《介电材料及其测量》PPT课件

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1、介电材料及其测量报告人：刘霄导师：樊慧庆2009.11.13摘要介电材料的研究背景介电材料的介电性能介电材料的电化学测量以后要做的工作制备介电材料的相关背景介电材料又称电介质，是电的绝缘材料。主要用于制造电容器。要求材料的电阻率高，介电常量大。高介电材料是指介电常数是大于二氧化硅(k=3.9)的介电材料的泛称.概念材料的电介质基本特征介电陶瓷制成的电路元器件是以感应而并非传导的方式传递电的作用和影响。电介质中束缚着的电荷，在电的作用下以正负电荷重心不重合的电极化方式传递和记录电的作用和影响。为什么选择高介电常数陶

2、瓷作为电路元器件？日益增长的信息技术对更高集成度，高速，低功耗集成电电路的需求使晶体管的尺寸迅速减小。在动态随机存储器中，二进制的数字信息是以电容器所储存的电荷来表示的，所以在集成度更高的情况下要保持足够的电容。电容公式如下,通过增加栅极表面积和降低栅介质厚度均可提高栅极电容。而芯片上晶体管的数目跳跃式增加,这就对增加栅极表面积产生了极大的制约。因此在以往半导体技术的发展过程中,降低栅介质的厚度与采用高k的陶瓷就变成推进器件性能提高的首要手段。C=εS/d为什么选择高介电常数陶瓷作为电路元器件？C.电介质的厚度小

3、到一定程度后，又会产生电子的隧道穿透效应致使该器件无法工作，此时厚度为它的临界厚度。因此需要一种高k陶瓷作为电路元器件以满足其集成化要求介电材料的介电性能表征材料介电性能的基本参数介电系数►介电损耗电导率击穿强度介电系数介电系数是电介质极化的宏观特性，其在电场的作用下将产生极化并贮存电荷。电介质的相对介电系数定义为电容器充以电介质时的电容量C与真空时的电容量C0的比值即εr=C/C0电容器两极板之间充满均匀的电介质，在外电场的作用下，其内部沿着电场方向产生了感应电偶极矩，在电场中介质的表面出现感应电荷，其产生的电

4、场与极板上的自由电荷所形成的电场方向相反，这种由感应电荷所产生的场强称为退极化场。由于在极化过程中，外加极化电压未变，极板间的距离不变，为了保持场强不变，必须得到补充电荷，从而引起电荷面密度的改变，以致电容的改变。电子极化离子极化固有电矩的取向极化极化机制传统的介电材料:非晶二氧化硅引入高介电系数材料：比如钛酸锶钡（BST)介电系数是BaTiO3和SrTiO3的固溶体，BaTiO3和SrTiO3是钙钛矿结构的高介电系数的铁电材料，而BaTiO3－SrTiO3的固溶体将居里温度由纯BaTiO3的130°C左右调节到

5、室温附近，使得材料的介电系数在工作温度下最高。其体相材料具有非常大的介电常数钙钛矿结构钛酸锶钡介电系数介电常数大的晶体所具备的条件是：有比较特殊的点阵结构，而且含有尺寸大、电荷小、电子壳层易变形的阴离子（如氧离子）以及尺寸小、电荷大、易产生离子位移极化的阳离子（如Ti4+）。在外电场的作用下，这两类离子通过晶体内附加内电场产生强烈的极化，因而导致相当高的介电常数。通过相关计算可得出介电系数►介电损耗产生原因：如果外加电场不断地改变，介质内的极化也就不断地随之改变。当电场变化的频率非常高时，某些极化就会滞后，表现为

6、介电弛豫现象，介质极化这种弛豫过程在变动电场的作用下就会引起介质损耗。下面以平行板电容器为例，说明复介电系数以及介电损耗的概念由电工学知识，我们可以知道一个理想的平板电容器的两个极板之间为真空，改电容器的容量为C0,当在其两个极板上施加角频率为ω的正旋交变电压V=V0exp（iωt）时，则流过电容器的电流的相位较之电压的相位超前900►介电损耗若在此电容器的两个极板之间充满介电系数为εr的电介质，并假设该电介质为理想电介质，则其容量C=εrC0,其电流的相位仍应超前电压900.但是对于实际电介质来说，电流超前电压

7、的相位角总是小于900。如图，此时可以把实际电容器的电流I分解为两个电流分量I1和I2，CCPRPCSRSδФII1I2V图充满电介质的电容器的等效电路以及电流和电压之间的相位关系►介电损耗其中,I1的相位角超前于电压900，这部分电流不损耗功率，称为无功电流；I2与电压同相位，该电流是消耗功率的，称为有功电流。这两个电流分量与电压之间的关系可以用下面的式子表示：上式中的g称为介质的电导。这个电导并不一定代表由载流子迁移而产生的直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，使电容器上的能量部分地消耗为热的物理过程。由上

8、面两式可以得到，通过实际电容器的电流：介质损耗角的正切值：►介电损耗由上面两式可以得到电流密度：式中E为电场强度。第一项称为位移电流密度，第二项称为传导电流密度。令则可定义复介电常数，即介电损耗角的正切值可以表示为：storageloss►介电损耗引入复相对介电系数如下：►介电损耗研究介电损耗问实质上就是研究能量转换问题。介电损耗是指电介质在单位时间内，每单位体积中将电能