По каким свойствам твердые тела делятся на диэлектрики

Основные характеристики диэлектриков

Из всего многообразия физических свойств важнейшими, характеризующими вещество как диэлектрик, являются электрические свойства. К ним относятся поляризация, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, поляризуемость диэлектрика. В основе классификации диэлектрических веществ лежат их наиболее важные для практики свойства и связанные с ними функциональные назначения. Среди этих веществ выделяют, например, пьезо- и сегнетоэлектри- ки, пироэлектрики, электреты [25, 73].

Долгие годы диэлектрические твердые тела применялись в основном как изоляторы, поэтому наибольшее практическое значение имели их малые электропроводности и диэлектрические потери, высокая электрическая прочность. Такие вещества называют пассивными диэлектриками. Они и по сей день используются в силовой энергетике в качестве массивных изоляторов, а также в виде изоляционных тонких слоев и пленок в слаботочной и твердотельной электронике.

Большое количество диэлектрических соединений, кроме высокого электросопротивления, обладают еще и другими весьма полезными свойствами. С их помощью осуществляют преобразование механической и тепловой энергии в электрическую (пьезоэлектрики и пироэлектрики), многие из них обладают очень важными оптическими свойствами (сегнетоэлектрики) и т. д. Ряд диэлектриков находит применение в квантовой электронике, в частности в оптоэлектрони- ке для создания активных элементов лазеров, голографических устройствах, в инфракрасной технике. Эту разнообразную массу диэлектрических материалов составляют активные диэлектрики.

В ряде случаев диэлектрические соединения одного и того же химического состава в зависимости от фазового состояния обладают свойствами и пассивных, и активных диэлектриков. Характерным примером такого материала является диоксид кремния (SiCb). Одна из его полиморфных модификаций — кварц, широко применяется как пьезо- и сегнетоэлектрик, тогда как другая — аморфный Q-SiOa — важнейший пассивный диэлектрик (изолятор) в полупроводниковой электронике [42, 43].

Диэлектрики (от греческого 8ш — «через, сквозь» и английского electric — «электрический») — это вещества, через которые проникает электрическое поле. Обычно диэлектрики построены из молекул, в которых имеются в равных количествах положительные и отрицательные заряды, или из ионов, которые не могут свободно перемещаться внутри диэлектрика. В материале, содержащем в большом количестве свободные носители заряда (в проводнике), приложение электрического поля Е вызывает перемещение зарядов и установление такого их пространственного распределения, что поле внутри проводника компенсирует внешнее электрическое паче. В отсутствие свободных носителей или при их очень малой концентрации, что имеет место в диэлектриках, возможна лишь частичная компенсация поля, обусловленная малыми смещениями связанных зарядов. К ди- электрикам относят материалы с удельным сопротивлением (108 -г ДО17) Ом ? см.

Рассмотрим одну из важных характеристик диэлектриков — их электропроводность (проводимость). В реальных диэлектриках всегда имеется некоторое количество свободных носителей заряда, но их концентрация исключительно мала. В то же время при наличии в диэлектрике примесных атомов свободные носители заряда могут появиться за счет тепловой генерации. Поэтому при нормальных и низких температурах проводимость в диэлектриках является примесной. Если примесь имеет донорный характер, то основными носителями заряда будут электроны, а неосновными — дырки. Такой диэлектрик по аналогии с полупроводниками называют электронным, или диэлектриком тг-типа. Если же примесь акцепторная, то основными носителями заряда будут дырки. В этом случае диэлектрик называют дырочным, или р-типа. Как уже было сказано выше, концентрация .электронов и дырок в диэлектриках незначительна, поэтому и мала их электропроводность. Для различных веществ она колеблется в пределах 10-10 -г-10-22 (Ом • см)-1. Кроме тепловой генерации, возможна генерация под действием облучения светом, быстрыми частицами или под действием сильных полей.

Для диэлектриков собственную проводимость о можно представить в виде электронной и дырочной составляющих:

где е — заряд электрона, п и р — концентрация электронов и дырок соответственно, а //„ и /iv — величины, называемые подвижностью носителей заряда. В случае примесной проводимости вклад в электропроводность дает только один сорт носителей.

Зависимость проводимости от температуры в диэлектриках достаточно хорошо описывается выражением

где (т0 — проводимость при абсолютном нуле температур, ДЕ — энергия активации, которая имеет смысл энергетического барьера, который необходимо преодолеть носителю заряда для перехода из связанного в свободное состояние.

Экспоненциальная зависимость проводимости от температуры (8.2) является следствием того, что концентрация свободных носителей в диэлектрике изменяется с температурой тоже по экспоненциальному закону.

Соотношение (8.1) справедливо не только для диэлектриков, оно описывает электропроводность и в полупроводниках. Однако подвижность электронов и дырок в диэлектриках в сотни и даже тысячи раз ниже, чем в полупроводниках. Фактически это означает, что свободные носители находятся в диэлектрике в частично связанном с кристаллической решеткой состоянии. За счет тепловых флуктуаций свободные носители перемещаются в диэлектрике «прыжками» из одного положения в другое. Если к диэлектрику приложено электрическое поле, то такие прыжки приобретают направленный характер, т.е. возникает прыжковая проводимость.

Если к диэлектрику приложено слабое электрическое поле, то оно не может сколько-нибудь значительно изменить ни концентрацию, ни подвижность носителей заряда. В этом случае значения величин п, р, рп и рр остаются весьма низкими и вклад электронной проводимости очень незначителен. В сильных электрических полях энергии поля может быть достаточно для освобождения падем алектронов (или дырок) из связанного состояния, т. е. подвижность свободных носителей заряда увеличивается.

В некоторых диэлектриках возможен еще один механизм проводимости — ионный. Ток здесь переносится положительными или отрицательными ионами. При этом происходит не только перенос зарядов, но и перенос вещества. Вещества с таким видом проводимости мы уже рассматривали в параграфе, озаглавленном «Твердые алектролиты».

Кроме проводимости, которая, как было показано, в балыпинстве диэлектриков в нормальном состоянии является весьма низкой величиной, имеются другие не менее важные характеристики. Рассмотрим их подробнее.

Опыты Фарадея показали, что емкость конденсатора С зависит от вида диэлектрика, помещенного между его обкладками. Оказалось, что при запалнении пространства между обкладками конденсатора диэлектриком его емкость возрастает в г раз. Значение величины г, которую называют диэлектрической проницаемостью (относительная диэлектрическая проницаемость), зависит только от свойств диэлектрика и показывает, во сколько раз пале в диалектрике меньше, чем в вакууме.

Рис. 8.1. Плоский конденсатор, заполненный диэлектриком

Емкость конденсатора связана с зарядом Q на его обкладках и разностью потенциалов U между ними известным соотношением С = Q/U. Если заряд не меняется (Q = const), а емкость увеличивается, значит, снижается разность потенциалов U. Следовательно, электрическое поле внутри конденсатора становится меньше. Этот факт можно объяснить, допустив, что на поверхности диалектрика индуцируются заряды, противоположные по знаку тем, которые имеются на обкладках конденсатора. Они нейтрализуют часть полного заряда на обкладках, что и уменьшает напряженность поля в диалектрике по сравнению с вакуумом (рис. 8.1). Частицы, составляющие диэлектрик, превращаются в диполи, т.е. частицы, положения центров тяжести паложительных и отрицательных зарядов в которых не совпадают. Во внешнем электрическом поле паложительные поносы диполей сдвигаются в направлении поля, а отрицательные — против него.

Вследствие этого в диэлектрике, помещенном в алектрическое поле, возникает дипольный момент, что является признаком поляризации. Вектор суммарного дипольного момента единицы объема диэлектрика называется вектором поляризации Р. Если р , —элементарные электрические моменты отдельных частиц, возникающие в диэлектрике под действием поля, и Лг — количество диполей, приходящихся на единицу объема (объемная плотность диполей), то суммарный вектор поляризации в общем случае будет

Коэффициент пропорциональности между вектором поляризации Р и внешним электрическим полем Е обозначается а и называется поляризуемостью диэлектрика. Если смещение зарядов происходит строго по полю, что может иметь место только в изотропных диэлектриках, и это смещение составляет величину х, то можно перейти к скалярному виду уравнения (8.3), тогда величина поляризации выражается соотношением

Связь между вектором поляризации, векторами напряженности электриче-

) )

ского паяя в вакууме Е ив диэлектрике Г) (вектор электрической индукции) в системе единиц СИ имеет вид

Здесь величина ?о, равная 8,85 • 10-12 Ф/м, есть диэлектрическая проницаемость вакуума, или электрическая постоянная, г — относительная диэлектрическая проницаемость. Это безразмерная величина, характеризующая свойства изолирующей среды. Она показывает, во сколько раз взаимодействие между зарядами в однородной среде меньше, чем в вакууме. Для большинства диэлектриков их диэлектрическая проницаемость в слабых и умеренных полях (если пале не балы ше 106 В/м) — величина постоянная, независящая от напряженности поля. Тогда из равенств (8.5) следует, что вектор по.ляризации можно представить как

Величина ? — 1 = у является еще одной характеристикой диэлектрика и называется относительной диэлектрической восприимчивостью.

) ) >

В изотропных диэлектриках векторы Р. D и Е имеют одно и то же направление, так что у и ? — простые числа. В случае, когда кристалл диэлектрика проявляет анизотропию свойств, диэлектрическая проницаемость и восприимчивость зависят от направления в кристалле и выражаются в виде тензоров второго ранга ?,7′ П, = SijEj, где i.j = 1,2,3.

Совершенно очевидно, что макроскопические свойства диалектриков напрямую связаны с их микроскопической структурой и процессами, вызывающими ее изменение при наложении внешнего алектрического поля.

Поляризация отдельных атомов и молекул в электрическом поле может быть обусловлена тремя причинами.

1. Электрическое поле может вызывать относительное смещение положительного и отрицательного зарядов в атоме, приводя к возникновению дипольного момента у атома, т. е. к электронной поляризации.

• 2. Положительно и отрицательно заряженные ионы могут под действием паяя также испытывать смещение, обуславливая ионную поляризацию.
• 3. Постоянные диполи (т. е. диполи, существующие в диэлектрике и в отсутствие внешнего поля) могут ориентироваться в направлении паяя, вызывая так называемую дипольную поляризацию.

Иногда выделяют еще один вид поляризации, присущий определенному классу диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками. В таких материалах в ограниченном температурном интервале, соответствующем устойчивому состоянию определенной кристаллической структуры, поляризация существует даже в отсутствие электрического поля. Такую поляризацию называют спонтанной.

Кроме того, для полной характеристики процессов паяяризации необходимо учитывать не таяько природу частиц, подвергающихся действию аяектриче- ского поля, но и особенности сил связи между этими частицами. Если силы, препятствующие перечисленным процессам, носят квазиупругий характер, то речь идет об упругой поляризации. Если же ионы или диполи при смещении в электрическом поле преодолевают потенциальные барьеры, то в процессе паяяризации происходит превращение части энергии внешнего электрического паяя во внутреннюю энергию, и такую поляризацию называют релаксационной, или тепловой.

На явлениях, связанных с диэлектрической проницаемостью и паяяризаци- ей вообще, основаны многообразные виды испаяьзования диэлектриков. Так, сильная зависимость диэлектрической проницаемости ? от напряженности электрического паяя используется для создания нелинейных конденсаторов (варикон- дов). Взаимосвязь электронной поляризации и упругой деформации применяется в пьезотехнике и акустдалектроникс. Влияние диэлектрической проницаемости на показатель преломления электромагнитных ваян (п = fe) используется в электрооптических приборах. Диапазон значений диэлектрической проницаемости и преобладающий тип паяяризации для некоторых диэлектриков приведены в табл. 8.1 [48].

Таблица 8.1. Значения диэлектрической проницаемости и преобладающий тип поляри

зации для некоторых диэлектриков