Поляризация - это смещение связанных зарядов или ориентация дипольных моментов по направлению внешнего поля. При этом возникает собственное электрическое поле противоположного направления.
Система из 2 равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку зарядов называется диполем. Дипольный момент Мэ молекулы служит количественной мерой ее полярности:
Мэ = q l,
q - величина заряда, l - расстояние между зарядами.
Дипольный момент - вектор, направленный от положительного заряда к отрицательному. При связи двух ионов дипольные моменты могут быть взаимно скомпенсированы. Так получается неполярная молекула.
Мэ = 0 Мэ ¹ 0 Мэ = 0
Поляризация представляет собой сумму дипольных моментов в единице объема V:
P = (1/V) . Σ Mi.
Результирующее электрическое поле в диэлектрике характеризует вектор диэлектрического смещения (электрическая индукция):
D = eo E + P.
Вектор поляризации Р зависит от напряженности электрического поля Е:
Р = cд Е,
где cд - коэффициент поляризуемости (диэлектрическая восприимчивость)
cд = eо (e - 1),
где eо и e - абсолютная и относительная диэлектрическая проницаемость вещества.
(eо =8,85 10-12, Кл2/Н. м 2)
D = eо E + eо ۰ (e - 1) E = eо e E.
При нагревании подвижность молекул возрастает. Для жидкостей и полимеров это облегчает поляризацию (ε возрастает) вплоть до той температуры, когда тепловое хаотическое движение начнет превалировать над ориентирующим влиянием электрического поля. Для сегнетоэлектриков эту температуру называют диэлектрической точкой Кюри. Температурная зависимость характеризуется температурным коэффициентом ε (ТКε).
Время установления и релаксации.
По времени установления tуст поляризация подразделяется на мгновенную с tуст < 10-13 с и замедленную (релаксационную) с tуст > 10-13 с. Электронная и ионная поляризации - мгновенные. Электронная поляризация возникает при упругом смещении или деформации электронных оболочек атомов или ионов, а ионная поляризация - при упругом смещении самих атомов или ионов. Мгновенная поляризация не связана с потерей энергии.
Замедленная поляризация связана с движением локальных зарядов или диполей. Поворот диполей требует времени и энергии. Неупругая (релаксационная) поляризация вызывает нагревание материала – поглощение энергии. Это характерно жидкостям (воде, маслам) и гелям.
 |  | ||||
 |
Электронная
поляризация
-
 |  | |||||
 | ||||||
 |  | |||||
Ионная
поляризация
 | |||||||||||
 |  | ||||||||||
 | |||||||||||
 |  | ||||||||||
 | |||||||||||
 | |||||||||||
Дипольная
поляризация
 |  | ||||||||||||||
 | |||||||||||||||
 |  | ||||||||||||||
 | |||||||||||||||
 | |||||||||||||||
 | |||||||||||||||
 | |||||||||||||||
 |
Миграционная поляризация фазы с
высокой проводимостью
(заряда в локальной области)
Рис. Механизмы поляризации.
Время, в течение которого упорядоченность диполей, ориентированных внешним электрическим полем, уменьшается в е раз после снятия поля, называется временем релаксации:
t = eо e ¤ s.
| Материал | Время релаксации, с |
| Проводники | 10 -14 |
| Полупроводники | 10 -12..... 10 -3 |
| Диэлектрики | от 10 -3 до нескольких лет |
Время установления tуст, как правило, меньше времени релаксации t. Время tуст определяется внешней энергией, а t - внутренней энергией. Временная задержка τ является причиной диэлектрической дисперсии (уменьшении величины ε с увеличением частоты).
Гибкие дисплеи типа «электронная бумага» (E-paper). В них используются разнозаряженные частицы разного цвета. Потенциал электрода, противоположный наблюдателю, притягивает их или отталкивает. Именно последний вариант виден наблюдателю. Для формирования пиксела частицы заключают в капсулы или помещают в разделенные отсеки. Дисплеи используются для сворачивающихся книг, банковских карт, ценников, клавиатуры мобильных устройств.
Рис. Микрокапсульный черно – белый дисплей.
Рис. Микрокапсульный цветной дисплей.
Электропроводность диэлектриков связана с наличием свободных носителей заряда – электронов (адсорбирующих поверхностью) и подвижных ионов.
Ионы могут быть собственными (входящими в состав окислов) или примесными. Наличие свободных носителей заряда приводит к возникновению токов проводимости jпр (утечки). Ионная поляризация может быть причиной тока утечки – это дефект, а может использоваться в твердых электролитах.
Поляризация (смещение связанных зарядов) вызывает протекание токов смещения jсм (поляризационных токов). Наличие свободных носителей заряда (преодолевших запрещенную зону) приводит к возникновению токов проводимости jпр (утечки).
В переменном электрическом поле E = Eо exp (i w t) вектор диэлектрического смещения D изменялся бы синфазно с Е, если бы не поляризация, вызывающая ток jсм: ` D = Dо exp (i (w t - j)).
 |
jсм = i w eo e E
 |
d
j
 |
jпр = s E
Рис. Векторная диаграмма плотности токов в диэлектрике.
Плотность общего тока, протекающего через диэлектрик, равна векторной сумме jсм и jпр:
j = i w eo e E + s E.
Угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз j между векторами, называется углом диэлектрических потерь d:
d = 90° - j.
В идеальном диэлектрике j = 90 °, а d = 0 - диссипативных потерь энергии нет. Чем больше в диэлектрике свободных носителей заряда, тем больше d. В результате диэлектрик нагревается. Способность материала рассеивать энергию характеризуется тангенсом диэлектрических потерь tg d:
tg d = s ¤ w eо e = 1 / w t.
tg d считается относительным критерием проводимости: у хороших проводников d = 90 °. При tg d > 100 материал считается техническим проводником (s - большая, t - мало), а при tg d < 0,1 - диэлектриком.
Комплексная величина относительной диэлектрической проницаемости:
e = e‘ - i e‘’. Действительная часть e‘ влияет на согласование системы. Мнимая часть e‘’ обусловливает потери энергии.
tg d = e‘’ / e‘.
Для проведения СВЧ сушки (при фотолитографии, герметизации,..) используется 2 группы диэлектриков с различными свойствами: 1 - высушиваемые материалы должны максимально поглощать энергию (т.е. иметь большую величину e‘’), 2 - материал тары должен иметь малую величину e‘’ и большую глубину проникновения излучения d.
Поглощаемая (адсорбционная) мощность:
P = 5.56 10-4 f e’’ E 2.
Полярная молекула воды начинает колебаться в переменном электрическом поле, поглощая энергию, в результате нагреваясь.
 |
Рис. Колебания полярной молекулы воды в переменном электрическом поле.
Глубина проникновения излучения (толщина скин – слоя)):
d = Ö (2 / (w m s)). { s = tgd w eo e }
Сушка сводится к поглощению водой энергии СВЧ, нагреванию и испарению основного материала.
Параметры материалов для тары (посуды, оболочки...)
| Материал | e1 | e11 | d, см |
| Полиэстер | 4.0 | 0.02 | |
| Тефлон | 2.1 | 0.0006 | |
| Дерево | 1.2 - 5 | 0.02-0.5 | |
| Натриевое стекло | 6.0 | 0.12 | |
| Боросиликатное стекло | 4.3 | 0.02 | |
| Ситалл | 6.0 | 0.03 | |
| Алюмокерамика | 9.0 | 0.005 | |
| Плавленный кварц | 4.0 | 0.0005 | |
| Вода |
Лучшими материалами являются кварц и тефлон (фторопласт). Хорошие проводники не годятся, т.к. экранируют излучение, имея маленькую глубину проникновения d, поверхностный заряд предопределяет искрение.
Электрическая прочность.
Электрическая прочность – способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях большой напряженности с предельным значением:
Епр = Uпр/d,
где Uпр – пробивное напряжение, d - толщина диэлектрика.
Электрически й пробой обусловлен ударной и электростатической видами ионизации и связан с физическими свойствами конкретного материала. Епр = 10 …1000 МВ/м для твердых диэлектриков и Епр = 1 …10 МВ/м – для газов.
Пробой происходит безинерционно и без предварительного разогрева.
Тепловой пробой связан с резким понижением сопротивления диэлектрика при повышении температуры материала, связанном как с внешней температурой, так и разогревом материала под воздействием электрического поля. (Ситалл системы Li2 O -Al2 O3-Si O2 имеет следующую температурную зависимость электропроводности: при 2500С сопротивление слоя эмали составляет 105 Ом, а при 550 0 С - уже 100 Ом.) Пробой может происходить локально в местах дефектов, скопления примесей и т.д. В результате ток утечки резко возрастает, образуется проводящий “шнур” между электродами. При высокой температуре напряженность электрического пробоя снижается до Епр = 0,1 …1МВ/м.
Поверхностный пробой возникает при больших поверхностных токах в адсорбирующих приповерхностных слоях и по воздуху (дуговой разряд). Пробою способствуют влажность, загрязнения, острые углы и т.п.
В тонких пленках и слоях особенно остро стоит проблема пробоя. Пористость и диэлектрические потери – основные причины пробоя.
А Б
Рис. (А) – Транзистор 2Т312А. (Переход эмиттер-база подвергся воздействию разряда 10 раз. Потенциал каждого разряда 1800-2000 В. Видны мощные следы пробоя.)
(Б) - Многоэмиттерный транзистор ИС типа 106ЛБ1. (Видны следы пробоя перехода эмиттер-база после пяти воздействий разряда потенциалом 500 В.)
Рис.. Закон Мура
Так как расстояние между компонентами уменьшается, то статическому разряду становится проще пробить более тонкую изоляцию, и, таким образом, запустить цепочку событий, ведущих к повреждению или даже разрушению устройства. Другими словами, чем меньше элементы электронных компонентов, тем больше риск повреждения его электростатическим разрядом. В таблице приведена зависимость максимально допустимого напряжения от длины затвора полевого транзистора в различные года.
| Таблица 1. Зависимость максимально допустимого напряжения от длины затвора полевого транзистора в различные года | ||||||||||
| Год | ||||||||||
| Длины затвора полевого транзистора (мкм) | 0,35 | 0,25 | 0,18 | 0,12 | 0,09 | 0,065 | 0,045 | 0,032 | 0,022 | 0,010 |
| Напряжение (В) | 3,5 | 2-3,5 | 1,50-1,9 | 1,0-1,5 | 1,0 | Менее 1 |
Эксперты оценивают средние потери из-за статического электричества в диапазоне 8-33% (таблица 2).