Теоретические сведения

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ПЛЕНОЧНОЙ СТРУКТУРЫ ТАНТАЛ-ПЯТИОКИСЬ ТАНТАЛА-МЕТАЛЛ В РАДИОЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ

Цель: изучение диэлектрических свойств структуры Ta-Ta₂O₅-металл в радиочастотном диапазоне.

Объект исследования: тонкопленочный материал на основе Ta-Ta₂O₅-металл.

Теоретические сведения

1.1. Основные понятия

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электри­ческом поле.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении, поскольку в технических материалах обнаруживается сквозной ток утечки, обусловленный электро­проводностью. При постоянном напряжении, когда нет периодичес­кой поляризации, качество материала характеризуется, как указыва­лось, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивле­ний.

При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем кроме сквозной электропроводности могут проявляться другие ме­ханизмы превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому качество материала недостаточно характеризовать только сопротив­лением изоляции.

В инженерной практике чаще всего для характеристики способнос­ти диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опе­режает вектор напряжения на угол 90°; при этом угол δ равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функ­ция tgδ.

Диэлектриче­ские потери в твердых диэлектриках зависят от структуры материалов. Различные твердые вещества имеют разный состав и строение; в них возможны все виды диэлектрических потерь.

1. Диэлектрические потери в веществах с молекулярной структурой зависят от вида молекул.

Диэлектрики, имеющие молекулярную структуру с неполярными, молекулами и не содержащие примесей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К таким диэлектрикам относятся сера, церезин, неполярные полимеры — полиэтилен, политетрафторэтилен,, полистирол и др. Указанные вещества в связи с их малыми потерями применяют в качестве высокочастотных диэлектриков.

Твердые диэлектрики, состоящие из полярных молекул, представляют собой главным образом органические вещества, широко исполь­зуемые в технике: полярные полимеры — эпоксидные компаунды, кремнийорганические и феноло-формальдегидные смолы, полиамиды (капрон и т. п.), полиэтилентерефталат (лавсан), гетинакс и др. Все они благодаря присущей им дипольно-релаксационной поляризации имеют большие потери, особенно при радиочастотах.

2. Диэлектрические потери в веществах с ионной структурой зависят от особенностей упаковки ионов в решетке.

В веществах с кристаллической структурой и плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность. К веществам данного типа относятся многочисленные кристаллические неорганические сое­динения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамики, например, корунд, входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко увеличива­ют диэлектрические потери.

К диэлектрикам, имеющим кристаллическую структуру с неплот­ной упаковкой ионов, относится ряд кристаллических веществ, харак­теризующихся релаксационной поляризацией, вызывающей повышен­ные диэлектрические потери. Многие из них входят в состав керами­ческих масс, изоляторного фарфора, огнеупорной керамики и т. д.

Диэлектрические потери в квазиаморфных веществах с ионной структурой — неорганических стеклах — отличаются некоторыми осо­бенностями. В стеклах за релаксацию ответственны слабосвязанные ионы, совершающие перескоки из одной ячейки пространственной структурной сетки в другую. Потенциальные барьеры, ограничиваю­щие движение слабосвязанных ионов, неодинаковы вследствие локаль­ных неоднородностей структуры стекла. Поэтому релаксационные по­тери в стеклах определяются широким набором времен релаксации, что приводит к расширению и некоторому сглаживанию максимумов в температурной и частотной зависимостях тангенса угла диэлектричес­ких потерь. Чем больше набор времени релаксации, тем меньше значение релаксационного максимума, так как уменьшается число релаксаторов каждого типа. Сглаженные максимумы релаксаци­онных потерь могут в значительной мере маскироваться потерями на электропроводность и не проявляться в явном виде.

При очень высоких частотах, приближающихся к частотам собст­венных колебаний ионов, в стеклах возможны также резонансные потери.

1.2. Диэлектрические свойства пятиокиси тантала

Пятиокись тантала (Ta₂O₅) в виде тонких пленок обладает чрезвычайно высокими изоляционными свойствами. В промышленности тонкие пленки пятиокиси тантала получают, главным образом, тремя способами: электрохимическим окислением тантала, катодным реактивным распылением тантала и плазменным окислением тантала.

Электрохимическое окисление заключается в том, что подложку с достаточно толстой пленкой очень чистого тантала погружают в подходящий электролит. Между танталовой пленкой и другим вспомогательным электродом прикладывается постоянное напряжение, так что пленка тантала является анодом. Толщина образовавшейся на тантале оксидной пленки зависит от величины приложенного напряжения и совершенно не зависит от природы электролита.

По второму способу танталовая мишень распыляется в смеси двух газов: инертного аргона и реактивного кислорода. В смеси газов создается тлеющий разряд, танталовая мишень является катодом и распыляется под ударами падающих на нее положительных ионов аргона. Вылетевшие из мишени атомы тантала окисляются в газовой смеси до пятиокиси тантала, которая осаждается на подложку.

Способ плазменного окисления во многом схож с первым способом. Окисление пленки тантала на подложке ведется в тлеющем разряде, образованном в смеси газов аргона и кислорода. Толщина образованной оксидной пленки зависит от многих факторов.

Лучшими изоляционными свойствами обладают пленки пятиокиси тантала, полученные электрохимическим окислением. Вот их параметры: относительная диэлектрическая проницаемость , тангенс угла диэлектрических потерь =0.003 в широком диапазоне частот, электрическая прочность E=10⁵-10⁶ В/см, в зависимости от толщины пленки.

Оксидные пленки на тантале обладают двумя существенными недостатками. Во первых, вследствие сравнительно высокого электрического сопротивления тантала диэлектрические потери пленочной структуры тантал-пятиокись тантала-металл быстро увеличиваются с ростом частоты приложенного напряжения. Во-вторых, фотолитография пленок тантала и особенно его оксидных пленок связана с определенными трудностями, причиной чего является высокая химическая пассивность указанных материалов.

В радиоэлектронике оксидные пленки на тантале применяют для изготовления танталовых конденсаторов различных типов: оксидно-полупроводниковых с твердым электролитом, бескорпусных и пленочных для гибридных интегральных схем. Все танталовые конденсаторы работают на частотах не выше 1 МГц.

1.3. Схемы замещения диэлектрических материалов

Идеальный диэлектрик, поляризованный переменным электрическим напряжением, пропускает сквозь себя переменный ток смещения. При этом сдвиг фаз между током и напряжением равен 90 град. Такой диэлектрик можно представить эквивалентной электрической схемой в виде конденсатора. В реальном диэлектрическом материале, помещенном в электрическое поле, всегда энергия электрического поля частично рассеивается в тепло. Это явление называется диэлектрическими потерями. Поэтому в схему замещения реального диэлектрика следует добавить резистор.

Существуют две простейшие схемы замещения диэлектрика: параллельная и последовательная (рис.1).

R

C R

C

Рис. 1. Параллельная и последовательная схемы замещения

Тангенс угла диэлектрических потерь может быть рассчитан по известным R и C для любой из приведенных схем по следующим формулам:

- для параллельной схемы; (1)

- для последовательной схемы. (2)

В этих формулах - угловая частота, а f - частота приложенного напряжения.

В соответствии с этими формулами график зависимости от f имеет вид гиперболы для параллельной схемы и прямой линии для последовательной (рис.2).

Схемы замещения используются в радиоизмерительной технике при измерениях емкости и диэлектрических потерь конденсаторных структур на радиочастотах. Если выбранная схема замещения адекватно отражает частотную характеристику потерь в структуре, то зависимость от частоты имеет точно такой же вид, как одна из приведенных на рис. 2 кривых, а измеренная емкость не зависит от частоты. В противном случае обнаруживается частотная зависимость емкости, которая, зависит от

f f

а б

Рис. 2. Частотная зависимость тангенса диэлектрических потерь для: параллельной – а и последовательной - б схем

выбранной схемы замещения. Частотная зависимость в этом случае отличается от приведенных выше. Однако во всех случаях зависимость от частоты является истинной, независимо от схемы замещения.

Процессы, протекающие в диэлектрических материалах во время поляризации последних, сложны и простейшие схемы замещения, как правило, их не отражают в полной мере.

1.4. Схема замещения для пленочной структуры Ta-Ta₂O₅-металл

График зависимости от частоты для комбинированной параллельно-последовательной схемы замещения показан на рис. 3, а сама схема изображена на рис. 4.

f

Рис. 3. Частотная характеристика для комбинированной схемы замещения

R1

R2

C

Рис. 4. Параллельно-последовательная схема замещения

График, представленный на рис. 4, можно объяснить следующим образом. С ростом частоты приложенного напряжения увеличивается проводимость конденсатора и напряжение перераспределяется на R2. Для адекватного отражения физических процессов в диэлектриках необходимо, чтобы соблюдалось условие R1>>R2. Поэтому диэлектрические потери определяются контуром C-R2, т.е линейно увеличивается с ростом частоты. В области низких частот вследствие высокого сопротивления C и R1 напряжение почти целиком падает в параллельном контуре и, следовательно, растет с уменьшением частоты.

Частотная характеристика, показанная на рис. 3, характерна для пленочных структур Ta-Ta₂O₅-металл. Физическое объяснение этого факта заключается в следующем. Резистор R1 в комбинированной схеме замещения отражает слабые места в оксидной пленке, сквозь которые течет слабый электрический ток, так называемый ток утечки. Резистор R2 является электрическим аналогом высокого сопротивления пленки тантала, на которой сформирован слой диэлектрика.

1.5. Расчетные формулы

Для комбинированной схемы замещения (рис.4) формула для тангенса угла диэлектрических потерь имеет вид:

(3)

При малых частотах из (3) получаем:

(4)

Если построить график зависимости от 1/ , то получится прямая с углом наклона , причем

(5)

Аналогично при устремлении к бесконечности

(6)

Прямая на графике зависимости от имеет угол наклона такой, что

(7)

Если продифференцировать (3) по , то для угловой частоты , соответствующей минимуму на рис. 3, можно получить выражение

(8)

Измерив зависимость от , построив графики от 1/ и от и использовав формулы (5) и (7), можно рассчитать R1•C и

R2 •C.

Формулу (8) можно использовать для проверки результатов. Однако, для того, чтобы вычислить по отдельности R1, R2 и C, необходимо также измерить зависимость емкости от частоты.

Дата добавления: 2015-11-14