相位差 0expDDit引入一個表征在交變電場下復(fù)電場E與復(fù)電位移D間關(guān)系的參數(shù)，復(fù)數(shù)

5、介電常數(shù)復(fù)數(shù)介電常數(shù) *0rrr000expDDiiEE0r00cosDE0r00sinDE97.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n2 復(fù)數(shù)介電常數(shù) 電流密度 *0r0r0rcrdEjiEEjjdt 純位移電流密度或無功電流密度，與復(fù)數(shù)介電常數(shù)的實部成正比 ， 與介質(zhì)的靜態(tài)相對介電常數(shù)的物理意義相同 r有功電流密度，與虛部成正比， 表示介質(zhì)中的能量損耗的大小 r在實際應(yīng)用中，介質(zhì)中的能量損耗稱為介電損耗 rrtan稱為介質(zhì)損耗角正切，常用來定量描述電介質(zhì)的損耗 107.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n3 介電損耗q電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗q松弛極化損耗松弛極化損耗q諧振損耗（色散與吸收）諧振損耗（色散與吸收）電介質(zhì)在外電場

6、的作用下，將一部分電能轉(zhuǎn)變成熱能的物理過程，稱為電介質(zhì)的損耗，其結(jié)果是電介質(zhì)發(fā)熱，溫度上升。 介電損耗不僅會引起線路上的附加衰減，而且會使電路中的元器件發(fā)熱，工作環(huán)境溫度升高，可能破壞其正常工作的環(huán)境。一般來說，產(chǎn)生介質(zhì)損耗的主要原因有如下幾個方面： 117.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n3 介電損耗q電導(dǎo)損耗 在電場的作用下，電介質(zhì)中存在的一些弱聯(lián)系的導(dǎo)電載流子作定向移動，形成傳導(dǎo)電流。這部分傳導(dǎo)電流中的能量以熱的形式消耗掉，稱之為電導(dǎo)損耗。2PECR1/IIIi CR VRCtan/1/IICVRRsincosPI VIVIV圖7.12 電容器值存在電導(dǎo)損耗時的等效電路圖 127.3 電介質(zhì)的動態(tài)

7、極化n3 介電損耗q松弛極化損耗 熱離子松弛極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化等所需建立的時間比較長，為10-210-8s，甚至更長。當(dāng)外電場頻率比較高，如高頻或超高頻，偶極子轉(zhuǎn)向極化等跟不上電場周期的變化，產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，致使電介質(zhì)的極化強度P滯后于外加電場強度E，并且電介質(zhì)的介電系數(shù)也隨之下降；當(dāng)外電場頻率足夠高，偶極子轉(zhuǎn)向極化將完全跟不上電場周期性變化時，介電系數(shù)下降至零，這時電介質(zhì)的介電系數(shù)只由位移極化提供，而趨于光頻介電系數(shù)，這一過程也消耗部分能量，而且在高頻和超高頻中，這類損耗將起主要作用，甚至比電導(dǎo)損耗還大。這種損耗就稱為松弛極化損耗。137.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n3 介電損耗q諧振損耗(色散與

8、吸收) 諧振損耗來源于原子、離子、電子在振動或轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的共振效應(yīng)。這種效應(yīng)發(fā)生在紅外到紫外的光頻范圍。 頻率高于X射線的電磁場不可能在原子內(nèi)激起任何振動，電介質(zhì)材料不會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。此頻率下的電介質(zhì)的介電系數(shù)等于真空的介電系數(shù)。 若電磁場的頻率低于內(nèi)層電子的諧振頻率，則內(nèi)層電子可以隨電磁場而振動，對材料的極化有貢獻，相對介電系數(shù)大于1。 若電磁場的頻率低于外電子殼層的電子(外層電子)的諧振頻率，其諧振頻率范圍為從紫外到近紅外光譜范圍，此類電子也將參與極化。 147.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n3 介電損耗q諧振損耗(色散與吸收) 在紫外到近紅外區(qū)，只可能出現(xiàn)電子諧振極化，在遠紅外區(qū)則會出現(xiàn)原子或

9、離子諧振極化，在光頻范圍內(nèi)不可能出現(xiàn)偶極子轉(zhuǎn)向極化和松弛極化。157.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n3 介電損耗q諧振損耗(色散與吸收) 圖7.13 介電常數(shù)及介電損耗隨頻率的變化 電子或離子的諧振極化諧振色散諧振色散偶極子轉(zhuǎn)向極化和松弛極化松弛色散松弛色散 色散現(xiàn)象的同時伴隨著能量損耗。色散現(xiàn)象的同時伴隨著能量損耗。其損耗因數(shù)隨頻率的變化稱為吸收其損耗因數(shù)隨頻率的變化稱為吸收 在介電系數(shù)發(fā)生色散的頻率范圍，無論是哪種極化，其損耗因數(shù)都是明顯地變大且出現(xiàn)峰值。 隨著電場頻率的升高，電介質(zhì)的介電系隨著電場頻率的升高，電介質(zhì)的介電系數(shù)要降低。這種介電系數(shù)隨頻率變化的數(shù)要降低。這種介電系數(shù)隨頻率變化的現(xiàn)象稱

10、為色散現(xiàn)象?，F(xiàn)象稱為色散現(xiàn)象。 167.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n4 極化弛豫與德拜方程q極化弛豫現(xiàn)象 圖7.14 極化弛豫現(xiàn)象 電介質(zhì)在不同平衡態(tài)之間的過渡即弛豫過程。 aaii吸收電流介質(zhì)在交變電場中,由于慢極化跟不上電場的變化，表現(xiàn)出極化的滯后性。系統(tǒng)需要經(jīng)過一定時間才能達到平衡狀態(tài)。以實際介質(zhì)電容器為例177.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n4 極化弛豫與德拜方程q德拜方程 圖7.15 緩慢極化電容器的等效電路圖 0jiE 對于馳豫過程，Debye首先提出并建立了復(fù)介電常數(shù)與頻率間的關(guān)系式，主要適用于極性液體和固體介質(zhì)。由平板電容器的等效電路 得到流經(jīng)電容C的充電電流密度 和流經(jīng)電容Ca的充電電流密

11、度 a0a1/aEji 187.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n4 極化弛豫與德拜方程q德拜方程 220222211EiE ajjj0r0rjiEE 0r0221 20r221 當(dāng)0時，s0s197.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化q德拜方程sr221 sr221 2()()srrstg以上三式稱為德拜方程，或是德拜弛豫方程。 0rsr,0 rr,0恒定電場下 光頻下 207.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n5 復(fù)數(shù)介電常數(shù)與頻率和溫度的關(guān)系 q與頻率的關(guān)系 r0ddm1/當(dāng)在0之間時，介電常數(shù)隨頻率的增加而降低，從靜態(tài)值降至光頻值；損耗因子隨頻率的增加而出現(xiàn)極大值。217.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化q與頻率的關(guān)系 此時，德拜方程

12、 在這一頻率區(qū)域，介電常數(shù)發(fā)生劇烈變化，同時出現(xiàn)極化的能量耗散，這種現(xiàn)象稱為彌散現(xiàn)象，這一頻率區(qū)域稱為彌散區(qū)域。 sr2sr2smstan227.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化q與頻率的關(guān)系 tan0ddsm1mmtan在頻率較高時才達到極值 德拜方程srs2 srss smaxstan2 在tan與頻率的關(guān)系中也出現(xiàn)極大值 237.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化q與頻率關(guān)系的解釋1) 當(dāng)外加電場頻率很低，即趨于0時，介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場的變化，此時不存在極化損耗，介電常數(shù)達最大值。介電損耗主要由漏導(dǎo)引起， tg只是介質(zhì)在頻率不等于零的交變電場中的物理參數(shù)。2) 當(dāng)外加電場頻率逐漸升高時，松弛極化在某一

13、頻率開始跟不上外電場的變化，松弛極化對介電常數(shù)的貢獻逐漸減小，因而，r隨升高而減少。tg出現(xiàn)極大值，P也增大。3) 當(dāng)很高時，介電常數(shù)僅由位移極化決定，在這一頻率范圍內(nèi)，隨的升高，r，tg0，P 變化較小。247.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化n5 復(fù)數(shù)介電常數(shù)與頻率和溫度的關(guān)系 q與溫度的關(guān)系n 1) s、 與溫度T的關(guān)系 0ei01n r0sPE、 001naaTT主要是單位體積內(nèi)的極化粒子數(shù)n0隨溫度的變化引起的，也即是因為介質(zhì)的密度發(fā)生變化而引起的。光頻介電常數(shù)隨溫度的上升呈線性下降。 r0dePnE257.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化q與溫度的關(guān)系n 2)與溫度T的關(guān)系 弛豫時間與溫度呈指數(shù)關(guān)系，可簡

14、化表示成 exp(/)BA T267.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化q與溫度的關(guān)系n3) 復(fù)介電常數(shù) 與溫度T的關(guān)系 rmm1/sm1q與溫度的關(guān)系n3) 復(fù)介電常數(shù) 與溫度T的關(guān)系 rsr221 當(dāng)溫度很低時，很大 122/ 11/ 反之，在高溫區(qū) 122/ 1 1出現(xiàn)極大值。Tm通過極值時對應(yīng)的弛豫時間m 表征tan的極值溫度比復(fù)介電常數(shù)的極值溫度要低。 277.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化q與溫度關(guān)系的解釋rrrrsrrsr在一定頻率下，當(dāng)溫度很低時，極化粒子熱運動能量很小，幾乎處于“凍結(jié)”的狀態(tài)，因此取向極化緩慢，時間很長，來不及隨外加電場發(fā)生變化，弛豫極化難以建立，這時只有瞬時極化，所以介電常數(shù) 趨于

15、光頻介電常數(shù) ，介質(zhì)損耗 和tan很??；當(dāng)溫度升高時，極化粒子的熱運動能量加大，弛豫時間減少小，可以與外加電場的周期相比擬，弛豫極化逐漸得以建立， 相應(yīng)增加。隨著溫度繼續(xù)升高，弛豫時間很快降低，弛豫極化進一步建立， 急劇增加，幾乎趨近于靜態(tài)介電常數(shù) 。在 劇烈變化的同時，伴隨著能量損耗，并出現(xiàn)伴隨著能量損耗，并出現(xiàn)損耗極值；損耗極值；若溫度再繼續(xù)升高則弛豫時間繼續(xù)減少。弛豫極化完全來得及建立，趨近于靜電場的情況，這時 趨于 。介質(zhì)損耗 和tan又恢復(fù)很小。 287.3 電介質(zhì)的動態(tài)極化q與溫度關(guān)系的解釋rrsr同樣將要指出，若頻率發(fā)生變化，則 和tan要隨頻率的增加向高溫方向移動；反之則向低溫

16、方向移動。這可解釋如下：當(dāng)頻率發(fā)生改變時，若頻率增高，則電場變化周期縮短，與之相比擬的弛豫時間也相加減少，因此出現(xiàn)了弛豫極化的溫區(qū)，即 由 增至 的溫區(qū)也隨之向高溫方向移動，出現(xiàn) 和tan峰值的溫度也相應(yīng)升高。297.4 晶體的壓電性質(zhì)n1 晶體的壓電性 q正壓電效應(yīng)：在沒有對稱中心沒有對稱中心的晶體上施加機械作用時，發(fā)生與機械應(yīng)力成比例成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體的兩端面出現(xiàn)正負電荷。q逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在晶體上施加電場時，則產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應(yīng)力。 q正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。q晶體的這種性質(zhì)稱為晶體的壓電性。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。307.4 晶體的壓電

17、性質(zhì)n1 晶體的壓電性 q晶體是否具有壓電效應(yīng)，取決于晶體結(jié)構(gòu)的對稱性。q在晶體的32種點群中，具有對稱中心的11個點群不具有壓電效應(yīng)。在21種不存在對稱中心的點群中，除了432點群由于對稱性很高導(dǎo)致其壓電效應(yīng)退化之外，其余20個點群都有可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。q對于壓電陶瓷、復(fù)合材料等，描述其對稱性的7種居里點群中，有3種可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 317.4 晶體的壓電性質(zhì)n3 晶體的機電耦合效應(yīng) q電致伸縮效應(yīng)n電致伸縮效應(yīng)是一種高階機電耦合效應(yīng)，它指的是當(dāng)外加電場作用于電介質(zhì)時，所產(chǎn)生的應(yīng)變近似正比于電場強度（或極化強度）的平方。n因此要比線性壓電效應(yīng)要弱。各種類型的固體電介質(zhì)都有電致伸縮效應(yīng)。n比

18、如BaTiO3鐵電陶瓷是各向同性體，不存在壓電效應(yīng)，但存在電致伸縮效應(yīng)。對于沒有對稱中心的晶體，起主要作用的是壓電效應(yīng)；對于具有對稱中心的晶體，由于不存在壓電效應(yīng)，就要考慮電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)。 327.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)n2 鈦酸鋇的晶體結(jié)構(gòu) 鈦酸鋇是第一種被發(fā)現(xiàn)具有鐵電特性的陶瓷材料。 屬于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：ABO3 A離子周圍有12個氧離子，而B離子則位于氧八面體位的間隙處。AOBO2RRt RR337.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)n2 鈦酸鋇的晶體結(jié)構(gòu) 圖7.29 在不同溫度條件下，鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)的變化 347.7 鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)n2 鈦酸鋇的晶體結(jié)構(gòu) 圖7.30 鈦酸鋇晶體中，立方晶系-四方晶系形變時的離子位移 圖7.31 鈦酸鋇晶體晶軸長度的變化 357.7