Полупроводниковые материалы диэлектрики: Полупроводниковые материалы | Электроматериаловедение | Архивы

Полупроводниковые материалы и изделия | Электроматериаловедение | Архивы

• материалы

Содержание материала

• Электроматериаловедение
• Строение металлических проводниковых материков
• Свойства металлов
• Факторы, влияющие на свойства проводников
• Проводниковая медь и сплавы
• Проводниковый алюминий
• Проводниковые железо
• Свинец
• Благородные металлы
• Тугоплавкие металлы в электротехнике
• Проводниковые материалы с большим удельным сопротивлением
• Обмоточные провода
• Монтажные провода
• Установочные провода
• Кабели
• Магнитные материалы
• Магнитно-мягкие материалы
• Магнитно-твердые материалы
• Диэлектрики
• Способы измерения электрических характеристик диэлектриков
• Характеристики электроизоляционных материалов
• Газообразные диэлектрики
• Жидкие диэлектрики
• Очистка, сушка и регенерация электроизоляционных масел
• Синтетические жидкие диэлектрики
• Твердые органические диэлектрики
• Поликонденсационные органические диэлектрики
• Природные электроизоляционные смолы
• Нагревостойкие высокополимерные диэлектрики
• Пленочные электроизоляционные материалы
• Электроизоляционные лаки
• Электроизоляционные эмали
• Воскообразные диэлектрики
• Термопластичные компаунды
• Термореактивные компаунды
• Электроизоляционные бумаги, картоны, фибра, волокнистые материалы
• Текстильные электроизоляционные материалы
• Электроизоляционные лакоткани
• Электроизоляционные пластмассы
• Свойства и области применения пластмасс
• Слоистые электроизоляционные пластмассы
• Древеснослоистые пластмассы и намотанные изделия
• Электроизоляционные резины
• Электроизоляционная слюда
• Миканиты
• Микафолий и микалента
• Слюдинитовые и слюдопластовые электроизоляционные материалы
• Керамика
• Фарфоровые изоляторы
• Стекло и стеклянные изоляторы
• Характеристики изоляторов
• Конденсаторные керамические материалы
• Сегнетокерамика
• Минеральные диэлектрики
• Полупроводниковые материалы
• Полупроводниковые материалы и изделия
• Основные полупроводниковые изделия
• Электроугольные изделия
• Припои и клеи

Страница 56 из 59

ГЛАВА XV. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
§ 89. Основные полупроводниковые материалы

Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электрических и физических свойств, а также большим многообразием химического состава, что и определяет различные назначения при их техническом использовании.

По химической природе современные полупроводниковые материалы можно разделить на следующие четыре главные группы:

1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов или молекул одного элемента. Такими материалами являются широко используемые в данное время германий (Ge), кремний (Si) селен (Se) бор (В), карбид кремния (SiC) и др.
2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, т. е. материалы из окислов металлов. Главные из них: закись меди (Cu2O), окись цинка (ZnO), окись кадмия (CdO), двуокись титана (TiО2), окись никеля (NiO) и др. В эту же группу входят материалы, изготовляемые на основе титаната бария, стронция, цинка, и другие неорганические соединения с различными малыми добавками.
3. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, которые можно обозначить общей формулой A3B5, где буквы означают атомы, а римские цифры — номера групп. Примерами таких материалов являются антимониды индия (ZnSb), галлия (GaSb) и алюминия (AlSb), т. е. соединения сурьмы (Sb) с индием (In), галлием (Ga) и алюминием (Al). Они получили наименование интерметаллических соединений.
4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы (S), селена (Se) и теллура (Те) с одной стороны и меди (Cu), кадмия (Cd) и свинца (РЬ) с другой. Такие соединения называются соответственно: сульфидами, селенидами и теллуридами.

Все полупроводниковые материалы, как уже говорилось, могут быть распределены по кристаллической структуре на две группы.
Одни материалы изготовляются в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллов), из которых вырезают по определенным кристаллическим направлениям пластинки различных размеров для использования их в выпрямителях, усилителях, фотоэлементах.

Такие материалы составляют группу монокристаллических полупроводников. Наиболее распространенными монокристаллическими материалами являются германий и кремний. За последнее время разработаны методы изготовления монокристаллов из карбида кремния (SiC). Разрабатываются также монокристаллы интерметаллических соединений.
Другие полупроводниковые материалы представляют собой смесь множества малых кристалликов, беспорядочно спаянных друг с другом. Такие материалы называются поликристаллическими. Представителями поликристаллических полупроводниковых материалов являются селен и карбид кремния, а также материалы, изготовляемые из различных окислов методами керамической технологии.

Рис. 167. Схема метода зонной очистки германия:
1 — зоны нагрева, 2 — графитовая лодочка, 3 — катушки индуктора, 4 — передвижная каретка, 5 —слиток германия, 6 — кварцевая трубка
Рассмотрим широко применяемые полупроводниковые материалы.
Германий (Ge)—элемент четвертой группы периодической системы Менделеева. Германий имеет ярко-серебристый цвет. Температура плавления германия 937,2° С. В природе он встречается часто, но в весьма малых количествах. Присутствие германия обнаружено в цинковых рудах и в золах разных углей. Основным источником получения германия является зола углей и отходы металлургических заводов.
Полученный в результате ряда химических операций слиток германия еще не представляет собой вещества, пригодного для изготовления из него полупроводниковых приборов. Он содержит нерастворимые примеси, не является еще монокристаллом и в него не введена легирующая примесь, обусловливающая необходимый вид электропроводности. Для очистки слитка от нерастворимых примесей широко применяется метод зонной плавки. Этим методом могут быть удалены лишь те примеси, которые различно растворяются в данном твердом полупроводнике и в его расплаве.

На рис. 167 показана схема устройства для очистки германия по этому способу. Слиток германия 5, подлежащий очистке от примесей, помещается в графитовую лодочку 2, которая вместе со слитком ставится в кварцевую трубку 6. Для предотвращения окисления германия кислородом воздуха и дополнительного попадания в него примесей через кварцевую трубу в течение всей плавки пропускают какой-либо инертный газ: азот, гелий или аргон.
С помощью высокочастотных нагревателен — катушек индуктивности 3, питаемых от генератора высокой частоты, слиток германия разогревается в нескольких местах (зонах) до состояния, близкого к плавлению. Эти зоны в результате движения каретки 4, на которой закреплены нагреватели 1, непрерывно передвигаются по длине очищаемого слитка 5. В каждой зоне будут нагретые участки слитка, температура которых близка к температуре плавления полупроводникового материала.
Так как примеси растворяются различно в нагретых и ненагретых местах слитка, то нерастворимые или слабо растворимые примеси в ненагретых частях слитка будут переходить (диффундировать) в нагретые участки (зоны) слитка. Когда последний нагреватель достигнет края слитка, в эту часть слитка переместятся и атомы примесей. Процесс повторяется несколько раз, в результате чего все загрязняющие примеси будут переведены в конец слитка, который затем отрезается. Полученный германий имеет определенную чистоту, содержание примесей в котором не превышает 0,00000001%. В полученный таким образом чистый германий вводится необходимое количество легирующей примеси, донорной или акцепторной, которая обеспечивает полупроводнику электропроводность п или p-типа и сопротивление задание  величины.
Обе эти операции осуществляются в одной установке преимущественно методом вытягивания монокристалла из его расплава. Этот метод состоит в следующем. Очищенный слиток германия вместе с введенными в него легирующими примесями расплавляют в графитовом тигле. В расплав германия погружается затравка— кусочек монокристаллического чистого германия и при определенной установившейся температуре в расплаве затравка медленно поднимается вверх, а вместе с пей вытягивается из расплава растущий монокристалл германия *. Нагревают тигель с помощью индукционных катушек, подключенных к высокочастотному генератору. Тигель изготовляют из чистого графита. Установка для вытягивания монокристаллов германия снабжена устройством для регулировки температуры и регулятором скорости вытягивания монокристалла.
Германий обладает большой твердостью, но чрезвычайно хрупок и раскалывается па мелкие куски при ударах. Однако при помощи алмазной пилы или других устройств его можно распилить на тонкие пластинки.
Отечественной промышленностью изготовляется легированный германий с электронной электропроводностью различных марок с удельным сопротивлением от 0,003 до 45 ом-см и германий легированный с дырочной электропроводностью с удельным сопротивлением от 0,4 до 5,5 ом-см и выше. Удельное же сопротивление чистого германия при комнатной температуре q = 60 ом-см.
Германий как полупроводниковый материал широко используется не только для диодов и триодов; из него изготовляются мощные выпрямители на большие токи, различные датчики, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, термометры сопротивления для низких температур и др.
Кремний (Si) широко распространен в природе*. Он, как и германий, является элементом четвертой группы системы элементов Менделеева и имеет такую же кристаллическую (кубическую) структуру.
Полированный кремний приобретает металлический блеск стали. Как и германий, кремний обладает хрупкостью. Его температура плавления значительно выше, чем у германия: 1423° С. Удельное сопротивление чистого кремния при комнатной температуре q = 3- 10+5 ом-см.
Химически чистый кремний получается из его галлоидных соединений (SiCU; SiJ4) или из силана (SiH.(). Монокристаллы кремния (как и германия) получают вытягиванием из расплава.
Так как температура плавления кремния значительно выше, чем у германия, то тигель из графита заменяют кварцевым, так как графит при высокой температуре может реагировать с кремнием и образовывать карбид кремния (SiC). Кроме того, в расплавленный кремний могут попасть из графита загрязняющие примеси.
Отечественной промышленностью выпускается полупроводниковый легированный кремний с электронной электропроводностью (различных марок) с удельным сопротивлением от 0,01 до 35 ом-см и с дырочной электропроводностью тоже различных марок с удельным сопротивлением от 0,05 до 35 ом-см.
Кремний, как и германий, широко применяется для изготовления многочисленных полупроводниковых приборов. В кремниевом выпрямителе достигаются более высокие обратные напряжения и рабочая температура (130—180°С), чем в германиевых выпрямителях (80°С). Из кремния изготовляют точечные и плоскостные диоды и триоды, фотоэлементы и другие полупроводниковые приборы.
В табл. 48 приведены основные характеристики германия и кремния.
Таблица 48
Основные характеристики германия и кремния

* Земная кора содержит более 50% кремнезема SiO2, который служит основным сырьем для получения технических сортов кремния.
Из таблицы видно, что чистый кремний обладает значительно большим удельным сопротивлением, чем германий, так как величины подвижности электронов и дырок у него заметно меньше по сравнению с германием.

Рис. 168. Влияние концентрации примесей на величину удельного сопротивления германия и кремния при комнатной температуре:
1 — кремний, 2 — германий
На рис. 168 показаны зависимости величии удельного сопротивления германия и кремния обоих типов от концентрации легирующих примесей в них. Кривые на рисунке показывают, что легирующие примеси оказывают огромное влияние на величину удельного сопротивления: у германия оно изменяется ог величины собственного сопротивления 60 ом-см до 10-4 ом-см, т. е. в 5-105 раз, а у кремния с 3-105 до 10~4 ом-см, т. е. в 3• 109 раз.
Селен (Se) — элемент шестой группы периодической системы Менделеева принадлежит к группе редких элементов. Он встречается в виде малой примеси в медных рудах и серном колчедане. При электролитическом рафинировании меди селен вместе с другими примесями обнаруживается в осадке, откуда он извлекается, а затем методом фракционной разгонки в высоком вакууме очищается от примесей. В твердом состоянии селен может быть кристаллическим или аморфным.
Кристаллический (серый) селен состоит из длинных спиральных цепочек связанных между собой атомов. Эти цепочки расположены по углам шестиугольной призмы, являющейся элементарной кристаллической ячейкой. Серый селен получается из аморфного (черного) селена при температуре ниже 220° С, которая является его температурой плавления. Черный аморфный селен может быть получен из расплавленного жидкого селена быстрым охлаждением до комнатной температуры. Так при температуре 70° С жидкий селен становится подобным каучуку, а при 30° С — стеклообразным и хрупким.
Кристаллический селен является полупроводником с удельным сопротивлением q = 10+5.10+6 ом-см, тогда как аморфный селен является диэлектриком и его удельное сопротивление q = 10+13 ом-см.
Кристаллический селен — полупроводник p-типа и может быть отнесен к примесным полупроводникам, так как он собственной электропроводностью не обладает. Величины подвижности дырок у него очень малы (меньше 1 см2сек-В).
На рис. 169 показана зависимость удельной проводимости тщательно очищенного серого селена от величины, обратной абсолютной температуре (1/Т°). Эта зависимость выражается прямой линией во всей области изменения температуры до температуры плавления Тпл, после которой наклон прямой также не изменяется.

Рис. 169. Зависимость удельной проводимости поликристаллического селена от температуры
Ранее было указано, что при высоких температурах у полупроводников основной электропроводностью является собственная.
Соответственно прямолинейная зависимость (см. рис. 165) в точке перехода от примесной к собственной электропроводности претерпевает излом. В данном же случае такого излома нет. Следовательно, у кристаллического селена собственная электропроводность не может быть осуществлена. Увеличение же удельной проводимости селена с повышением температуры может быть объяснено повышением подвижности носителей положительных зарядов, т. е. дырок.
Кроме этой особенности, селен как полупроводник имеет еще некоторые присущие ему характерные свойства. Так, сопротивление одиночного кристалла (монокристалла) селена уменьшается на 30% при давлении 1000 кГ/см2.
Особенно сильно уменьшается сопротивление селена при введении в него примесей, что используется для увеличения прямых токов в выпрямителях. В качестве таких примесей применяются галогены (С12, Вг2, Ja). Наконец, следует отметить, что при освещении селена ток возрастает, что дает возможность использовать его для изготовления фотосопротивлений (фоторезисторов).
Однако у селеновых фотосопротивлений зависимость тока от светового потока нелинейна. Это ограничивает их применение. Селен используется для изготовления фотоэлементов — приборов, преобразующих световую энергию в электрическую.
Особенно широко применяется селен для изготовления многочисленных селеновых выпрямителей.
В табл. 49 приведены основные характеристики кристаллического и аморфного селена.
Большое распространение в электротехнике получили полупроводниковые материалы, у которых зависимость величины тока от величины напряжения графически выражается кривой, представленной на рис. 163. На этом рисунке видно, что величина тока изменяется как в положительном, так и в отрицательном направлениях тока одинаково, образуя тождественные симметричные кривые 1 и 2.
Таблица 49
Основные характеристики селена

В таких полупроводниковых материалах электрический ток при повышении напряжения не подчиняется закону Ома
U = IR,                                            (50)
который выражает пропорциональное изменение тока / от напряжения U (при постоянном сопротивлении). Такая зависимость величины тока от напряжения называется «линейной» и наблюдается в проводниках. Вольтамперная характеристика таких материалов представляет собой прямую линию.
Полупроводниковые материалы, вольтамперные характеристики которых представлены па рис. 163, получили наименование «нелинейных». В этом случае зависимость тока от напряжения выражается формулой
(51)
где А—постоянная величина, имеющая размерность сопротивления; а — коэффициент нелинейности величины тока. Этот коэффициент в конкретных нелинейных сопротивлениях в зависимости от материала изменяется от 0,16 до 0,5.
На основе таких нелинейных материалов изготовляют различные нелинейные сопротивления, являющиеся элементами вентильных разрядников.
В качестве материала для изготовления нелинейных сопротивлений особенно широкое применение получил поликристаллический материал — карбид кремния (SiC). Из карбида кремния изготовляют вентильные разрядники для линий электропередачи — устройства, защищающие линию электропередачи от перенапряжений.
В них диски из нелинейного полупроводника (карбида кремния) пропускают ток на землю под действием воли перенапряжений, возникающих в линии. В результате этого восстанавливается нормальная работа линии. При рабочем же напряжении линии сопротивления этих дисков возрастают и ток утечки с линии па землю прекращается.

Рис. 170. Разрез вентильного разрядника типа PB-6 на напряжение 6 кВ
Карбид кремния получают искусственно — путем тепловой обработки смеси кварцевого песка (SiO2) с углем при высокой температуре (2000° С). В результате такого длительного высокотемпературного процесса образуются сросшиеся кристаллы в виде пакетов, называемых друзами. Друзы затем размалываются, размол просеивается и перемешивается, после чего отдельные частички этой смеси скрепляются связующим материалом, обычно жидким стеклом. Полученная скрепленная смесь прессуется в диски, которые сушатся сначала на воздухе, затем на их боковую поверхность наносится изоляционная обмазка, имеющая цель в дальнейшем предохранить диски от поверхностных перекрытий. Обмазанные диски подвергаются тепловой обработке в печи при температуре 400°С в течение 10—14 ч, после чего на поверхность дисков наносятся металлические электроды *. В зависимости от введенных легирующих примесей образуются два основных вида карбида кремния: зеленый п черный. Они отличаются друг от друга по типу электропроводности, а именно: зеленый карбид кремния обладает электропроводностью re-типа, а черный — электропроводностью р-типа.
Для вентильных разрядников из карбида кремния изготовляются диски диаметром от 55 до 150 мм и высотой от 20 до 60 мм. В вентильном разряднике (рис. 170) вилитовые диски 2 из карбида кремния соединяются последовательно друг с другом и с искровыми промежутками 5.
*Полученный описанным способом нелинейный полупроводниковый  кремний получил название «внлит». Он разработан Л. И. Ивановым и В. И. Пружинимой во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ им. Ленина).
Последние образуются системой фасонных латунных шайб 4, разделенных друг от друга слюдяными (миканитовыми) прокладками. Система, состоящая из вилитовых дисков и искровых промежутков, сжимается спиральной пружиной 6. С помощью болта 7 разрядник присоединяется к проводу линии электропередачи, а при помощи болта 3 разрядник соединяется проводом с землей. Все детали разрядника помещены в фарфоровый корпус 1.
При нормальном напряжении па линии передачи ток с линии вентиль не пропускает. При повышенных же напряжениях (перенапряжениях), создаваемых атмосферным электричеством, или внутренних перенапряжениях искровые промежутки 5 (см. рис. 170) пробиваются и диски вентиля окажутся под высоким напряжением. Сопротивление их резко упадет, что обеспечит утечку тока с линии на землю. Прошедший большой ток снизит напряжение до нормального и в дисках вентиля сопротивление возрастет. Вентиль окажется запертым, т. е. рабочий ток линии им пропускаться не будет.
Карбид кремния находит еще применение в полупроводниковых выпрямителях, работающих при больших рабочих температурах (до 500°С).
За последние годы появились полупроводниковые нелинейные материалы, изготовляемые методами керамической технологии из различных окислов металлов: А1203; ZnO; Sn02; ТiO2. Особое внимание к себе привлекают нелинейные полупроводниковые материалы на основе таких соединений, как ZnO — In02; ZnO — SiO2 и др.

• Назад
• Вперед

• Назад
• Вперед

• Вы здесь:  
• Главная
• Книги
• Архивы
• org/ListItem»> Монтажные краны электростанций

Читать также:

• Значения пробивного напряжения для изоляционных материалов
• Электромонтажные материалы
• США: Недостаточный выпуск трансформаторной стали угрожает национальной безопасности
• Дешевое электричество вытесняет импорт поликремния в Китае
• Выбор материала контактов вакуумных камер выключателей

Полупроводниковые материалы | Основы электроакустики

Полупроводниковые материалы

  

Полупроводниковыми материалами являются твердые кристал­лические вещества с электронной проводимостью, которые по удель­ному электрическому сопротивлению при нормальной температуре занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами)

 

 

 

Электропроводность полупроводников в значительной степени зависит от внешних энергетических воздействий, а также от при­сутствия различных примесей в структуре полупроводника.

Полупроводниковые материалы подразделяют на простые полу­проводники, полупроводниковые химические соединения и много­фазные полупроводниковые материалы.

Материал	Удельное элект­рическое сопро­тивление, Ом-м	Температурный коэффициент сопротивления	Проводимость
Проводники	10-8 — 10-5	Положительный	Электронная
Полупроводники	10-8 — 10+8	Отрицательный	Ионная и элек­тронная
Диэлектрики	10-11 — 10+17		нет

К простым полупро­водникам относят германий, кремний, селен и другие элементы, основные параметры которых: приведены в табл.

Параметры	Германий	Кремний	Селен
Плотность при 20 °С, Мг/м3	5,3	2,3	4,8
Удельное сопротивление при 20 °С, Ом-м	0,68	2-103	—
Работа выхода электронов, эВ	4,8	4,3	2,85
Объемная плотность (кон­центрация) носителей, м~3	2,5-1019	1016	—
Подвижность электронов, м2/(В-с)	0,39	0,14	—
Подвижность дырок, м2/(В-с)	0,19	0,05	0,2*10-4
Первый ионизационный по­тенциал, В	8,1	8,14	9,75
Диэлектрическая проницае­мость	16	12,5	— 6,3
Постоянная решетки, нм	0,566	0,542	0,436
Температура плавления, °С Теплота плавления, Дж/кг	936 4,1*106	1414 1,6*106	220 6,4*104
Температурный коэффици­ент линейного расширения (0 — 100°С)аг10-в, К-1	6	4,2	2,5
Удельная теплопроводность, Вт/ (м- К)	55	80	3
Удельная теплоемкость (0-100°С), Дж/(кг-К)	333	710	330

Полупроводниковые химические соединения, соответствующие общим формулам, составлены из элементов раз­личных групп таблицы Д. И. Менделеева, например: (А В — SiC; AIIIBV — GaAs; InSb; AIIBVI — CdS; SnSe), а также из некото­рых оксидов (например, Cu2O) и веществ сложного состава.

Многофазными полупроводниковыми являются материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния, графита и других элементов, сцепленных керамической или иной связкой.

В пределах одного полупроводникового изделия создаются об­ласти электронной n(от лат. negative — отрицательный) и дырочной р (от лат. positive — положительный) проводимостей. На границе раздела р- и n-областей возникает запирающий слой, который обусловливает выпрямительный эффект для переменного тока. Это свой­ство электронно-дырочного перехода (р-л-перехода) лежит в основе работы выпрямительных диодов. Создавая в структуре полупровод­ника два и более взаимно связанных p-n-перехода, можно получить более сложные управляемые полупроводниковые приборы — транзис­торы, используемые для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Электропроводностью полупроводников можно управлять с по­мощью тепла, света, электрического поля или механических усилий, на чем основана соответственно работа терморезисторов, фоторези­сторов, варисторов, тензорезисторов.

Полупроводниковые системы лежат в основе интегральных мик­росхем (ИМС — микроэлектронных устройств), в которых активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы) эле­менты, а также межэлементные соединения создаются в едином тех­нологическом процессе с использованием групповых методов изготов­ления элементов и соединяющих проводников. Элементы ИМС не имеют внешних выводов корпуса и не могут рассматриваться как отдельные изделия. Плотность монтажа элементов в ИМС может достигать сотен — тысяч в 1 см3. »

Благодаря применению ИМС в радиоэлектронной аппаратуре снижается количество соединений, а аппаратура становится более компактной и экономичной, повышается ее надежность и улучшаются рабочие характеристики.

Диэлектрические материалы для полупроводниковых микросхем

Диэлектрические материалы для полупроводников чипсы

Немного информации о диэлектрическом материале:

Диэлектрический материал с очень низким электрическим электропроводность (одна миллионная мОм/см), при которой электрическое поле может поддерживаться с минимальной утечкой. Он может хранить электрическую энергию/заряд.

Электрически чувствительные молекулы внутри диэлектрика материал, называемый полярными молекулами, выравнивается по образцу всякий раз, когда подается внешнее электрическое напряжение. Полярные молекулы выравниваются с полем так, чтобы положительные заряды накапливались на одной стороне диэлектрика и отрицательные заряды на другое лицо.

Сухой воздух является хорошим примером диэлектрического материала, но является плохим диэлектриком. Большинство диэлектрических материалов твердые, такие как фарфор (керамика), стекло, слюда, пластмассы, и оксиды различных металлов. Некоторые жидкости и газы может также иметь хорошие диэлектрические свойства, вакуум и перегонку вода также является диэлектрическим материалом.

Диэлектрический материал обычно используется в конденсаторах для уменьшить размер конденсатора. Керамика и пластик пленочные конденсаторы являются хорошим примером. Еще одно важное приложение диэлектрических материалов в полупроводниковых чипах для изоляции транзисторы друг от друга. Диэлектрические материалы также используется в различных других электрических и электронных компонентах.

Почему в конденсаторе используется диэлектрический материал?

Диэлектрический материал обеспечивает механическую прочность
По фактору? емкость увеличена
«пробой диэлектрика», или максимальное электрическое поле до того, как начнется проводимость между пластинами, может быть выше, чем для воздуха, допуская высокие номинальные напряжения
Отрыв пластины может быть небольшим, что также увеличивает емкость

Диэлектрическая прочность может быть определена как максимальный потенциал градиент, которому может подвергаться материал без изоляции поломка, то есть

 

Где DS — диэлектрическая прочность в кВ/мм, VB — пробойная напряжение и d толщина.

Диэлектрическая проницаемость – это отношение количества хранимой электрическая энергия при приложении потенциала, относительная к диэлектрической проницаемости вакуума.

ПОЛУПРОВОДНИКИ Применение
За счет улучшения диэлектрических характеристик материала используется в полупроводниковых устройствах, производительность полупроводниковых устройства, такие как энергопотребление, скорость и размер, улучшаются. Также полупроводниковые чипы могут интегрировать высокую емкость конденсаторы внутри чипа, чтобы сохранить схему от использования внешние развязывающие конденсаторы между питанием и наземные самолеты.
Эти развязывающие конденсаторы уменьшат переходное напряжение на напряжении, которые вызваны скачками тока которые возникают, когда транзисторы в полупроводниковой схеме включить или выключить.

С середины 1990-х годов микроэлектронная промышленность инновационные high- и low-k диэлектрики (k — диэлектрическая константа материала) для непрерывного сокращения обоих горизонтальные и вертикальные размеры интегральных схем (ИС). Из-за использования материала с низким K ток утечки затвора и тепловыделение может быть снижено. Низкокалиевые материалы предлагают меньшую задержку распространения и меньшие перекрестные помехи, что позволяет устройства для работы на более высоких частотах, т.е. в диапазоне гигагерц.

Диэлектрические материалы Low K:

Как по вертикали, так и по горизонтали уменьшение расстояние между металлическими межсоединениями создало потребность в материалы с низким k, которые служат межуровневыми диэлектриками для компенсировать увеличение времени распространения сигнала между транзисторами, известная как RC-задержка (R — сопротивление металлического провода, а C — межуровневое сопротивление). диэлектрическая емкость). Для выполнения этих требований на Узлы производства ИС 32 нм и меньше, инновации в области диэлектриков материалы необходимы, если плотность устройства ИС должна продолжаться по закону Мура. Материалы Low K используются в многоуровневых межсоединений, межслойных диэлектриков и для пассивации слои.

Некоторые примеры диэлектрических материалов с низким значением K: Нанопористый диоксид кремния, гидрогенсилсесквиоксаны (HSQ), тефлон-AF (Политетрафторэтилен или ПТФЭ), оксифторид кремния (FSG). Нынешняя тенденция в настоящее время заключается в использовании диэлектрика с K менее чем 2.

Диэлектрические материалы High K :

Диэлектрические материалы High K необходимы для хранения конденсаторы и устройства энергонезависимой статической памяти. Где бы требуется высокая емкость, используется материал high-K.

Между затвором и затвором используется диэлектрический материал

High K. кремний в КМОП-транзисторах для увеличения емкости металла и кремния.

http://yuekuo.tamu.edu/Hkgd.htm

Обычные материалы, такие как термический и химический пар осаждение (CVD) SiO2 заменяется новыми материалами такие как диэлектрики с высоким k затвора и легированный углеродом SiO2 для межуровневые диэлектрики с низким k.

Некоторые из новейших диэлектрических материалов с высоким k включают:

— SiNx с 4 < k < 10
— Ta2O5, Al2O3, ZrO2 и HfO2 с 10 < k < 100
— ЦТС с k<100

Чтобы найти диэлектрическую проницаемость для тысяч химических соединений и элементы посетите сайт http://www. clippercontrols.com/info/dielectric_constants.html
И
http://www.kayelaby.npl.co.uk/general_physics/2_6/2_6_5.html

Что такое диэлектрический материал и как он работает?

К

• Рахул Авати

Что такое диэлектрический материал?

Диэлектрический материал плохо проводит электричество, но эффективно поддерживает электростатические поля. Он может накапливать электрические заряды, иметь высокое удельное сопротивление и отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Подробнее о диэлектрических материалах

Диэлектрические материалы являются плохими проводниками электричества, потому что они не имеют свободно связанных или свободных электронов, которые могут дрейфовать через материал. Электроны необходимы для поддержания потока электрического тока. Ток течет от положительного вывода к отрицательному и в обратном направлении в виде свободных электронов, которые текут от отрицательного вывода к положительному.

Диэлектрические материалы поддерживают диэлектрическую поляризацию, что позволяет им действовать как диэлектрики, а не как проводники. Это явление возникает, когда диэлектрик помещается в электрическое поле и положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные заряды смещаются в противоположном направлении. Такая поляризация создает сильное внутреннее поле, которое уменьшает общее электрическое поле внутри материала.

Важные сведения о диэлектрических материалах

Важным фактором для диэлектрического материала является его способность поддерживать электростатическое поле, рассеивая при этом минимальную энергию в виде тепла. Это рассеянное тепло или потери энергии известны как диэлектрические потери . Чем меньше диэлектрические потери, тем эффективнее вещество как диэлектрический материал.

Другим фактором является диэлектрическая проницаемость , , который представляет собой степень, в которой вещество концентрирует электростатические линии потока. К веществам с низкой диэлектрической проницаемостью относятся идеальный вакуум, сухой воздух и самые чистые, сухие газы, такие как гелий и азот. К материалам с умеренными диэлектрическими постоянными относятся керамика, дистиллированная вода, бумага, слюда, полиэтилен и стекло. Оксиды металлов, как правило, имеют высокие диэлектрические постоянные.

Свойства диэлектрических материалов

Это наиболее важные свойства диэлектрических материалов.

Электрическая восприимчивость

Относится к относительной мере того, насколько легко диэлектрический материал может быть поляризован под воздействием электрического поля. Это также относится к электрической проницаемости материала.

Диэлектрическая поляризация

Это количество электрической энергии, хранящейся в электрическом поле, когда к нему приложено напряжение. Поскольку это заставляет положительные заряды и отрицательные заряды течь в противоположных направлениях, это может свести на нет общее электрическое поле.

Электрический дипольный момент

Степень разделения отрицательных и положительных зарядов в системе относится к электрическому дипольному моменту. Атомы содержат как положительно, так и отрицательно заряженные частицы и расположены в материале в виде диполей. Приложение электрического заряда создает дипольный момент. Связь между дипольным моментом и электрическим полем придает материалу его диэлектрические свойства.

Электронная поляризация

Электронная поляризация возникает, когда диэлектрические молекулы, образующие дипольный момент, состоят из нейтральных частиц.

Время релаксации

После снятия приложенного электрического поля атомы в диэлектрическом материале возвращаются в исходное состояние после некоторой задержки. Это время задержки называется временем релаксации .

Пробой диэлектрика

Если напряжение на диэлектрическом материале становится слишком большим, а электростатическое поле становится слишком интенсивным, материал начинает проводить ток. Это явление называется пробоем диэлектрика .

В компонентах, в которых в качестве диэлектрической среды используются газы или жидкости, это условие меняется на противоположное, если напряжение падает ниже критической точки. Но в компонентах, содержащих твердые диэлектрики, пробой диэлектрика обычно приводит к необратимому повреждению.

Диэлектрическая дисперсия

Этот термин относится к максимальной поляризации, достигаемой диэлектрическим материалом. На это влияет время релаксации.

Типы диэлектрических материалов

Диэлектрические материалы основаны на типе молекул, присутствующих в материале.

Полярный диэлектрик

В полярном диэлектрике центры масс положительных и отрицательных частиц не совпадают. Молекулы имеют асимметричную форму, и в материале существует дипольный момент. Когда к материалу прикладывается электрическое поле, молекулы выравниваются с электрическим полем. Когда поле снимается, суммарный дипольный момент в молекулах становится равным нулю.

Примеры: вода и соляная кислота

Неполярный диэлектрик

В неполярных диэлектрических материалах центр масс положительных и отрицательных частиц совпадает. Молекулы имеют симметричную форму, а диэлектрический материал не имеет дипольного момента.

Примеры: водород, кислород и азот

Большинство диэлектрических материалов твердые. Примеры следующие:

• фарфор (керамика)
• слюда
• стекло
• пластик
• многие оксиды металлов

Некоторые жидкости и газы также являются хорошими диэлектрическими материалами. Сухой воздух является отличным диэлектриком и используется в конденсаторах переменной емкости и некоторых типах линий передачи. Азот и гелий являются хорошими диэлектрическими газами. Дистиллированная вода является хорошим диэлектриком. Вакуум является исключительно эффективным диэлектриком.

Различия между диэлектриками и изоляторами

Диэлектрики часто путают с изоляторами, хотя между этими типами материалов есть различия. Например, все диэлектрики являются изоляторами, но не все изоляторы являются диэлектриками. Некоторые различия выделены на этом рисунке.

Диэлектрики часто путают с изоляторами. Однако между этими типами материалов есть различия.

Применение диэлектрических материалов

Диэлектрические материалы используются во многих областях. Из-за их способности накапливать заряды они чаще всего используются для хранения энергии в конденсаторах и для построения линий радиопередачи.

Диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью часто используются для улучшения характеристик полупроводников. В трансформаторах, реостатах, шунтирующих и заземляющих реакторах диэлектрические материалы, такие как минеральные масла, действуют как хладагенты и изоляторы.

Диэлектрики также используются в жидкокристаллических дисплеях, резонаторных генераторах и перестраиваемых микроволновых устройствах. В некоторых приложениях специально обработанные диэлектрики служат электростатическим эквивалентом магнитов. Совсем недавно для отвода тепла от технологической инфраструктуры для поддержания желаемой температуры окружающей среды использовалось погружение оборудования центра обработки данных в диэлектрический жидкий охлаждающий агент.

См. также: конденсатор , picofarad per meter , flash storage , resistive RAM , floating gate transistor , inductor , ultracapacitor , transducer and жидкостное иммерсионное охлаждение .

Последнее обновление: июнь 2022 г.

Продолжить чтение О диэлектрическом материале

• Масштабирование новых технологий памяти, используемых для постоянной памяти

• Выберите схему центра обработки данных: фальшполы или подвесные кабели

• Составьте план обеспечения непрерывности бизнеса при отключении электроэнергии с помощью этих советов

• Как использовать Интернет вещей для повышения энергоэффективности и устойчивого развития

• Системы и технологии охлаждения центров обработки данных и принципы их работы

ESG-отчетность

ESG-отчетность — это тип корпоративного раскрытия информации, в котором подробно описываются экологические, социальные и управленческие (ESG) обещания, усилия и прогресс организации.

Сеть

• ACK (подтверждение)

  В некоторых протоколах цифровой связи ACK — сокращение от «подтверждение» — относится к сигналу, который устройство посылает, чтобы указать. ..

• поставщик сетевых услуг (NSP)

  Поставщик сетевых услуг (NSP) — это компания, которая владеет, управляет и продает доступ к магистральной инфраструктуре Интернета и …

• неэкранированная витая пара (UTP)

  Неэкранированная витая пара (UTP) — это повсеместно распространенный тип медных кабелей, используемых в телефонной проводке и локальных сетях (LAN).

Безопасность

• Требования PCI DSS 12

  Требования PCI DSS 12 представляют собой набор мер безопасности, которые предприятия должны внедрить для защиты данных кредитных карт и соблюдения …

• данные держателя карты (CD)

  Данные держателя карты (CD) — это любая личная информация (PII), связанная с лицом, у которого есть кредитная или дебетовая карта.

• Уровни продавца PCI DSS Стандарт безопасности данных индустрии платежных карт (PCI DSS)

  ранжирует продавцов по количеству транзакций за . ..

ИТ-директор

• системное мышление

  Системное мышление — это целостный подход к анализу, который фокусируется на том, как взаимодействуют составные части системы и как…

• краудсорсинг

  Краудсорсинг — это практика обращения к группе людей для получения необходимых знаний, товаров или услуг.

• синтетические данные

  Синтетические данные — это информация, созданная искусственно, а не в результате событий реального мира.

HRSoftware

• вовлечения сотрудников

  Вовлеченность сотрудников — это эмоциональная и профессиональная связь, которую сотрудник испытывает к своей организации, коллегам и работе.

• кадровый резерв

  Кадровый резерв — это база данных кандидатов на работу, которые могут удовлетворить немедленные и долгосрочные потребности организации.