现代电子材料与元器件_7

第七章电介质材料光电工程学院微电子教学部冯世娟[e-mail]27.2电介质在静电场中的极化1电介质的极化现象导体电介质在无外加电场作用时，分子热运动使得偶极矩排列混乱，因而在各个方向上的分子偶极矩矢量和为零。而在外加电场作用下，偶极分子将沿电场方向偏转定向，这是整个电介质对外感生出宏观偶极矩。——传导电流——位移电流电介质的极化：电介质在电场作用下内部感应偶极矩的现象。37.2电介质在静电场中的极化2电介质极化机制电子极化离子极化偶极子转向极化自发极化空间电荷极化极化形式位移极化：是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量弛豫极化：与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量47.2电介质在静电场中的极化2电介质极化机制几种物质的介电常数n2极化形式光频下低频下金刚石5.665.68电子位移极化NaCl2.255.9电子、离子位移极化H2O1.7780.4电子、离子位移极化、偶极子转向极化57.3电介质的动态极化1电介质的极化过程电介质极化的建立和消失都有一个响应过程，需要一定的时间。在变化电场作用下的极化响应大致有三种情况：如果电场的变化很慢，相对于极化建立的时间，像在静电场中的那样，则极化完全来得及响应，则不需要考虑响应过程，可以按照与在静电场中的情形进行分析；如果电场的变化很快，以至于极化完全跟不上，就没有极化的发生；如果电场的变化与极化建立的时间可以比拟，则极化对电场的响应受极化建立过程的影响很大，因而会产生比较复杂的介电现象。67.3电介质的动态极化1电介质的极化过程电子位移极化、离子位移极化建立的时间极短，通常被称为瞬时极化或快极化；而对于偶极子转向极化及离子松弛极化等，因其建立的时间较长，故称之为慢极化或弛豫极化。r()()()PtPtPt瞬间极化强度，与时间无关。松弛极化强度，与时间的关系比较复杂/rrm()()1tPtPte77.3电介质的动态极化1电介质的极化过程极化强度与电场强度的关系0()1PtEr0S()PtE0()1SPtES为静态介电常数，为光频介电常数。介电常数随电场频率的改变而变化，且介电常数的温度关系与在恒定电场下的情形也不一样；在极化过程中，存在能量的损耗，损耗掉的那部分能量转化为热能，使电介质的温度升高，这种损耗称为极化损耗，极化损耗的大小与电场的频率有密切的关系。87.3电介质的动态极化2复数介电常数考虑一个平板电容器，加一个交变电场，其电场强度为0expEEit0expDDit当极化跟不上电场变化时，D和E之间便会有一定的相位差0expDDit引入一个表征在交变电场下复电场E与复电位移D间关系的参数，复数介电常数*'''0rrr000expDDiiEE'0r00cosDE''0r00sinDE97.3电介质的动态极化2复数介电常数电流密度*'''0r0r0rcrdEjiEEjjdt纯位移电流密度或无功电流密度，与复数介电常数的实部成正比，与介质的静态相对介电常数的物理意义相同'r有功电流密度，与虚部成正比，表示介质中的能量损耗的大小''r在实际应用中，介质中的能量损耗称为介电损耗''r'rtan称为介质损耗角正切，常用来定量描述电介质的损耗107.3电介质的动态极化3介电损耗电导损耗松弛极化损耗谐振损耗（色散与吸收）电介质在外电场的作用下，将一部分电能转变成热能的物理过程，称为电介质的损耗，其结果是电介质发热，温度上升。介电损耗不仅会引起线路上的附加衰减，而且会使电路中的元器件发热，工作环境温度升高，可能破坏其正常工作的环境。一般来说，产生介质损耗的主要原因有如下几个方面：117.3电介质的动态极化3介电损耗电导损耗在电场的作用下，电介质中存在的一些弱联系的导电载流子作定向移动，形成传导电流。这部分传导电流中的能量以热的形式消耗掉，称之为电导损耗。2PECR1/IIIiCRVRCtan/1/IICVRRsincosPIVIVIV图7.12电容器值存在电导损耗时的等效电路图127.3电介质的动态极化3介电损耗松弛极化损耗热离子松弛极化、偶极子转向极化等所需建立的时间比较长，为10-2~10-8s，甚至更长。当外电场频率比较高，如高频或超高频，偶极子转向极化等跟不上电场周期的变化，产生松弛现象，致使电介质的极化强度P滞后于外加电场强度E，并且电介质的介电系数ε也随之下降；当外电场频率足够高，偶极子转向极化将完全跟不上电场周期性变化时，介电系数下降至零，这时电介质的介电系数只由位移极化提供，而趋于光频介电系数，这一过程也消耗部分能量，而且在高频和超高频中，这类损耗将起主要作用，甚至比电导损耗还大。这种损耗就称为松弛极化损耗。137.3电介质的动态极化3介电损耗谐振损耗(色散与吸收)谐振损耗来源于原子、离子、电子在振动或转动时所产生的共振效应。这种效应发生在红外到紫外的光频范围。频率高于X射线的电磁场不可能在原子内激起任何振动，电介质材料不会产生极化现象。此频率下的电介质的介电系数等于真空的介电系数。若电磁场的频率低于内层电子的谐振频率，则内层电子可以随电磁场而振动，对材料的极化有贡献，相对介电系数大于1。若电磁场的频率低于外电子壳层的电子(外层电子)的谐振频率，其谐振频率范围为从紫外到近红外光谱范围，此类电子也将参与极化。147.3电介质的动态极化3介电损耗谐振损耗(色散与吸收)在紫外到近红外区，只可能出现电子谐振极化，在远红外区则会出现原子或离子谐振极化，在光频范围内不可能出现偶极子转向极化和松弛极化。157.3电介质的动态极化3介电损耗谐振损耗(色散与吸收)图7.13介电常数及介电损耗随频率的变化电子或离子的谐振极化——谐振色散偶极子转向极化和松弛极化——松弛色散色散现象的同时伴随着能量损耗。其损耗因数随频率的变化称为吸收在介电系数发生色散的频率范围，无论是哪种极化，其损耗因数都是明显地变大且出现峰值。随着电场频率的升高，电介质的介电系数要降低。这种介电系数随频率变化的现象称为色散现象。167.3电介质的动态极化4极化弛豫与德拜方程极化弛豫现象图7.14极化弛豫现象电介质在不同平衡态之间的过渡即弛豫过程。'aaii吸收电流介质在交变电场中,由于慢极化跟不上电场的变化，表现出极化的滞后性。系统需要经过一定时间才能达到平衡状态。以实际介质电容器为例177.3电介质的动态极化4极化弛豫与德拜方程德拜方程图7.15缓慢极化电容器的等效电路图0jiE对于驰豫过程，Debye首先提出并建立了复介电常数与频率间的关系式，主要适用于极性液体和固体介质。由平板电容器的等效电路得到流经电容C∞的充电电流密度和流经电容Ca的充电电流密度a0a1/aEji187.3电介质的动态极化4极化弛豫与德拜方程德拜方程220222211EiEajjj'''0r0rjiEE'0r02212''0r221当ω→0时，'s0s197.3电介质的动态极化德拜方程'sr221''sr221'''2()()srrstg以上三式称为德拜方程，或是德拜弛豫方程。0'''rsr,0'''rr,0恒定电场下光频下207.3电介质的动态极化5复数介电常数与频率和温度的关系与频率的关系''r0ddm1/当ω在0~∞之间时，介电常数随频率的增加而降低，从静态值降至光频值；损耗因子随频率的增加而出现极大值。217.3电介质的动态极化与频率的关系此时，德拜方程在这一频率区域，介电常数发生剧烈变化，同时出现极化的能量耗散，这种现象称为弥散现象，这一频率区域称为弥散区域。'sr2''sr2smstan227.3电介质的动态极化与频率的关系tan0dd'sm1'mmtanδ在频率较高时才达到极值德拜方程'srs2''srsssmaxstan2在tanδ与频率的关系中也出现极大值237.3电介质的动态极化与频率关系的解释1)当外加电场频率很低，即趋于0时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值。介电损耗主要由漏导引起，tgδ只是介质在频率不等于零的交变电场中的物理参数。2)当外加电场频率逐渐升高时，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小，因而，εr’随升高而减少。tgδ出现极大值，P也增大。3)当很高时，介电常数仅由位移极化决定，在这一频率范围内，随的升高，εr’→ε∞，tgδ→0，P变化较小。247.3电介质的动态极化5复数介电常数与频率和温度的关系与温度的关系1)εs、ε∞与温度T的关系0ei01nr0sPE、'001naaTT主要是单位体积内的极化粒子数n0随温度的变化引起的，也即是因为介质的密度发生变化而引起的。光频介电常数随温度的上升呈线性下降。r0dePnE257.3电介质的动态极化与温度的关系2)τ与温度T的关系弛豫时间与温度呈指数关系，可简化表示成exp(/)BAT267.3电介质的动态极化与温度的关系3)复介电常数与温度T的关系''rmm1/'sm1与温度的关系3)复介电常数与温度T的关系''r''sr221当温度很低时，τ很大122/11/反之，在高温区122/11出现极大值。Tm通过极值时对应的弛豫时间τm表征tanδ的极值温度比复介电常数的极值温度要低。277.3电介质的动态极化与温度关系的解释'rr'r'rs'r'rsr在一定频率下，当温度很低时，极化粒子热运动能量很小，几乎处于“冻结”的状态，因此取向极化缓慢，时间很长，来不及随外加电场发生变化，弛豫极化难以建立，这时只有瞬时极化，所以介电常数趋于光频介电常数，介质损耗和tanδ很小；当温度升高时，极化粒子的热运动能量加大，弛豫时间减少小，可以与外加电场的周期相比拟，弛豫极化逐渐得以建立，相应增加。随着温度继续升高，弛豫时间很快降低，弛豫极化进一步建立，急剧增加，几乎趋近于静态介电常数。在剧烈变化的同时，伴随着能量损耗，并出现损耗极值；若温度再继续升高．则弛豫时间继续减少。弛豫极化完全来得及建立，趋近于静电场的情况，这时趋于。介质损耗和tanδ又恢复很小。287.3电介质的动态极化与温度关系的解释r'rsr同样将要指出，若频率发生变化，则和tanδ要随频率的增加向高温方向移动；反之则向低温方向移动。这可解释如下：当频率发生改变时，若频率增高，则电场变化周期缩短，与之相比拟的弛豫时间τ也相加减少，因此出现了弛豫极化的温区，即由增至的温区也随之向高温方向移动，出现和tanδ峰值的温度也相应升高。297.4晶体的压电性质1晶体的压电性正压电效应：在没有对称中心的晶体上施加机械作用时，发生与机械应力成比例的介质极化，同时在晶体的两端面出现正负电荷。逆压电效应：当在晶体上施加电场时，则产生与电场强度成比例的变形或机械应力。正、逆压电效应统称为压电效应。晶体的这种性质称为晶体的压电性。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。307.4晶体的压电性质1晶体的压电性晶体是否具有压电效应，取决于晶体结