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.