eng
Выпуск #6/2001
Б.Ротенберг, М.Листошина, Л.Светлова, С.Тесленко.
Управляемый сегнетокерамический высоковольтный конденсатор
Управляемый сегнетокерамический высоковольтный конденсатор
Просмотры: 3852
Многие задачи современной электроники удобно решать с помощью нелинейных емкостных элементов, управляемых электрическим полем. В качестве таких элементов могут применяться сегнетокерамические конденсаторы, емкость которых изменяется под действием как переменного, так и постоянного электрического поля (без потребления тока). Достоинства таких конденсаторов – возможность плавного изменения параметров, малые энергозатраты, стойкость к повышенным уровням сигнала, высокое быстродействие, относительно низкая стоимость. Особый интерес для специальной аппаратуры, работающей в диапазоне частот 60–100 МГц, представляет управляемый высоковольтный конденсатор, eмкость которого при подаче постоянного напряжения до 20 кВ изменяется не менее чем в два раза.
Всем сегнетоэлектрикам свойственна нелинейность диэлектрической проницаемости, т.е. ее зависимость от приложенного напряжения, что и позволяет изготавливать на их основе управляемые электрическим полем нелинейные емкостные элементы [1,2]. Для сегнетоэлектрического конденсатора, емкость которого регулируется за счет изменения напряженности приложенного постоянного электрического поля, помимо обычных для всех конденсаторов параметров (емкости, диэлектрических потерь, электрической прочности и др.), важное значение имеет коэффициент управляемости К – отношение емкости конденсатора при нулевой напряженности поля С0 к емкости СЕ при заданной напряженности постоянного смещающего поля (Е=)ном, или К = С0/СЕ.
Эффективность работы нелинейного конденсатора как управляющего элемента определяет отношение коэффициента управляемости К к диэлектрическим потерям tgd:
...
где tgd0 и tgdE – тангенс угла потерь при Е==0 и Е= = (Е=)ном, соответственно [3]. Таким образом, диэлектрические потери конденсатора в радиочастотном диапазоне 60–100 МГц должны быть как можно меньше, а коэффициент управляемости – достаточно высоким (Kіі2 при E==2 кВ/мм). Опыт [3,4] показывает, что конденсатор как управляющий элемент в указанном диапазоне частот эффективен при М>5000.
Задача достижения такой эффективности и стояла при разработке управляемого сегнетоэлектрического конденсатора, рассчитанного на работу в указанном выше диапазоне радиочастот. Основная проблема заключалась в том, что применяемые в промышленности сегнетокерамические материалы имеют высокие диэлектрические потери, так как при рабочих температурах конденсатора в них преобладает сегнетоэлектрическая фаза. Следовательно, в конденсаторе необходимо было использовать сегнетоэлектрик, сохраняющий в области рабочих температур параэлектрическую фазу и обладающий к тому же достаточной нелинейностью характеристик.
Такие свойства присущи керамике на основе твердых растворов титаната бария с несегнетоэлектрической компонентой. Из многочисленных твердых растворов BaTiO3 с точкой Кюри ниже комнатной температуры необходимо было выбрать такие, у которых степень размытия фазового перехода в сегнетоэлектрическое состояние минимальна. Это обусловлено присущей всем сегнетоэлектрикам с размытым фазовым переходом релаксационной поляризацией. В результате при определенной температуре наблюдается максимум tgd, который с ростом рабочей частоты конденсатора сдвигается в область более высоких температур, что может привести к увеличению диэлектрических потерь в заданном радиочастотном диапазоне.
Наименее размытым фазовым переходом среди твердых растворов титаната бария отличаются системы состава (Ba,Sr)TiO3. Они и были выбраны в качестве основы диэлектрика. Окончательно составы диэлектрика отрабатывались в системе (Ba1-xSrx)TiO3—CaTiO3—MgO при температурах точки Кюри (+10...-10)°С с использованием технических материалов и титаната бария, полученного алкоксидным методом [4,5]. Суть этого метода заключается в приготовлении в органическом растворителе смешанных сложных растворов, содержащих все элементы будущих оксидных соединений в необходимой пропорции, последующем гидролизе растворов и термообработке продуктов гидролиза. Полученные алкоксидным методом порошки характеризуются высокой дисперсностью, степень которой определяет температура термообработки. Исследования зависимости диэлектрической проницаемости от температуры показали, что наибольший интерес для ВЧ-конденсаторов (рис.1) представляют материалы приведенной выше системы (при х=0,28...0,30) с eі3000 и tgdЈ0,005 на 60 МГц (при использовании технического сырья) и eі3000 и tgdЈ0,006 на 60 МГц (при использовании алкоксидного сырья). Степень размытия фазового перехода для таких материалов DTe/2 » 65°C.
Зависимость коэффициента управляемости K и tgd опытных образцов диэлектрика (диски толщиной 1 мм и диаметром 10 мм) от величины напряженности постоянного смещающего поля показывает рост диэлектрических потерь с увеличением напряженности поля (рис.2а). Однако при изготовлении конденсаторных заготовок (стержни диаметром 10 мм и высотой 10 мм) с соблюдением технологических режимов, обеспечивающих необходимую микроструктуру керамики, эта зависимость переходит в падающую (рис.2б).
Если снижение диэлектрической проницаемости (рост K) с увеличением напряженности постоянного электрического поля – эффект ожидаемый, то расхождение полевых зависимостей tgd требует объяснения. Увеличение диэлектрических потерь на частоте 60 МГц с ростом напряженности постоянного поля для образцов керамики (Ba,Sr)TiO3 в параэлектрической фазе отмечалось и раньше [6]. Причем на частотах 103 и 106 Гц полевой зависимости не наблюдалось. Анализ полевой зависимости tgd с учетом размеров зерен керамики рассмотренной выше системы показал, что с увеличением размеров зерна характер зависимости при определенной температуре изменяется с падающего на возрастающий (рис.3) [7].
Объяснение полевых зависимостей tgd следует искать во внутренних потерях, присущих материалу как параэлектрику. Считается, что смещающее электрическое поле влечет за собой появление наведенного пьезоэффекта, приводящего к преобразованию энергии переменного электромагнитного поля в гиперзвук [8,9]. Подобное преобразование эффективно лишь в случае, когда размеры образцов сопоставимы с акустической длиной волны, т.е. на частоте собственного резонанса. Для пленок BaTiO3 толщиной 1 мкм при частотной постоянной толщинных пьезоколебаний
k = fRЧL=250 кГцЧсм (L – размер, определяющий резонансную частоту моды колебаний) резонансная частота составляет 2,5Ч109 Гц, что по порядку величины соответствует частоте, на которой наблюдается максимум tgd. При работе конденсаторов на частоте 60 МГц определяющий резонансную частоту характеристический размер образцов или отдельных заряженных образований в них должен составлять Lx = 250/fR = 43 мкм. Поэтому при воздействии постоянного поля на образцы с кристаллитами такого размера возможно увеличение диэлектрических потерь за счет акустического механизма.
При больших толщинах материала могут возникнуть колебания самих образцов на относительно более низких резонансных частотах. Например, при толщине образца 1 см резонансная частота его колебаний равна 250 кГц. На рабочей частоте 60 МГц акустический механизм потерь не возникает, и tgd снижается вследствие подавления постоянным полем колебаний границ остаточных доменов. При толщине 1 мм резонансная частота колебаний опытных образцов – 2,5 МГц, что с учетом высших гармоник сравнимо с диапазоном рабочих частот, и потери с увеличением напряженности поля будут расти. Таким образом, полевая зависимость tgd определяется, с одной стороны, величиной зерна керамики, а с другой – толщиной образца. Вот почему она может иметь как возрастающий, так и падающий характер.
Конструктивно конденсатор выполнен на основе стержня диаметром и толщиной 10 мм без влагозащитного покрытия, поскольку он предназначен для работы в электроизолирующей жидкости. Характеристики конденсаторов приведены в таблице.
Технология изготовления конденсаторов принципиально не отличается от принятой в промышленности. Однако, чтобы получить падающую полевую зависимость диэлектрических потерь, все технологические режимы должны быть оптимизированы во избежание возникновения крупнозернистой структуры черепка керамики.
Литература
1. Вербицкая Т.Н. Титанат бария. – М.: Наука, 1973, с.171–179.
2. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ/ Под ред. О.Г.Вендика.– М.: Сов. радио, 1979.– 271 с.
3. Вендик О.Г., Мироненко И.Г., Тер-Мартиросян Л.Т. – Изв. АН СССР. Сер. Физика, 1987, т.51, №10, с.1748–1752.
4. Ротенберг Б.А. Керамические конденсаторные диэлектрики. – Санкт-Петербург: Гириконд, 2000.– 246 с.
5. Голубко Н.В., Яновская М.И., Голубко Л.А. и др. – Известия РАН. Сер. Неорг. матер., 1999, т.35, №4, с.475–481.
6. Ротенберг Б.А., Листошина М.Б., Тесленко С.П., Файнгольд Р.Г. – Международная научно-техническая конференция по физике диэлектриков "Диэлектрики 97": Тез. докладов. Т.2.– Санкт-Петербург, 1997, с.176–177.
7. Jih Wei Liou, Bi-Shiou Chiou.– Jpn. Journ. Appl. Phys., 1997, v.36, p.1, №7A, p.4359.
8. Вендик О.Г., Дедык А.И. и др. – ФТТ, 1980, т.22, с.1692.
9. Гольцман Б.М., Дедык А.И., Леманов В.В. и др. – ФТТ, 1997, т.38, с.2493.
Представляем авторов статьи
Ротенберг Борис Абович. Доктор технических наук, профессор. Лауреат государственной премии СССР. Окончил Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина), специальность – физика диэлектриков и полупроводников. Начальник лаборатории НИИ "Гириконд".
Листошина Марина Божидаровна. Окончила Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина, специальность – диэлектрики и полупроводники. Инженер I категории НИИ "Гириконд".
Светлова Лидия Васильевна. Окончила Ленинградский технологический институт им. Ленсовета, специальность – технология стекла. Ведущий инженер НИИ "Гириконд".
Тесленко Сергей Петрович. Окончил Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина, специальность – экспериментальная ядерная физика. Старший научный сотрудник НИИ "Гириконд".
Контактный телефон (812) 552 0473, (812) 552 2450
Пластмассовые ИС
Еще одна подвижка
День, когда можно будет "скатать" свой компьютер и положить его в карман вместе с носовым платком, все приближается. Новый шаг в этом направлении сделали ученые IBM, вырастившие тонкие пленки "пластмассового" материала – пентасена – с кристаллическими зернами, в 20–100 раз превосходящими по своим размерам зерна ранее выращенных полимерных пленок. При этом по электрическим характеристикам полученные пленки оказались пригодными для построения электронных приборов.
Для выращивания и обработки неорганических материалов сегодня успешно применяются результаты, достигнутые в области материаловедения. Но до сих пор специалисты не могут использовать классические теории зародышеобразования и роста для объяснения свойств органических субстанций. Ученые IBM увязали процессы, происходящие в органических материалах, с данными исследований неорганических материалов. Это и позволило с помощью "дружественной" техники вырастить кристаллы размером в несколько десятков миллиметров. Конечно, это еще очень небольшие кристаллы, но их площадь достаточна для изготовления не только транзисторов, но и простейших ИС. Сегодня существуют и другие способы получения монокристаллов полимеров достаточно больших размеров. Так, специалисты Bell Labs сумели в результате пятилетних исследований получить достаточно большие зерна с хорошими электрическими характеристиками. Но разработанный метод выращивания совершенно несовместим с процессом химического осаждения из паровой фазы, широко применяемым в микроэлектронике.
Своим успехом ученые IBM во многом обязаны обнаружению эффекта прилипания молекул пентасена к дефектам поверхности кремниевой подложки, на которой выращивается пленка, что ведет к неупорядоченному росту зерен слишком малых размеров для изготовления активных приборов. Этот эффект удалось выявить на высококачественных снимках молекул пентасена на ранних этапах роста, полученных с помощью фотоэлектронной эмиссионной микроскопии.
Для обеспечения роста достаточно больших зерен был применен "молекулярный буфер" – пленка молекул циклохексена, наносимая на кремниевую подложку и закрывающая "липкие" области поверхности.
Работа ученых IBM имеет важное значение и для развития молекулярной электроники.
Semiconductor International, 2001, Sept
Эффективность работы нелинейного конденсатора как управляющего элемента определяет отношение коэффициента управляемости К к диэлектрическим потерям tgd:
...
где tgd0 и tgdE – тангенс угла потерь при Е==0 и Е= = (Е=)ном, соответственно [3]. Таким образом, диэлектрические потери конденсатора в радиочастотном диапазоне 60–100 МГц должны быть как можно меньше, а коэффициент управляемости – достаточно высоким (Kіі2 при E==2 кВ/мм). Опыт [3,4] показывает, что конденсатор как управляющий элемент в указанном диапазоне частот эффективен при М>5000.
Задача достижения такой эффективности и стояла при разработке управляемого сегнетоэлектрического конденсатора, рассчитанного на работу в указанном выше диапазоне радиочастот. Основная проблема заключалась в том, что применяемые в промышленности сегнетокерамические материалы имеют высокие диэлектрические потери, так как при рабочих температурах конденсатора в них преобладает сегнетоэлектрическая фаза. Следовательно, в конденсаторе необходимо было использовать сегнетоэлектрик, сохраняющий в области рабочих температур параэлектрическую фазу и обладающий к тому же достаточной нелинейностью характеристик.
Такие свойства присущи керамике на основе твердых растворов титаната бария с несегнетоэлектрической компонентой. Из многочисленных твердых растворов BaTiO3 с точкой Кюри ниже комнатной температуры необходимо было выбрать такие, у которых степень размытия фазового перехода в сегнетоэлектрическое состояние минимальна. Это обусловлено присущей всем сегнетоэлектрикам с размытым фазовым переходом релаксационной поляризацией. В результате при определенной температуре наблюдается максимум tgd, который с ростом рабочей частоты конденсатора сдвигается в область более высоких температур, что может привести к увеличению диэлектрических потерь в заданном радиочастотном диапазоне.
Наименее размытым фазовым переходом среди твердых растворов титаната бария отличаются системы состава (Ba,Sr)TiO3. Они и были выбраны в качестве основы диэлектрика. Окончательно составы диэлектрика отрабатывались в системе (Ba1-xSrx)TiO3—CaTiO3—MgO при температурах точки Кюри (+10...-10)°С с использованием технических материалов и титаната бария, полученного алкоксидным методом [4,5]. Суть этого метода заключается в приготовлении в органическом растворителе смешанных сложных растворов, содержащих все элементы будущих оксидных соединений в необходимой пропорции, последующем гидролизе растворов и термообработке продуктов гидролиза. Полученные алкоксидным методом порошки характеризуются высокой дисперсностью, степень которой определяет температура термообработки. Исследования зависимости диэлектрической проницаемости от температуры показали, что наибольший интерес для ВЧ-конденсаторов (рис.1) представляют материалы приведенной выше системы (при х=0,28...0,30) с eі3000 и tgdЈ0,005 на 60 МГц (при использовании технического сырья) и eі3000 и tgdЈ0,006 на 60 МГц (при использовании алкоксидного сырья). Степень размытия фазового перехода для таких материалов DTe/2 » 65°C.
Зависимость коэффициента управляемости K и tgd опытных образцов диэлектрика (диски толщиной 1 мм и диаметром 10 мм) от величины напряженности постоянного смещающего поля показывает рост диэлектрических потерь с увеличением напряженности поля (рис.2а). Однако при изготовлении конденсаторных заготовок (стержни диаметром 10 мм и высотой 10 мм) с соблюдением технологических режимов, обеспечивающих необходимую микроструктуру керамики, эта зависимость переходит в падающую (рис.2б).
Если снижение диэлектрической проницаемости (рост K) с увеличением напряженности постоянного электрического поля – эффект ожидаемый, то расхождение полевых зависимостей tgd требует объяснения. Увеличение диэлектрических потерь на частоте 60 МГц с ростом напряженности постоянного поля для образцов керамики (Ba,Sr)TiO3 в параэлектрической фазе отмечалось и раньше [6]. Причем на частотах 103 и 106 Гц полевой зависимости не наблюдалось. Анализ полевой зависимости tgd с учетом размеров зерен керамики рассмотренной выше системы показал, что с увеличением размеров зерна характер зависимости при определенной температуре изменяется с падающего на возрастающий (рис.3) [7].
Объяснение полевых зависимостей tgd следует искать во внутренних потерях, присущих материалу как параэлектрику. Считается, что смещающее электрическое поле влечет за собой появление наведенного пьезоэффекта, приводящего к преобразованию энергии переменного электромагнитного поля в гиперзвук [8,9]. Подобное преобразование эффективно лишь в случае, когда размеры образцов сопоставимы с акустической длиной волны, т.е. на частоте собственного резонанса. Для пленок BaTiO3 толщиной 1 мкм при частотной постоянной толщинных пьезоколебаний
k = fRЧL=250 кГцЧсм (L – размер, определяющий резонансную частоту моды колебаний) резонансная частота составляет 2,5Ч109 Гц, что по порядку величины соответствует частоте, на которой наблюдается максимум tgd. При работе конденсаторов на частоте 60 МГц определяющий резонансную частоту характеристический размер образцов или отдельных заряженных образований в них должен составлять Lx = 250/fR = 43 мкм. Поэтому при воздействии постоянного поля на образцы с кристаллитами такого размера возможно увеличение диэлектрических потерь за счет акустического механизма.
При больших толщинах материала могут возникнуть колебания самих образцов на относительно более низких резонансных частотах. Например, при толщине образца 1 см резонансная частота его колебаний равна 250 кГц. На рабочей частоте 60 МГц акустический механизм потерь не возникает, и tgd снижается вследствие подавления постоянным полем колебаний границ остаточных доменов. При толщине 1 мм резонансная частота колебаний опытных образцов – 2,5 МГц, что с учетом высших гармоник сравнимо с диапазоном рабочих частот, и потери с увеличением напряженности поля будут расти. Таким образом, полевая зависимость tgd определяется, с одной стороны, величиной зерна керамики, а с другой – толщиной образца. Вот почему она может иметь как возрастающий, так и падающий характер.
Конструктивно конденсатор выполнен на основе стержня диаметром и толщиной 10 мм без влагозащитного покрытия, поскольку он предназначен для работы в электроизолирующей жидкости. Характеристики конденсаторов приведены в таблице.
Технология изготовления конденсаторов принципиально не отличается от принятой в промышленности. Однако, чтобы получить падающую полевую зависимость диэлектрических потерь, все технологические режимы должны быть оптимизированы во избежание возникновения крупнозернистой структуры черепка керамики.
Литература
1. Вербицкая Т.Н. Титанат бария. – М.: Наука, 1973, с.171–179.
2. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ/ Под ред. О.Г.Вендика.– М.: Сов. радио, 1979.– 271 с.
3. Вендик О.Г., Мироненко И.Г., Тер-Мартиросян Л.Т. – Изв. АН СССР. Сер. Физика, 1987, т.51, №10, с.1748–1752.
4. Ротенберг Б.А. Керамические конденсаторные диэлектрики. – Санкт-Петербург: Гириконд, 2000.– 246 с.
5. Голубко Н.В., Яновская М.И., Голубко Л.А. и др. – Известия РАН. Сер. Неорг. матер., 1999, т.35, №4, с.475–481.
6. Ротенберг Б.А., Листошина М.Б., Тесленко С.П., Файнгольд Р.Г. – Международная научно-техническая конференция по физике диэлектриков "Диэлектрики 97": Тез. докладов. Т.2.– Санкт-Петербург, 1997, с.176–177.
7. Jih Wei Liou, Bi-Shiou Chiou.– Jpn. Journ. Appl. Phys., 1997, v.36, p.1, №7A, p.4359.
8. Вендик О.Г., Дедык А.И. и др. – ФТТ, 1980, т.22, с.1692.
9. Гольцман Б.М., Дедык А.И., Леманов В.В. и др. – ФТТ, 1997, т.38, с.2493.
Представляем авторов статьи
Ротенберг Борис Абович. Доктор технических наук, профессор. Лауреат государственной премии СССР. Окончил Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина), специальность – физика диэлектриков и полупроводников. Начальник лаборатории НИИ "Гириконд".
Листошина Марина Божидаровна. Окончила Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина, специальность – диэлектрики и полупроводники. Инженер I категории НИИ "Гириконд".
Светлова Лидия Васильевна. Окончила Ленинградский технологический институт им. Ленсовета, специальность – технология стекла. Ведущий инженер НИИ "Гириконд".
Тесленко Сергей Петрович. Окончил Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина, специальность – экспериментальная ядерная физика. Старший научный сотрудник НИИ "Гириконд".
Контактный телефон (812) 552 0473, (812) 552 2450
Пластмассовые ИС
Еще одна подвижка
День, когда можно будет "скатать" свой компьютер и положить его в карман вместе с носовым платком, все приближается. Новый шаг в этом направлении сделали ученые IBM, вырастившие тонкие пленки "пластмассового" материала – пентасена – с кристаллическими зернами, в 20–100 раз превосходящими по своим размерам зерна ранее выращенных полимерных пленок. При этом по электрическим характеристикам полученные пленки оказались пригодными для построения электронных приборов.
Для выращивания и обработки неорганических материалов сегодня успешно применяются результаты, достигнутые в области материаловедения. Но до сих пор специалисты не могут использовать классические теории зародышеобразования и роста для объяснения свойств органических субстанций. Ученые IBM увязали процессы, происходящие в органических материалах, с данными исследований неорганических материалов. Это и позволило с помощью "дружественной" техники вырастить кристаллы размером в несколько десятков миллиметров. Конечно, это еще очень небольшие кристаллы, но их площадь достаточна для изготовления не только транзисторов, но и простейших ИС. Сегодня существуют и другие способы получения монокристаллов полимеров достаточно больших размеров. Так, специалисты Bell Labs сумели в результате пятилетних исследований получить достаточно большие зерна с хорошими электрическими характеристиками. Но разработанный метод выращивания совершенно несовместим с процессом химического осаждения из паровой фазы, широко применяемым в микроэлектронике.
Своим успехом ученые IBM во многом обязаны обнаружению эффекта прилипания молекул пентасена к дефектам поверхности кремниевой подложки, на которой выращивается пленка, что ведет к неупорядоченному росту зерен слишком малых размеров для изготовления активных приборов. Этот эффект удалось выявить на высококачественных снимках молекул пентасена на ранних этапах роста, полученных с помощью фотоэлектронной эмиссионной микроскопии.
Для обеспечения роста достаточно больших зерен был применен "молекулярный буфер" – пленка молекул циклохексена, наносимая на кремниевую подложку и закрывающая "липкие" области поверхности.
Работа ученых IBM имеет важное значение и для развития молекулярной электроники.
Semiconductor International, 2001, Sept
Отзывы читателей
