Диэлектрической проницаемости

Произведение относительной диэлектрической проницаемости ef на электрическую постоянную е() называется абсолютной диэлектрической проницаемостью:

большим электрическим сопротивлением и малой диэлектрической проницаемостью;

Большинство схем СВЧ-диапазона строится из элементов с распределенными параметрами. Это же относится и к СВЧ ИМС. Геометрические размеры СВЧ ИМС обычно меньше длины волны kQ в свободном пространстве. Однако, поскольку в качестве подложек этих микросхем широко применяются керамические и другие материалы с высокой относительной диэлектрической проницаемостью ег> длина волны в диэлектрической среде уменьшается:

Формула дает тем лучшее приближение, чем меньше отношение эффективной ширины полоски к толщине подложки йэф/Л. Фазовые соотношения в линии определяются эквивалентной относительной диэлектрической проницаемостью еэ, которая учитывает распределение поля между диэлектриком подложки и свободным пространством:

В качестве материалов подложки используются керамика с высокой диэлектрической проницаемостью, кварц, сапфир, высокоомный кремний, полуйзолирую-щий арсенид галлия, ферриты и различные сочетания перечисленных материалов. Свойства материалов подложек СВЧ ИМС иллюстрирует табл. 7 [34]. Затухание в микрополосковых линиях значительно больше, чем в линиях других типов. Складывается оно из затухания, .вызванного потерями в металле полоски и основания линии, потерь в диэлектрике подложки и потерь на излучение. Преобладающее значение до частот порядка 10 ГГц имеют потери в проводниках линии:

прочностью и высокой диэлектрической проницаемостью. Конденсаторы такого типа могут иметь емкость от десятых долей до десятков тысяч пикофарад. Площади пленочных конденсаторов от 10~3 до 1 см2.

известными свойствами. Емкость измерительного конденсатора определяется относительной диэлектрической проницаемостью контролируемого вещества. Измерительный и эталонный конденсаторы включают по дифференциальной схеме. При этом методе измерения на измерительный прибор (миллиамперметр) воздействует разность усиленных операционным усилителем напряжений, снимаемых с измерительного и эталонного конденсаторов. Показания миллиамперметра будут пропорциональны разности модулей комплексных сопротивлений измерительного и эталонного конденсаторов.

териал площадки вплавляется, в результате чего образуются омический контакт с базой 8, р-область эмиттера 10 и контакт эмиттера 9. Активные области транзистора и выводы базы покрывают защитным изоляционным материалом 12 ( 7.2, г). Незащищен-' ную поверхность стравливают на глубину, большую толщины базы. Затем выход коллекторного перехода на поверхность кристалла покрывают диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью. В результате активные области образуют выступ на поверхности полупроводникового кристалла. С нижней стороны в пластинку вплавляют золотую фольгу, создающую омический контакт с коллекторной областью. Теплоотвод от коллектора осуществляется на большой площади контакта коллектора с выводами. Граничные частоты усиления по току мезатранзисторов составляют 500 МГц. Внешне конструкция мезатранзистора похожа на конструкцию сплавного типа, так как их корпуса унифицированы.

Замена в формулах электрической постоянной диэлектрической проницаемостью позволяет расчет электрического поля в диэлектрике вести так же, как в вакууме, т. е. не учитывая явления поляризации диэлектрика.

Диэлектрическую проницаемость испытуемого материала вычисляют, предварительно измерив емкость образца Ср в эквивалентной параллельной или Cs в эквивалентной последовательной схеме. Обычно находят е, — относительную диэлектрическую проницаемость (по отношению к электрической постоянной е„ =к 8,854 X Х10-12 Ф/м). В дальнейшем е для краткости будем именовать диэлектрической проницаемостью.

Для вычисления диэлектрической проницаемости к материала можно воспользоваться тем обстоятельством, что емкость конденсатора определяется его геометрическими размерами и диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Для плоского образца (см. 1-1) емкость Сх выражается следующим образом:

Произведение относительной диэлектрической проницаемости ef на электрическую постоянную е() называется абсолютной диэлектрической проницаемостью:

Зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля впервые была обнаружена у сегнетовой соли (NaKC4H4Oe -4H2O), в связи с чем диэлектрики, обладающие этим свойством, называют с е г н е -тоэлектриками1. Электрические свойства сегнето-электриков, подробно исследованные И. В. Курчатовым и др., в значительной степени подобны магнитным свойствам ферромагнитных веществ. Характер зависимости q (и) сег-нетоконденсатора аналогичен зависимости Ч*1 (г) для катушки с ферромагнитным сердечником.

Электрические характеристики. Бескорпусные ИМС имеют меньшие значения переходных сопротивлений, паразитных индуктивностей и емкостей, чем корпусные ИМС вследствие относительно массивных, но коротких проводников из материалов, имеющих минимальное удельное объемное сопротивление (медь, золото, алюминий). Кроме того, в качестве изоляторов между выводами используются материалы с небольшим значением относительной диэлектрической проницаемости —• полиимид (ег = 3,5), воздух (ЕГ = 1), в то время как для любого типа керамического корпуса применяется керамика из А12О3 (ег — 9-МО) или ВеО (ег = 6-т-7). В табл. 2.5 приведены сравнительные электрические характеристики различного вида корпусных и бескорпусных ИМС.

мости диэлектрического слоя и обратно пропорциональна его толщине. В порядке возрастания диэлектрической проницаемости наиболее распространенные изоляционные материалы интегральных конденсаторов располагаются так: SiO2, Si3N4, Al2O3, Ta2O5. Характеристики тонкопленочных конденсаторов приведены в табл. 4. Значительный разброс значений диэлектрической проницаемости диэлектриков объясняется как специфическими свойствами тонких пленок, физические свойства которых отличаются от свойств монолитных материалов, так и сложностью оценки толщины тонких диэлектрических "пленок, структура -которых* весьма неоднородна.

Развитие химии органических полимеров привело к появлению нового типа материалов — органических диэлектриков. После полимеризации они образуют плотную пленку без пустот и трещин. Большинство полимеров имеет удельное сопротивление не менее 1010 Ом • см, коэффициент диэлектрической проницаемости 2,5...6,0, достаточно высокую электрическую прочность (не менее 10е В/см).

Ферриты — это монолитные магнитные материалы, получаемые спеканием при высокой температуре смеси оксида железа с оксидами двухвалентных металлов. Ферриты относятся к полупроводникам; они характеризуются низкими значениями остаточной индукции и удельной проводимости и высокими значениями диэлектрической проницаемости. Для изготовления магнитопроводов применяют в основном магнитомягкие ферриты, имеющие малую коэрцитивную силу (марганец-цинковые и никель-цинковые ферриты).

Закрытый p-n-переход облагает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. При увеличении обратного напряжения ширина p-n-перехода возрастает и емкость С р-п-перехода уменьшается. Зависимость емкости закрытого p-n-перехода от обратного напряжения показана на 1.4.

Другим фактором, определяющим выбор метода измерения, является тип электрической или магнитной измеряемой величины. Метод анализа состава веществ, основанный на измерении удельной электрической проводимости а, называют кондуктометриче-ским, а соответствующие электронные устройства — кондуктометрами. Метод анализа состава веществ, основанный на измерении относительной диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь, называют диэлькометрией, а соответствующие электронные устройства — диэлькометрами.

В качестве примера рассмотрим схему электронного устройства для измерения относительной диэлектрической проницаемости.

11.5. Схема электронного устройства для измерения относительной диэлектрической проницаемости

Величина еа, характеризующая свойства диэлектрика, получила название абсолютной диэлектрической проницаемости.