介电材料及其测量.ppt

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 S 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 r 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 的正旋交变电压V V0exp i t 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 r的电介质 并假设该电介质为理想电介质 则其容量C rC0 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 C CP RP CS RS I I1 I2 V 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 storage loss 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转换为热能而消耗的能量 因此可以通过直接计算在交变电场中的能量损失讨论介电损耗 由上述公式可得单位体积电介质的损耗功率 可见 介质损耗与频率有关 式中在外界条件一定时 它是介质本身的特定参数 所以在一定频率下减少损耗就得控制的值很小 通常凡是影响介质的电导率和极化机制的因素都影响介质损耗 介电损耗 提高电介质的绝缘性能主要考虑两个方面的因素 一是减少电介质单位体积的载流子数 而是降低载流子的迁移率 对于固体电介质来说 降低载流子的浓度是提高材料的绝缘性的主要手段 实际工作中主要通过减少杂质和热缺陷的数目来降低载流子的浓度 电导率 理想的电介质在外电场的作用下是没有电流的 但实际的电介质都或多或少的具有一定数量弱联系的带电质点 在外电场的作用下 这些带电质点将会受到电场力的作用而产生沿着电场方向的定向运动 从而形成贯穿介质的传导电流 此过程称为电介质的电导 电介质的电导率与载流子的浓度 载流子的迁移率 载流子的电荷有如下关系 击穿强度 如果外加电场增加到足够强时 电介质的电导就不在服从欧姆定律了 当电场增加到某一临界值是 电导率突然剧增 电介质丧失其固有的绝缘性能 变成导体 这时作为电介质的效能已经丧失 这种现象称为电介质的击穿 电介质击穿的形式可以分为三类 热击穿 电击穿 电化学击穿 影响固体电介质击穿强度的主要结构因素 介质结构的不均匀性的影响 材料中的气泡的作用 材料的表面状态和边缘电场 介电材料的电化学测量 介电材料的电化学测量方法很多 根据不同的需要可以选择不同的方法 那种方法最合适 取决于 本实验室采用的是agilent4294a仪器 用以测量平行板电容 样品制备 称料 球磨 预烧 二次球磨 压片 烧结 镀银 测量 agilent4294a采用I V法 大致原理如下 可由测量的电压值和电流值计算被测阻抗值Zx 电流用已知精确值的低阻值电阻器上的电压计算 在实际测量中 电阻器R处放置低损耗互感器 以避免低电阻值电阻器在电路中所产生的影响 但该互感器也限制了可应用频率范围 40Hz 110MHz 测量电路从功能上可以分为以下三部分 信号源部分产生施加到被测器件的测试信号自动电桥平衡部分将量程电阻器电流与被测试器件电流平衡矢量比检波器部分测量两个电压 模数转换器测量各矢量信号并经过数字处理分成为00和900成份 以等效为测电容比较常用的简单的等效电路 如下图 为例做简单计算 我们在进行电化学测量时 为得到介质的本征介电常数和电导率 通常通过测量其电容得到 这里会运用到等效电路 常常把电容等效为电阻 电感 电容的复合电路 等效电路的选择 先对未知的电容器进行扫频测量 观察频率响应曲线 结合典型频率响应曲线 选择最接近被测曲线的电路模式 计算其参数值 在用计算所得参数进行模拟 如果模拟曲线与实测结果之间有高的拟合值 则说明所选等效电路正确 否则尝试另一种电路模式 lgf lg z bode图 通过等效电路我们就可以得到电容了 进而可得到介电常数 其实等效电路是一个难点 我们要通过分析选择合适的等效电路 通过测量我们就会得到很多参数从而绘制各种阻抗谱 EIS 比如说是介电谱 它可以给出有关极化机构和晶格振动等重要信息 如图是典型固体电介质的介电谱 弛豫 共振 空间电荷 偶极子 原子 价电子 内层电子 比如介电常数对温度的函数关系 温度谱 电介质发生相变或者其他结构的微观上的变化时 介电常数将会出现异常 一般实部要出现峰值 在铁电体转变为顺电体的相变点处 实部往往比室温时高出很多 所以科学研究者通常通过介电常数的峰值来确定铁电居里点 也可以测不同压力下的介电常数 然而电化学阻抗谱的数据处理与解析是一个难点 分析介质中的各种行为也是比较繁琐的问题 而阻抗谱也只是表征方法中的一个小部分 它并非万能的 尤其在测试频率和温度窗口很窄的情况下 甚至获取本征的介电常数或电导率都是困难的 无论你等效电路玩的怎么好都没有用 关键的问题是 你要研究什么 你想获取什么你认为有意义的信息 然后根据你的需求选择合适的表征方法 Thankyouforattention