dielectric介电性

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1、材料的介电性质¾电介质及其极化¾交变电场下的电介质（介质损耗）¾电介质在电场中的破坏¾压电性¾铁电性主要参考资料[1]田莳主编《材料物理性能》北京航空航天大学出版社2004[2]方俊鑫、陆栋主编《固体物理学(下)》上海科学技术出版社1981[3]钟维烈著《铁电体物理学》科学出版社2000[4]郑州大学，蔡彬《材料物理性能》课件引言电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于1010Ω·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有压

2、电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用前景。电介质的主要性能参数：介电常数、介电损耗因子、介电强度。按相对介电常数进行分类：（1）高介电常数：大容量电容器，微波通信领域，如近年来出现的汽车电话、卫星通信，储能器件（2）低介电常数：降低集成电路漏电电流，降低导线间电容效应，降低集成电路发热高介电常数应用领域微波领域：介质陶瓷是指在300MHz~300GHz的微波频率范围内具有极好介电性能的陶瓷材料。•高的介电常数，ε在20～l00之间，稳定性好r•在−50～+100℃温区，频率温度系数要小，保证其在30×10-6

3、／℃以内•在微波频段，介质损耗小，tg-4δ≤10，品质因数高，Q≥1000电容领域•用于制作陶瓷电容器的材料介电常数越大，电容量越高•当相同容量时，电容器的体积便可以做得更小总之，要求电容器陶瓷材料的相对介电常数越高越好。低介电常数应用领域低介电常数材料或称low-K材料是当前半导体行业研究的热门话题。传统半导体使用SiO作为介电材料，介电常数约为4。目前低介2电常数材料的研究还是同高分子材料密切相关的。在未来几年集成电路应用中，介电常数将为2.7~3.1。•随着线宽不断减小，低介电常数材料在超大规模集成电路中的应用逐渐成为半导体集成电路一个重要分支。•在

4、集成电路工艺中，有着极好热稳定性、抗湿性的SiO一直是主2要绝缘材料。而金属铝则是芯片中电路互联导线的主要材料。当器件尺寸<250nm时，克服阻容迟滞而引起的信号传播延迟、线间干扰以及功率耗散等，就成为集成电路工艺技术发展不可回避的课题。•铜的电阻率比铝的电阻率低约40%，因而用铜线替代传统的铝线就成为集成电路工艺发展的必然方向。同时，低介电常数材料替代传统绝缘材料SiO也成为集成电路工艺发展的又一必然选择。2常用电介质相对介电常数§1电介质及其极化一、电容与电介质电容定义为使导体升高单位电势所需的电量。孤立导体的电荷Q∝导体的电势UQ/U=C孤立导体球的电

5、容C=4πεR0R：导体球半径，ε：真空介电常数0单位：法拉（F）、微法拉（μF）、皮法拉（pF）1法拉＝1库仑/伏特1F=106μF=1012pF•平板电容器的电容+Q–Q+Q–Q电容器：导体组合，使之不受周围导体绝的影响充入介质缘真空条件下，当电容器的两极板分体别带有等值异号电荷Q时，电量Q与两极板间相应的电势差V的比值为电容C00Qε(V/d)AεA000C===0VVd00V0A为平行板面积，d为板间距，ε是真空V0介电常数。静电计测电压平行板电容器中插入绝缘体后，极板上的电压发生变化。插入电介质前后两极板间的电压分别用V、V表示，它们的关系：0V=

6、V/ε0r极板电荷Q不变，电容增大为C=εCr0εr是一个大于1的常数，其大小随电介质的种类和状态的不同而不同，是电介质的特征常数，称为电介质的相对介电常数（相对电容率）。空气的相对介电常数1.00059（0oC，1atm）ε=εε电介质的电容率（介电常数）r0•电介质电场作用下，能建立极化的一种物质；放在平板电容器中能增加电容的材料。陶瓷、玻璃、聚合物是常用的电介质。电介质：绝缘体，不导电，使电容增大。导体中含有许多可以自由移动的电子或离子。然而也有一类物质电子被束缚在自身所属的原子核周围或夹在原子核中间，这些电子可以相互交换位置，多少活动一些，但是不能到

7、处移动，就是所谓的非导体或绝缘体。绝缘体不能导电，但电场可以在其中存在，并且在电学中起着重要的作用。这部分只限于讨论各向同性的均匀的电介质。二、电介质的极化在正极板附近的介质板上出现负电荷在负极板附近的介质板上出现正电荷电介质极化－电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象作用：使电容器增加了电荷存储能力三、极化相关物理电介质分类，按照分子正、负电荷统计中心是否重合（电偶极子）可分为两大类：极性分子电介质：有电偶极子，极矩：μ=Ql，[m]=Cm非极性分子电介质：无电偶极子，但在电场作用下，正负电荷重心会产生分离，产生电偶极矩。1.极化电荷在外电场中，均匀介质内部

8、各处仍呈电中性，和外电场强度相垂直的电介质表面分别出