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 .

1. 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.