薄膜电导率测试原理与方法,【电路基础1】电阻 -爱游戏平台

苗坤旺离型膜

zfghbbgddfjjbvvfdfubvff3fjv

目录

一、初始电阻

1、基本原理

2、电阻的符号

二、分类及特性

1、按伏安特性分类

2、按材料分类

2.1、碳膜电阻

2.2、金属膜电阻

2.3、线绕电阻

2.4、贴片电阻

2.5、特殊电阻器

三、参数及选型

1、标称值

1.1、直标法

1.2、色标法

2、误差范围

3、额定功率

4、封装外形

一、初始电阻

1、基本原理

电阻器由电阻体、骨架和引出端三部分构成(实芯电阻器的电阻体与骨架合二为一),而决定阻值的只是电阻体。对于截面均匀的电阻体,电阻值为

????????????????

式1-1中ρ为电阻材料的电阻率(欧·厘米);l为电阻体的长度(厘米);a为电阻体的截面积(平方厘米)。

薄膜电阻体的厚度d很小,难于测准,且ρ又随厚度而变化,故把视为与薄膜材料有关的常数,称为膜电阻。实际上它就是正方形薄膜的阻值,故又称方阻(欧/方)。对于均匀薄膜

?式1-2中w为薄膜的宽度(厘米)。通常rs应在一有限范围内,rs太大会影响电阻器性能的稳定。因此圆柱形电阻体以刻槽方法,平面形电阻体用刻蚀迂回图形的方法来扩大其阻值范围,并进行阻值微调。

伏安特性是用图形曲线来表示电阻端部电压和电流的关系,当电压电流成比例时(特性为直线),称为线性电阻,否则称为非线性电阻。

参数与特性:表征电阻特性的主要参数有标称阻值及其允许偏差、额定功率、负荷特性、电阻温度系数等。

2、电阻的符号

电阻的电路符号是r,电位器是“rp”,即在r的后面再加一个说明它有调节功能的字符“p”。电阻的基本单位是欧姆,用希腊字母“ω”表示,常用单位还有千欧(kω),兆欧(mω),毫欧(mω)。

?图1-1 电阻的常用电气符号

二、分类及特性

1、按伏安特性分类

对大多数导体来说,在一定的温度下,其电阻几乎维持不变而为一定值,这类电阻称为线性电阻。有些材料的电阻明显地随着电流(或电压)而变化,其伏—安特性是一条曲线,这类电阻称为非线性电阻。非线性电阻在某一给定的电压(或电流)作用下,电压与电流的比值为在该工作点下的静态电阻,伏—安特性曲线上的斜率为动态电阻。表达非线性电阻特性的方式比较复杂,但这些非线性关系在电子电路中得到了广泛的应用。

2、按材料分类

电阻的类型较多,其外形、价格、性能差异较大,分别适用于不同的电路场合。在模拟和数字电路系统中使用较多的类型包括碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻、贴片电阻等。

2.1、碳膜电阻

碳膜电阻(carbon film resistor)采用高温真空镀膜技术,将碳在白色细陶瓷棒表面沉积从而形成导电膜,然后对导电膜进行螺旋状车削后形成螺旋槽,最后在其表面涂上草绿或土黄等颜色的环氧树脂绝缘涂层,碳膜电阻的内部结构如图2-2-02所示。

碳膜电阻一般采用4色环进行参数标注;误差环多为金色(±5%)、银色(±10%)与本色(±20%)三种。常用碳膜电阻的电阻值在0.1?~10m?范围内。

碳膜电阻价格低廉、长期工作稳定性好,是优先考虑成本因素、指标要求低、生产数量大的消费类电子产品(如小功率开关电源、玩具)的首选。其单位体积大、噪声大、温度系数高、精度偏低的特性,决定其不适用于低频模拟电路和低噪声电路。

图2-1 碳膜电阻

2.2、金属膜电阻

金属膜电阻(mctal film rocicton)是在空心陶瓷管的表面沉积一层合金膜,再将这层合金膜加工出沟槽而制成的。金属膜被加工出的沟槽越密,则电阻的等效长度l越大,横截面积s越小,由电阻值的计算公式r=p·l/s可知,电阻值也就越大。

金属膜电阻比碳膜电阻的单价略高,但温度系数低、精度较高、体积小,批量采购价低于0.01元/只,故应用极广。金属膜电阻的外皮主要为蓝色或蓝绿色两种,多用5色环标注参数。

?图2-2 金属膜电阻

碳膜电阻与金属膜电阻的外形接近,容易混淆,可通过电阻体底色、误差环颜色、膜色进行区分:用刀片刮开电阻表面的底漆观察时,碳膜电阻的膜为黑色,金属膜电阻的膜为白色。

2.3、线绕电阻

线绕电阻(wire wound resistor)是将镍铬合金丝、康铜丝、锰铜丝等电阻丝在瓷管表面绕制而成的。根据电阻值计算公式r=p·l/s可知,电阻丝绕制匝数越多,电阻体的等效长度l越大,则电阻值也就越大。为获得大电阻值的线绕电阻,可采用电阻率较大的电阻丝材料进行绕制。

线绕电阻与电感的生产工艺比较接近,因而存在明显的寄生电感(绕制匝数越多,寄生电感越大)和分布参数,不适用于高频电路。线绕电阻可用于大功率、高精度两种不同的工作场合。

1)、功率型线绕电阻

绕制功率型线绕电阻的合金丝较粗,能够承受的负荷额定功率一般在1w以上。功率型线绕电阻的电阻值范围为0.1?~100?,常见的精度包括±5%、±2%、±1%三种。

功率型线绕电阻的外壳多为白色的陶瓷或水泥材料,由于发热量较大,不建议靠近电路pcb表面安装。为增大散热面积。

提示:功率过大的线绕电阻需采用风冷或油冷的方式进行强制主动排热,避免电阻过热而损坏。

2)、精密型线绕电阻

精密型线绕电阻的精度可达±0.01%,温度系数小于10-6ppm/℃,由于承受功率较小,因此精密型线绕电阻常采用细电阻丝绕制,其电阻值上限可达m?数量级。

?图2-3 不同的线绕电阻

2.4、贴片电阻

贴片电阻(smd chip resistor)是将金属粉和玻璃釉粉均匀混合,用黏合剂调和成糊状,在陶瓷基体表面印制出电阻膜并经高温烧结,具有防潮、耐高温、温度系数小、生产成本低等优点。

贴片电阻采用无引脚封装,贴片电阻的外形如图所示,体积很小,在电子产品普遍追求“小、薄、轻",在对pcb尺寸及系统体积要求极高的条件中,贴片电阻已经开始全面取代小功率直插式电阻。

贴片电阻的种类较多,常见型号为0805(外形尺寸为0.08in×0.05in,lin=2.54cm)、0603。此外还有2510、2225、1812、1210、1206、0402、0201、01005等其他型号。数值越小,则占据的pcb表面积越小,在进行焊接与拆焊操作时的难度也越大。

在图中所示的贴片电阻中,“r047”表示电阻值为0.047q=47m?,“1502”表元电阻值为150×102=15k?,“103”表示电阻值为10×103=10k?。

?图2-4 不同阻值的贴片电阻

2.5、特殊电阻器

2.5.1、保险电阻

保险电阻:又叫熔断电阻器,在正常情况下起着电阻和保险丝的双重作用,当电路出现故障而使其功率超过额定功率时,它会像保险丝一样熔断使连接电路断开。保险丝电阻一般电阻值都小(0.33ω~10kω),功率也较小。保险丝电阻器常用型号有:rf10型、rf111-5保险丝电阻器的符号型、rrd0910型、rrd0911型等。

图2-5 保险管?

在保险管(也称熔断器)内部,用铅、锑、锡等低熔点合金制成的保险丝是一种特殊电阻。当工作电流不大时,内阻很低的保险丝对回路的影响微乎其微;当电流异常增大并超过额定电流时,保险丝产生的瞬时热量q=i2rt足够大而使其自身发生熔断,立即切断电源回路并实施保护。保险丝被封装在玻璃或陶瓷管壳内,既避免保险丝熔断时四处飞溅或拉出电弧,又便于损坏时能够快速更换。常见的保险管外形及电气符号如图所示。保险管的直径主要分为5×20mm与6×30mm两种规格,后者的熔断电流较大,一般在5a以上。为了便于更换,保险管很少直接焊接在pcb中。

图2-6 保险管的电气符号

1)、保险管的参数

保险管的参数印制在玻璃管两头的金属壳表面,包括额定电流、额定电压、熔断速度等。

额定电流:额定电流是保险管最关键的参数,是引起保险管熔断的电流有效值,主要包括30ma、50ma、63ma、8oma、100ma、200ma、250ma、500ma及1a、1.5a、2a、2.5a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、10a、12a等多种规格。

额定电压:在小功率应用场合中,保险管工作时的额定电压一般为250v.

熔断速度:熔断速度分为快速(f)、特快(ff)、特慢(tt)、慢速(t)等类型。

crt彩电电源中的常用保险管的参数信息为“t3.15al250v”,表示该保险管的额定电压为250v,额定电流为3.15a,慢速熔断型,l表示保险管的保险丝具有低电压分断能力。慢速熔断型保险管可以有效消除电源启动瞬间持续时间很短、超过3.15a的峰值电流,避免保险丝被误熔断。

2)、保险管的工作电路

保险管在电路中的连接方式非常简单,直接串联到需进行过流保护的电路支路中即可。

图所示为故障状态指示的保险管工作电路。

vd1为共阴型双色led,具有红色阳极、绿色阳极、公共阴极三只引脚。电阻r为vd1的限流电阻,避免因电流过大而损坏led。led的红色阳极连接至电源输入端vin,绿色阳极连接至电源输出端vout保险管f跨接在vin与vout之间。当电源电流正常时,f1导通,红色、绿色两组led均正常发光,混合后的指示状态为褐色发光。当电源出现过流故障时,f1熔断,绿色led熄灭,整个vd1显示红光,提醒工作人员检查电路故障、更换保险丝。

图2-7 故障状态指示的保险管工作电路

2.5.2、敏感电阻器

敏感电阻器:是指其电阻值对于某种物理量(如温度、湿度、光照、电压、机械力、以及气体浓度等)具有敏感特性,当这些物理量发生变化时,敏感电阻的阻值就会随物理量变化而发生改变,呈现不同的电阻值。根据对不同物理量敏感,敏感电阻器可分为热敏、湿敏、光敏、压敏、力敏、磁敏和气敏等类型敏感电阻。敏感电阻器所用的材料几乎都是半导体材料,这类电阻器也称为半导体电阻器。

1)、热敏电阻

电阻的电阻值与温度之间存在密切关系,常用温度系数αγ=(r2-r1)/(r1·(t2-t1))衡量电阻温度稳定性。式中,αγ的单位是℃-1;r1和r2分别是电阻处于温度t1和t2时测得的实际电阻值,单位为?。所有电阻材料均具有温度系数。白炽灯泡冷态电阻远小于通过计算得到的灯泡额定电阻值、低温超导(温度降到一定程度时电阻值消失)等现象都是温度系数的典型案例。

提示:温度系数越小的电阻,其温度稳定性越好,电路设计中应优先选择温度系数小的电阻.利用某些材料温度系数较大的特点,可以制成对温度敏感的热敏电阻(thermal resistor)。热敏电阻的电阻值随环境温度的变化而发生一定规律的变化,常被用来测量温度或进行温度控制。

热敏电阻可分为正温度系数型热敏电阻、负温度系数型热敏电阻两种。

正温度系数型(ptc)热敏电阻:ptc热敏电阻在环境温度升高时,电阻值迅速增大。ptc热敏电阻除具有测温功能之外,还常被用于延时启动、恒温加热、过流保护等电路单元中。

图2-8 ptc热敏电阻

负温度系数型(ntc)热敏电阳:ntc执敏电阻的外壳一般为黑色。当环境温度升高时,ntc热敏电阻的电阻值迅速减小,多用于高精度温度检测过程中,如可充电电池及功率三极管的过热保护数字体温计等。功率型ntc热敏电阻常用于开关电源、电机启动控制电路中,进行浪涌抑制。

图2-9 ntc热敏电阻和电气符号

提示:金属膜电阻具有较小的正温度系数、碳膜电阻具有较大的负温度系数。

2)、光敏电阻

光敏电阻(photo resistor)利用半导体材料的光电效应进行工作,外形及内部结构如图所示,电气符号如图所示。在遮光条件下,光敏电阻的电阻值很高;当受到特定波长的光线照射时,光敏电阻的电阻值随之减小,电导率随之增大。

光敏电阻的电极材料包括硫化镉、硒化镉、磅化镉、砷化家、硫化锌等,不同材料的敏感波长存在差异。光敏电阻的感光面直径有3mm、4mm、5mm、7mm、10mm、12mm、20mm多种规格。为获得尽可能大的感光面积、提高光照灵敏度,两只电极面之间采用图所示的“s"形梳状啮合线条。

图2-10 光敏电阻和电气符号?

2.5.3、电位器

电位器是一种能够通过滑动触点的位置改变来实现电阻值调节的特殊电阻。

根据转轴旋转角度的不同,电位器可分为单圈电位器(旋钮调节角度小于360°)与多圈电位器(旋钮调节角度大于360°)两大类,后者的分辨率更高。

电位器内部的弧形电阻体引出两只引脚,接触刷连接至中间抽头引脚。电阻体的电阻值即为电位器的标称值。当接触刷绕着电位器转轴在电阻体表面旋转时,任意一只电阻体引脚与中间抽头引脚之间的电阻值均会发生改变。电阻体的电阻值始终保持为电位器的标称值。

图2-11 电位器和电气符号

2.5.4、排阻

如果电路中需使用电阻值相同(或具有一定的电阻值规律)、性能一致、温度系数相同、稳定性高的电阻,常将多只电阻集成在类似芯片的封装结构中。排阻占用的pcb空间小、单位成本低廉,能够大幅提高电子产品的系统集成度及生产组装效率。

排阻的电阻值一般采用3位数值进行标注:第1、2位是有效数字,第3位是倍率。

图所示单列直插型排阻标注的参数中,“103”表示排阻内部每只电阻的电阻值为10×103=10k?,“a”表示排阻类型,“g”表示排阻内部电阻的误差范围为±2%。

图2-12 单列直插排阻

表2-1 误差代码及对应的误差范围

误差代码 误差范围 m ±20% k ±10% j ±5% g ±2% f ±1% d ±0.25% b ±0.1% a或w ±0.05% q ±0.02% t ±0.01% v ±0.005%

1.单列直插型排阻

采用单列直插型封装的排阻较为常见,常见的单列直插型排阻如图所示。

1)图所示为串联分压型排阻,常用于模拟电路中对信号进行串联分压。数字万用表的精密分压电阻r1~r4的电阻值依次为1k?、9k?、90k?、900k?。

图2-13 串联分压型排阻电气符号

2)图所示的排阻有一只公共引脚,常作为数字电路oc门、od门的上拉电阻。

图2-14 公共引脚串联分压型排阻电气符号

2.双列直插型排阻

双列直插型排阻内部的电阻多为平行、独立结构,如图所示。

图2-15 双列直插型排阻和电气符号

3.贴片型排阻

图所示的4位smt贴片型排阻的型号为8p4r-0603,被大量用于计算机主板、硬盘电路板等采用并行总线结构、集成度较高的数字电路系统中。这种排阻的内部结构如图2-2-14所示。8p4r表示排阻内部有4只独立的电阻和8只引脚;表面丝印103表明内部各电阻的电阻值均为10×103=10k?。此外,排阻的高度与0603封装贴片元器件一致,排阻的宽度与4只0603贴片电阻的宽度之和接近。

提示:当任意两只贴片电阻在pcb中布局时,受安全间距规则的限制,两只电阻之间必须留出一定间隙,故8p4r-o603排阻占据的pcb空间小于4只0603贴片电阻占据的pcb空间,进一步提高了系统集成度。

图2-16 贴片排阻和电气符号

三、参数及选型

电阻的主要参数包括标称值、误差范围(精度)、额定功率、封装外形等,设计者在为电路选择合适的电阻参数、规格时,并没有统一的参考标准可循,往往需要一定的经验积累。显然,充分熟悉电阻的相关参数,将有助于设计者做出相对较好的电阻选型方案。

1、标称值

标称值是电阻的关键参数,电阻的标称值需要具有表所示的e24系列2位数值或表所示的e192系列3位数值。数字电路选择e24系列金属膜电阻、e12系列碳膜电阻均可;在模拟电路中,如果理论计算结果与e24系列电阻值的偏差较大,那么可选择e48、e96、e192系列的标称值,以减小参数误差对电路性能的影响。

电阻标称值的选取以接近理论计算结果为原则,不宜片面追求高精度、非标电阻产品,可代用如下技巧:

采用若干电阻并联或串联的方式,可得到某些特殊的电阻值;通过调节电位器(可变电阻),使电阻值达到理论计算结果。

提示:对于万用表内部分压电阻等特殊电阻标称值,可向生产厂家定制非标电阻,但价格不菲。

1.1、直标法

1)、将电阻的阻值和误差直接用数字和字母印在电阻上(无误差标示为允许误差±20%)。也有厂家采用习惯标记法,如:

3ω3 ⅰ表示电阻值为3.3ω、允许误差为±5%

1k8 表示电阻值为1.8kω、允许误差为±20%

5m1 ⅱ表示电阻值为5.1mω、允许误差为±10%

2)、常规3位数标注法:xxy

xxy=xx*10y前两位xx代表2位有效数,后1位y代表10的?次幂。多?于e-24系列。精度为±5%(j),±2%(g),部分?家也?于±1%(f)。举例如下表:

表3-1 3位数标注法示例

实际标注 算法 实际值 100 10*100=10 10? 181 18*101=180 180? 272 27*102=2.7k 2.7k? 333 33*103=33k 33k? 434 43*104=430k 430k? 565 56*105=5.6m 5.6m?

3)、常规4位数标注法:xxxy

xxxy=xxx*10y前三位xxx代表3位有效数,后1位y代表10的?次幂。多?于e-24,e-96系列,精度为±1%(f),±0.5%(d)。举例如下表:

表3-2 4位数标注法示例

实际标注 算法 实际值 0100 10*100=10 10? 1000 100*100=100 100? 1821 182*101=1.82k 1.82k? 2702 270*102=27k 27k? 3323 332*103=332k 332k?

4)、3位数乘数代码(multiplier code)标注法:xxy

xxxy=xxx*10y前两位xx指有效数的代码,具体值从e-96乘数代码表查找,转换为xxx;后?位y指10的?次幂的代码,具体指从e-96阻值代码表查找,转换为y。?于e-96系列。精度为±1%(f),±0.5%(d)举例如下表:

表3-3 3位数乘数代码标注法示例

实际标注 算法 实际值 51x 332*10-1=33.2 33.2? 18a 150*100=150 150? 02c 102*102=10.2k 10.2k?

e-96乘数代码表e-96阻值代码表4r表??数点位置单位为ω时,r表??数点位置。举例如下表:

表3-4 e-96乘数代码表示例

实际标注 算法 实际值 精度 10r 10.0 10? 5% 1r2 1.2 1.2? r01 0.01 0.01? r12 0.12 0.12? 100r 100.0 100? 1% 12r1 12.1 12.1? 4r70 4.70 4.70?

e-96乘数代码表

代码 a b c d e f g h x y z 乘数 100 101 102 103 104 105 106 107 10-1 10-2 10-3

e-96阻值代码表

代码 阻值 代码 阻值 代码 阻值 代码 阻值 01 100 25 178 49 316 73 562 02 102 26 182 50 324 74 576 03 105 27 187 51 332 75 590 04 107 28 191 52 340 76 604 05 110 29 196 53 348 77 619 06 113 30 200 54 357 78 634 07 115 31 205 55 365 79 649 08 118 32 210 56 374 80 665 09 121 33 215 57 383 81 681 10 124 34 221 58 392 82 698 11 127 35 226 59 402 83 715 12 130 36 232 60 412 84 732 13 133 37 237 61 422 85 750 14 137 38 243 62 432 86 768 15 140 39 249 63 442 87 787 16 143 40 255 64 453 88 806 17 147 41 261 65 464 89 825 18 150 42 267 66 475 90 845 19 154 43 274 67 487 91 866 20 158 44 280 68 499 92 887 21 162 45 287 69 511 93 909

5)、m表??数点位置

单位为m?时,m表??数点位置。举例如下表:

实际标注 算法 实际值 精度 36m 26m? 26m? 5% 5m1 5.1m? 5.1m? 100m 100m? 100m? 1% 47m9 47.9m? 47.9m?

1.2、色标法

将不同颜色的色环涂在电阻器(或电容器)上来表示电阻(电容器)的标称值及允许误差,各种颜色所对应的数值见表。

四环电阻的识别方法

颜色 第一环数字 第二环数字 倍乘数 误差 黑 0 0 10^0 ——— 棕 1 1 10^1 ——— 红 2 2 10^2 ——— 橙 3 3 10^3 ——— 黄 4 4 10^4 ——— 绿 5 5 10^5 ——— 蓝 6 6 10^6 ——— 紫 7 7 10^7 ——— 灰 8 8 10^8 ——— 白 9 9 10^9 ——— 金 ——— ———— 10^-1 ±5% 银 ——— ———— 10^-2 ±10%

五环电阻的识别

颜色 第一环数字 第二环数字 第三环数字 倍乘数 误差 黑 0 0 0 10^0 —— 棕 1 1 1 10^1 1% 红 2 2 2 10^2 2% 橙 3 3 3 10^3 —— 黄 4 4 4 10^4 —— 绿 5 5 5 10^5 0.5% 蓝 6 6 6 10^6 0.25% 紫 7 7 7 10^7 0.1% 灰 8 8 8 10^8 ±20% 白 9 9 9 10^9 —— 金 —— —— —— 10^-1 ±5% 银 —— —— —— 10^-2 ±10%

如何使用上表:四环电阻:一环数字(十位)《红》二环数字(个位)《橙》*倍乘数《黑》误差《金》

例;红橙黑金=23*10^0=23ω(±5%)

五环电阻:一环数字(百位)《红》二环数字(十位)《蓝》三环数字(个位)《绿》*倍乘数《黑》误差

例:红蓝绿黑棕=265*10^0=265ω(±1%)

允许偏差 实际阻值与标称阻值间允许的最大偏差,以百分比表示。常用的有±5%、±10%、±20%,精密的小于±1%,高精密的可达0.001%。精度由允许偏差和不可逆阻值变化二者决定。

额定功率 电阻器在额定温度(最高环境温度)tr下连续工作所允许耗散的最大功率。对每种电阻器同时还规定最高工作电压,即当阻值较高时即使并未达到额定功率,也不能超过最高工作电压使用。

2、误差范围

电阻的实际值与标称值之间或多或少会存在误差。普通电阻的允许误差范围包括 20%、±10%、±5%三类,而精密电阻的允许误差范围可达a0.01%。电阻的误差范围越小,价格自然也就越高,因此设计者应综合考虑硬件电路的应用背景(测试/量产)、指标精度、产品用途及价格、维修替换等多方面因素,选择最优的电阻精度,切勿盲目追求高精度。

1)、在数字电路、单片机接口电路中,选择±20%、±10%误差范围的电阻已经可以满足要求。

2)、在需要保证测量精度的模拟电路中,可根据产品等级选择±0.01%~±1%误差范围的电阻。

3)、在开关电源、控制装置电路中,可以选择±0.5%~±5%误差范围的电阻。

4)、在玩具电路这类对成本敏感的电路中,优先选择±20%误差范围的电阻。

3、额定功率

在额定温度条件、温升范围内,电阻在电路中长期连续工作而不发生损坏的状态下所允许消耗的最大功率即为电阻的额定功率。对于相同材料的电阻,额定功率越大,则体积与质量越大、发热量越大。

电子电路中的电阻的额定功率主要包括1/16w、1/8w、1/4w、1/2w、1w、2w等类型。电阻的额定功率应超过通过理论计算得到耗散功率(p=ir)的150%~200%,由于电阻的功率与体积、价格的相关度较高,因此不要选择额定功率过大的电阻,一方面成本会显著提高,另一方面还会占用过大的pcb面积。

提示插装在电路pcb中的电阻功率需控制在5w以内,并与pcb表面保持一定的距离,留出气流通道,否则发热严重的电阻将引起pcb铜箔、焊盘、周围元器件发生烧焦、断裂等损坏。

技巧:散热条件较好(带散热片、强制风冷或水冷)的电阻能承受比额定功率略高的实际功率,

4、封装外形

直插式电阻具有轴向(axial)与径向(radial)两种封装结构,如图2-2-07所示。

轴向封装的电阻主要采用色标法进行参数标注,而径向封装的电阻则采用直标法或数码法进行参数标注。

(a)轴向封装电阻

(b)径向封装电阻

目录

基本概念导体,半导体,绝缘体/电介质绝缘材料的介电性能系列知识介电常数击穿电压介电强度(击穿场强/介质强度/电气强度)漏电流、漏电流密度,击穿电压,击穿场强的定义和计算方法

关注的材料二氧化硅氮化硅氧化铝氮化铝五氧化二钽氮化钽氧化铪性能对比

基本概念

导体,半导体,绝缘体/电介质

半导体、导体、绝缘体的区别是什么?

绝缘体被击穿后,电阻率下降,转化为导体。

电介质是能够被电极化的绝缘体。电介质的带电粒子是被原子、 分子的内力或分子间的力紧密束缚着, 因此这些粒子的电荷为束缚电荷。 在外电场作用下, 这些电荷也只能在微观范围内移动, 产生极化。

电介质都是绝缘体,反过来,一切绝缘体都可以做电介质

绝缘材料的介电性能系列知识

绝缘材料的介电性能 (第一期) 绝缘材料的介电性能 (第二期) 绝缘材料的介电性能 (第三期) 绝缘材料的介电性能 (第四期) 绝缘材料的介电性能 (第五期) 绝缘材料的介电性能 (第六期) 绝缘材料的介电性能 (第七期)

绝缘体的四大参数(四个重要性质)----来自绝缘材料的介电性能 (第二期) 四大参数包括了描述极化的相对介电常数εr,还有描述介电损耗的tanδ,还有描述电导特性的电导率γ,以及描述击穿的击穿场强eb。

极化:在比较小的电场作用下,束缚电荷会在电场作用下产生极化。电导:除了束缚电荷以外,绝缘材料内部还有一些数量比较少的自由电荷,自由电荷会在电场作用下在材料内部进行迁移,这个过程会产生电导。损耗:束缚电荷和自由电荷在电场里面都会产生新的响应,这个新的响应表现出来就是损耗。所以损耗有一部分是来自于极化,有一部分是来自于电导,归根到底,他们都是来自于电荷的作用,也就是束缚电荷和自由电荷在电场里面的响应机制。击穿:击穿的过程其实主要涉及到一个物理机制,就是自由电荷如何在外加的强电场里面产生数量的倍增。

介电常数----绝缘材料的介电性能 (第三期)

介电常数主要描述的是电容特性,电容主要描述的是电容器能够储存电荷量的这样一种特性。介电常数的特点就是在电场强度不大的时候,和电场强度实际上是没有什么关系的,随温度的变化也不太大。在工程实际中,我们希望电容器的绝缘材料的εr能够大一些,这样的话保证它能够存储更多的能量。而在电缆绝缘中,又希望材料的εr能够小一点,这些都是为了提高整体性能和绝缘系统的稳定性。

电导—绝缘材料的介电性能 (第四期) 电导主要描述的是在电场作用下,绝缘材料内部通过电流的这样一种情况。电导率是描述电介质或者绝缘材料的电导的参数,它表现的是绝缘材料内部自由电荷在外加电场作用下面的宏观介电行为。 一般来说,电导率和载流子的浓度,载流子的迁移率,还有载流子所带的电荷量都是有关系的,也就是电导率等于nqμ

损耗—绝缘材料的介电性能 (第五期) 电介质的损耗,从定义上来说,它代表的是电介质或者绝缘材料在单位时间之内所消耗的能量。 所以说按照正常的情况,描述电介质的损耗应该是功率。但实际上我们都知道,一般是用tanδ,而不是功率p来描述绝缘材料的损耗。那为什么会有这样的情况?这是因为这个公式p=ωε0εre2tanδ,单位体积、单位时间之内电介质的损耗可以写成这样一个公式,它和频率有关系,和介电常数有关系和电场强度有关系,还和一个损耗角的正切有关系。

击穿—绝缘材料的介电性能 (第六期) 击穿描述的是在强电场作用下,电流密度随着电场强度的增大突然激增。在这个临界电场强度下,电介质由绝缘状态变成导电状态,这样的过程我们就称之为是电介质的击穿。 本征特性参数eb一定要反映出电介质能够耐受电场作用的最大能力。(描述击穿有的时候用击穿场强,有的时候是用击穿电压。在四大参数里面,我们用的是击穿场强。)

小结—绝缘材料的介电性能 (第七期)

1.绝缘材料为什么不能导电? 不能导电的原因不是因为里面没有电荷,而是因为这些电荷不能自由迁移,这些电荷被称为束缚电荷。2.绝缘材料加上电场以后有什么变化? 如果是束缚电荷的话,会产生极化; 如果是自由电荷,就会产生电导。 如果自由电荷在更大的电场作用下面,它有可能会产生倍增的过程,进而引起击穿。 而在比较小的电场作用下,自由电荷和束缚电荷形成的电导和极化,都会对损耗有一定的贡献。 -3.绝缘材料的介电参数有哪些? 就是我们所说的四大参数:介电常数、损耗、电导还有击穿。 -4.四大参数的物理本质是什么? 它们的物理本质归根到底就是电荷在电场作用下面的极化、迁移、输运和倍增等过程。5.如何提高绝缘材料的介电性能? 举例:为了实现高的击穿场强,我们在制备ccto陶瓷时添加了氧化铝添加剂,氧化铝在陶瓷烧结过程中可以和氧化铜/氧化亚铜发生化学反应,从而起到减少氧化铜/氧化亚铜的目的,以此来大幅度提升击穿场强。通过氧化铝的添加,将传统的ccto陶瓷的击穿场强由4 kv/cm提高到了21 kv/cm。

介电常数

介电常数,用于衡量绝缘体储存电能的性能(电容特性)。介电常数代表了电介质的极化程度,也就是对电荷的束缚能力,介电常数越大,对电荷的束缚能力越强。

介电常数与介质导电能力无关,极化作用是与电容密切相关的,而介质导电能力是与电阻率有关的。区分导体还是绝缘体,起决定作用的是导电率。介电常数是绝缘体的一种性质,即绝缘体的极化能力(束缚电荷的能力)。

击穿电压

前提知识:电击穿。 材料通常根据其电阻率分为导体或绝缘体。 在塑料和陶瓷等材料中,所有电子都与原子紧密结合,因此在正常条件下,材料中几乎没有可移动的电荷载流子。施加电压只会导致非常小的电流流动,从而使材料具有非常高的电阻率,这些被归类为绝缘体。 如果施加足够强的电场,则所有绝缘体都会变成导体。如果增加施加在一块绝缘体上的电压,在一定的电场下,材料中的电荷载流子数量急剧增加,其电阻率下降,从而导致强电流流过。这称为电击穿。

击穿电压的定义: 使电介质击穿的电压。电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体,称为电介质击穿,所对应的电压称为击穿电压。电介质击穿时的电场强度叫击穿场强。不同电介质在相同温度下,其击穿场强不同。(击穿场强通常又称为电介质的介电强度。)击穿电压与击穿场强的关系:当电容器介质和两极板的距离d一定后,由u1-u2=ed知,击穿场强决定了击穿电压。提高电容器的耐压能力起关键作用的是电介质的介电强度

介电强度(击穿场强/介质强度/电气强度)

介电强度是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度,其实就是击穿场强。 它定义为试样被击穿时,单位厚度承受的最大电压,表示为伏特每单位厚度。物质的介电强度越大它作为绝缘体的质量越好。 测试方法—将试样放置在电极之间,并通过一系列的步骤升高所施加的电压直到发生介电击穿,以此测量介电强度。

介电强度与介电常数并不相同,并不是完全正相关(但可能存在某些关系)

附带知识: 场强(电场强度) 是放入电场中某点的电荷所受静电力f跟它的电荷量比值,定义式e=f/q ,适用于一切电场;其中f为电场对试探电荷的作用力,q为试探电荷的电荷量。单位n/c。

定义式:e=f/q ,f为电场对试探电荷的作用力,q为放入电场中某点的检验电荷(试探电荷)的电荷量。真空中点电荷场强公式:e=kq/r2 (k为静电力常量k=9.0×109n.m2/c^2)匀强电场场强公式:e=u/d(d为沿场强方向两点间距离),所以单位也可以是 v/cm平行板电容器间的场强e=u/d=4πkq/es

漏电流、漏电流密度,击穿电压,击穿场强的定义和计算方法

ta_2o_5薄膜的结构和电学性能研究_魏爱香,

关注的材料

二氧化硅

电学性能 二氧化硅膜是一种良好的绝缘膜. 电阻率在300k时约1015ω·cm,介电强度约106v/cm,介电常数约3.4 (300k,10khz),所以在半导体器件(特别是集成电路)的制造工艺中有着极广泛的应用. 它可以用作绝缘层、杂质扩散或离子注入时的掩模、电容或mos电路中栅极下的介质层等.

百度百科—电气强度 与相同材料的较厚的样品相比,介电膜倾向于表现出更高的介电强度。例如,几百纳米至几微米厚的二氧化硅膜的介电强度大约为0.5gv / m(即5mv/cm)。然而非常薄的层(下面,比方说,100纳米)成为由于部分导电电子隧穿。

论文报告的绝缘性能:

等离子体淀积二氧化硅的抗电特性_许春芳 pecvd, 5mv/cm时击穿率在百分之10以内mos结构二氧化硅层中电子热化与击穿_张积之 电场大于5mv/cm后,电子热化导致击穿

热学性能 二氧化硅的物理形态(熔融、结晶等)不同,故热导率有一定差异,平均值为1.4w/m.k。 二氧化硅热膨胀系数为0.5×10-6/k。(17-4ph不锈钢的热膨胀系数为11.3 x 10-6/k)力学性能

氮化硅

氮化硅主要由si3n4组。氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料。 京瓷氮化硅陶瓷性能

力学性能 氮化硅陶瓷具有高强度、耐高温的特点,在陶瓷材料中其综合力学性能最好,本身具有润滑性,耐热震性能、抗氧化性能、耐磨损性能、耐蚀性能好,是热机部件用陶瓷的第一候选材料。在机械工业,氮化硅陶瓷用作轴承滚珠、滚柱、滚球座圈、工模具、新型陶瓷刀具、泵柱塞、心轴 密封材料等。氮化硅材料的这些性能足以与高温合金相媲美。 但作为高温结构材料,它也存在抗机械冲击强度低,容易发生脆性断裂等缺点。为此,在利用氮化硅制造复杂材料,尤其是氮化硅结合碳化硅以及用晶须和添加其它化合物进行氮化硅陶瓷增韧的研究中运用广泛。 热学性能 si3n4陶瓷材料作为一种优异的高温工程材料,最能发挥优势的是其在高温领域中的应用,耐热冲击性极强和高温强度极佳。它极耐高温,强度一直可以维持到1200℃的高温而不下降,受热后不会熔成融体,一直到1900℃才会分解。高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击,在空气中加热到1000℃以上,急剧冷却再急剧加热,也不会碎裂。氮化硅陶瓷高温蠕变小,在高温和固定负载的作用下,所产生的缓慢塑性形变很小。 碳化硅具有潜在的高热导率(200~320w/m·k)。上海硅盐酸所研制出的氮化硅基板平均热导率为95w/(m·k),最优可达到120w/(m·k)。氮化硅陶瓷的热导率虽然比氮化铝、氧化铍低,但明显高于一般的结构陶瓷(显著优于二氧化硅),基本能够满足基板的散热需求;而且,氮化硅陶瓷的强度和断裂韧性远高于其它的基板类陶瓷,是综合性能十分优越的散热基板材料。 热膨胀系数仅为3.2×10-6/°c。(二氧化硅热膨胀系数为0.5×10-6/k;17-4ph不锈钢的热膨胀系数为11.3 x 10-6/k) 化学性能 它有惊人的耐化学腐蚀性能,能耐几乎所有的无机酸和30%以下的烧碱溶液,也能耐很多有机酸的腐蚀;氮化硅与水几乎不发生作用;在浓强酸溶液中缓慢水解生成铵盐和二氧化硅;易溶于氢氟酸,与稀酸不起作用。浓强碱溶液能缓慢腐蚀氮化硅,熔融的强碱能很快使氮化硅转变为硅酸盐和氨。

氮化硅陶瓷在氧化时,表面容易形成一层致密的二氧化硅膜,阻碍其继续氧化。它耐氧化的温度可达1400℃,在还原气氛中最高可使用到1870℃。

电学性能 同时又是一种高性能电绝缘材料。

论文中报道的氮化硅薄膜绝缘特性

si3n4膜绝缘与击穿特性的研究_吴冲若 10mv/cm的击穿场强, 沉积速率6-60nm每分钟,pecvd氮化硅薄膜的pecvd沉积工艺与绝缘耐压性能_于映 击穿场强12mv/cm用pecvd法在金属衬底上沉积氮化硅薄膜_于映 击穿场强10mv/cmsio_x_sin_x栅极绝缘层及其ltps-tft研究_李松举 复合膜击穿场强11mv/cmpecvd工艺参数及退火对氮化硅薄膜性能的影响_柳聪 介电常数在6-9之间

制备工艺

pecvd

si3n4膜绝缘与击穿特性的研究_吴冲若(pecvd,10mv每cm的击穿场强,6-60nm每分钟)pecvd工艺参数及退火对氮化硅薄膜性能的影响_柳聪(对介电常数的影响,介电常数在6-9之间)pecvd氮化硅薄膜制备工艺及性能测试研究_熊成(沉积速率10-20nm每分钟、薄膜均匀度的因素)

磁控溅射

金属薄膜传感器中氮化硅薄膜的制备及工艺试验研究_伏宁娜(不锈钢基底,反应磁控溅射沉积速率6-10nm每分钟,氮化硅靶材溅射2-5nm每分钟)

氧化铝

氧化铝电阻率高,电绝缘性能好,常温电阻率1015ω·cm,绝缘强度15kv/mm(0.15mv/cm)。机械强度高,氧化铝陶瓷烧结产品的抗弯强度可达250mpa,热压产品可达500mpa,强度在高温下可维持到900℃。

al2o3最重要的性质是具有很高的介电常数(约为 8.1)(理想情况为9)。,很低的金属离子渗透率,抗辐射能力强,化学稳定性好,导热系数大,且其绝缘性非常好,电阻率为3×1015ω·m,但被用作绝缘材料在高温下也存在一些问题,这个担心主要来自γ-al203到 -al203的晶型转变,然而由于这个变化是十分缓慢的,并且在 1000℃以上才会发生,因此这并不会造成太大的问题.。

京瓷氧化铝陶瓷性能

论文中报告的氧化铝绝缘性能

化学液相沉积制备氧化铝薄膜及在teng中的应用_阮璐(击穿场强1.74mv每cm)h. bartzsch, d. gl??, b. b?cher, et al. properties of sio2 and al2o3 films for electrical insulation applications deposited by reactive pulse magnetron sputtering[j]. surface and coatings technology, 2003, 174: 774-778. (bartzsch 等使用脉冲磁控溅射法制备了 si o2/al2o3 多层膜,其制备的多层膜最大的击穿场强为 8.1 mv/cm,最大电常数为 7,完全符合传感器绝缘薄膜的使用标准)

氮化铝

氮化铝(aln)具有高强度、高体积电阻率、高绝缘耐压、热膨胀系数与硅匹配好等特性,不但用作结构陶瓷的烧结助剂或增强相,尤其是在近年来大火的陶瓷电子基板和封装材料领域,其性能远超氧化铝。

氮化铝的缺点:

ain具有强烈的吸湿性,极易与空气中的水蒸气反应;在空气中,ain的初始氧化温度为700~800℃(一般电子元器件的使用环境会低于该温度)。

原文網址: 氮化铝应用 https://www.mlti.com.tw/equipmentmanufacturer/民用军用一手抓:高性能氮化铝材料应用大全/ 著作權歸作者所有。商業轉載請聯絡作者獲得授權,非商業轉載請註明出處。

对比氮化铝与氧化铝,发现:

导热率大大超越氧化铝(氮化铝320w/(m.k)—氧化铝12w/(m.k))击穿场强比氧化铝好两个数量级(氮化铝11.7x106v/cm----氧化铝12x106v/m)

射频磁控溅射法制备aln薄膜及其特性研究_姜思达:

电学性能

论文报告的氮化铝薄膜击穿场强

aln_al_2o_3绝缘膜离子束辅助沉积工艺及结构研究_宫佳佳(2021年的硕士论文,1.3节有aln的击穿场强相关工作: 2mv/cm)c. l. aardahl, j. w. rogser, h. k. yuk, et al. electrical properties of al n thin films deposited at low temperature on si(100)[j]. thin solid films, 1999, 346(1-2): 174-180(其介电常数在 6.1-7.0 之间,击穿电场介于 2-3 mv/cm 之间)z. g. an, c. l. men, z. k. xu, et al. electrical properties of al n thin films prepared by ion beam enhanced deposition [j]. surface and coatings technology, 2005, 196(1-3): 130-134. (击穿场强为 2.1 mv/cm;热处理后,击穿场强超过 4 mv/cm)aln薄膜的制备与介电性能研究_胡利民(反应磁控溅射3-8nm每分钟,击穿场强3-13mv每cm)沉积参数及退火条件对aln薄膜电学性能的影响_周继承(击穿场强13mv每cm,射频反应磁控溅射3-8nm每分钟)高导热绝缘氮化铝薄膜的制备、性能及在led上的应用研究_陈勇(反映磁控溅射,击穿强度7.5mv每cm)

压电性能 aln可以作为压电薄膜材料。(压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。) 压电效应的原理是,如果对压电材料施加压力,它便会产生电位差(称之为正压电效应),反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)。如果压力是一种高频震动,则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时,则产生高频声信号(机械震动),这就是我们平常所说的超声波信号。 材料的压电性由压电常数决定,与晶体的对称性密切相关。石英晶体(二氧化硅晶体)是最早发现的压电晶体,也是目前最好的和最重要的压电晶体之一。 声表面波器件是利用材料的压电特性而制作的一类器件,包括滤波器和延迟线等,广泛用于通讯、广播、遥控和遥测等技术。其中心频率取决于声表面波在压电薄膜上的传播速度和叉指电极宽度。 (在薄膜受压力的情况下,既然氧化硅可以作为绝缘膜,那么氮化铝也可以作为绝缘膜。两点理由:(1)在受压力时,虽然有压电效应的材料会产生电压,但该电压差是在薄膜的上下两端,即绝缘膜平面的法向,且没有被电路引出到后续的处理电路;(2)可以将sio2和aln制作成非晶形态,不要做成晶体。) 热学特性 氮化硅pk氮化铝,谁才是最具有发展前途的基板材料,你站哪一边?

陶瓷基板对材料有哪些要求。 热导率高,满足器件散热需求; 耐热性好,满足功率器件高温(大于200°c)应用需求; 热膨胀系数匹配,与芯片材料热膨胀系数匹配,降低封装热应力; 介电常数小,高频特性好,降低器件信号传输时间,提高信号传输速率; 机械强度高,满足器件封装与应用过程中力学性能要求; 耐腐蚀性好,能够耐受强酸、强碱、沸水、有机溶液等侵蚀; 结构致密,满足电子器件气密封装需求。

氮化铝的导热率较高,室温时理论导热率最高可达320w/(m·k),是氧化铝陶瓷的8~10倍,实际生产的热导率也可高达200w/(m·k)

在现有可作为基板材料使用的陶瓷材料中,si3n4陶瓷抗弯强度最高,耐磨性好,是综合机械性能最好的陶瓷材料,同时其热膨胀系数最小,因而被很多人认为是一种很有潜力的功率器件封装基片材料。但是其制备工艺复杂,成本较高,热导率偏低,主要适合应用于强度要求较高但散热要求不高的领域。而氮化铝各方面性能同样也非常全面,尤其是在电子封装对热导率的要求方面,氮化铝优势巨大。唯一不足的是,较高成本的原料和工艺使得氮化铝陶瓷价格很高,这是制约氮化铝基板发展的主要问题。但是随着氮化铝制备技术的不断发展,其成本必定会有所降低,氮化铝陶瓷基板在大功率led领域大面积应用指日可待。

制备工艺

目前论文报道的工作主要是用反应磁控溅射,缺点是速度太慢。

aln薄膜的制备与介电性能研究_胡利民(反应磁控溅射3-8nm每分钟,击穿场强3-13mv每cm)沉积参数及退火条件对aln薄膜电学性能的影响_周继承(击穿场强13mv每cm,射频反应磁控溅射3-8nm每分钟)高导热绝缘氮化铝薄膜的制备、性能及在led上的应用研究_陈勇(反映磁控溅射,击穿强度7.5mv每cm)

也有相对较快的溅射工艺,但都是用于光学材料,没有指出相关的电学性能:

aln薄膜的制备及氧杂质影响的研究_杨露(反应磁控溅射16-21nm每分钟,光学性能)反应磁控溅射低温沉积aln薄膜工艺、结构与性能研究_姜川(10-20nm每分钟,光学)氮化铝薄膜的制备与性能研究_郝春蕾(反应磁控溅射39nm每分钟)射频磁控溅射制备aln薄膜及其性能研究_刘丹瑛(射频反应磁控溅射,多组实验(工艺参数有列表)的沉积速率都在10-20nm每分钟#####,无电学测试)

五氧化二钽

五氧化二钽(ta2o5)为白色无色结晶粉末,是钽最常见的氧化物,也是钽在空气中燃烧生成的最终产物。主要用作拉钽酸锂单晶和制造高折射低色散特种光学玻璃用,化工中可作催化剂。也用于电子工业。

电学特性 介电常数很高,但击穿场强相对较低。 介电常数25,有论文的氧化钽薄膜将介电常数做到了80以上。 但是磁控溅射产生的氧化钽薄膜击穿场强通常小于1mv/cm(吊诡的是,有论文报道pecvd制备的氧化钽薄膜的击穿场强达到了5mv/cm)。 所以研究中通常将五氧化二钽用于高k栅介质,但很少有将其用于普通的绝缘膜。

论文报道:

磁控溅射法:沉积慢,击穿场强较低(不如aln,可能还不如sio2)

五氧化二钽薄膜的制备及其i-u特性_王超(直流磁控溅射,10min生长143nm,击穿场强0.3mv每cm)中频交流反应溅射氧化钽薄膜制备及介电性能研究_王超(生长速度3.8nm每分钟,击穿场强2.2mv每cm)氧化钽高k薄膜的制备、结构和光、电性能的研究_张幸福(磁控溅射,3nm每分钟,击穿场强0.05mv每cm)高介电氧化钽薄膜制备与介电性能分析_曲铭浩(直流磁控溅射,700秒生长75nm(10nm/min,算很快的了),介电常数34)原位沉积温度对电子束蒸镀ta_2o_5薄膜性能的影响_于龙宇(4nm每分钟,150nm的膜击穿电压为30v)

pecvd法:沉积快,击穿场强高

乙醇钽化学气相沉积制备ta_2o_5薄膜研究进展_杨声海(pecvd制备法,击穿场强5mv每cm,借鉴################)ta_2o_5薄膜制备的研究现状及进展_陈胜龙(cvd和电子束蒸镀适合工业应用,1.4um每小时,有cvd高达8um每小时)metallorganic chemical vapor deposition of ta2o5 films(8um每小时的沉积速率)

氮化钽

氧化铪

二氧化铪(hfo2)是一种具有较高介电常数的氧化物。作为一种介电材料,因其较高的介电常数值(~20),较大的禁带宽度(~5.5ev),以及在硅基底上良好的稳定性,hfo2被认为是替代场效应晶体管中传统sio2介电层的理想材料。如果互补金属氧化物半导体器件尺寸低于1μm,以二氧化硅为传统栅介质的技术会带来芯片的发热量增加、多晶硅损耗等一系列问题,随着晶体管的尺寸缩小,二氧化硅介质要求必须越来越薄,但chemicalbook是漏电流的数值会因为量子效应的影响随着二氧化硅介质厚度的较小而急剧升高,所以急需一种更可行的物质来取代二氧化硅作为栅介质。二氧化铪是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料,近来在工业界特别是微电子领域被引起极度的关注,由于它很可能替代目前硅基集成电路的核心器件金属氧化物半导体场效应管(mosfet)的栅极绝缘层二氧化硅(sio2),以解决目前mosfet中传统sio2/si结构的发展的尺寸极限问题。 根 据电容公式 c=ε0*εr *s /d 可以看出,利用高 k 介质材 料替代传统 sio2 作为栅介质,可以在保持等效氧化层厚度 eot ( 在保持栅电容值不变的条件下,以相 对介电常数为3.9的 sio2 作为标准得到的栅介质 层厚度) 不变的条件下,通过增加介质层的物理厚 度,可以大大减小直接隧穿效应和栅介质层承受的电场强度。—来自《恒电流应力引起 hfo2栅介质薄膜的击穿特性》

氧化铪的缺点:

氧化铪介电常数很高(20),但是击穿场强却不是很高,并且研究不多。 论文1:hfo_2薄膜制备工艺及其性能研究_赵恒利(磁控溅射20min18nm,原子层沉积法的击穿场强约为4mv每cm) 论文2:二氧化铪薄膜的磁控溅射制备与性质研究_赵鹏(1.2.2节:hf o2 亦具有较高的击穿场强,约为 3.9-6.7 mv/cm,利于保持器件的稳定性) 论文3:基于ald生长的氧化铪薄膜器件的电学特性研究_张冠群(沉积速率0.1nm每分钟,击穿场强4mv每cm)。此外,文中绪论部分指出:hfo2具有髙介电常数>(25),相对较宽的带隙约5.8ev,高击穿电场(>5mv/cm)氧化铪薄膜的沉积速度慢。

论文中的报道

绝缘性能:

hfo_2薄膜制备工艺及其性能研究_赵恒利(磁控溅射20min18nm,原子层沉积法的击穿场强约为4mv每cm)基于ald生长的氧化铪薄膜器件的电学特性研究_张冠群(沉积速率0.1nm每分钟,击穿场强4mv每cm)。此外,文中绪论部分指出:hfo2具有髙介电常数>(25),相对较宽的带隙约5.8ev,高击穿电场(>5mv/cm)超薄hfo_2高k栅介质薄膜的软击穿特性_韩德栋(10nm薄膜击穿电压4.3v,即4.3mv/cm)

制备工艺

磁控溅射

二氧化铪薄膜电容器的制备及其性能研究_陈琦磊(中频磁控反应溅射,30分钟25nm)二氧化铪薄膜的磁控溅射制备与性质研究_赵鹏(24-37nm每小时, 绪论部分介绍氧化铪击穿场强3.9-6.7,介电常数20)射频磁控溅射沉积氧化铪薄膜纳米力学性能研究_刘政(介电常数16)射频磁控反应溅射法制备hfo_2薄膜的研究_许宁(2-4nm每分钟,研究影响沉积速率的各因子,无电学特征分析)氧化铪薄膜制备工艺及其性能研究_王钊(中频、射频反应磁控溅射,沉积速率2-4nm每分钟)

cvd

新型无碳前体在高k氧化物薄膜化学气相沉积上的应用_邵起越(cvd速度快,3分钟15nm)

ald

基于ald生长的氧化铪薄膜器件的电学特性研究_张冠群(沉积速率0.1nm每分钟,击穿场强4mv每cm)。

性能对比

材料击穿场强介电常数电阻率沉积速率导热率热膨胀系数备注17-4ph占位占位10-30w/m.k11.3 x 10-6/k氧化硅5mv/cm3.91016ω.cm占位1.4w/m.k0.5×10-6/k氮化硅11mv/cm6-91012ω·cmpecvd:6-60nm/min; 反应磁控溅射:6-10nm/min95w/(m·k)3.2×10-6/k阻隔极佳,阻隔水、钠离子等氧化铝材料0.15mv/cm,论文报告薄膜1.74mv/cm8.11015ω.cm占位12-30w/m.k7x 10-6/k氮化铝3-13mv/cm(有报道2、4、7.5、13mv/cm)8.5>1013ω.cm反应磁控:3-8 nm/min 或10-20nm/min300w/m.k4.5×10-6/k氧化钽磁控溅射:0.05、0.3、2.2mv/cm,pecvd:5mv/cm25,有报道34占位磁控溅射:3、4、10nm/min,pecvd:1.4-8um/h——氧化铪3.9-6.7mv/cm20占位磁控溅射0.5nm/min,ald 0.1nm/min,cvd5nm/min占位5.6×10-6/k

分享
文章爱游戏平台的版权声明:除非注明,否则均为苗坤旺离型膜原创文章,转载或复制请以超链接形式并注明出处。

发表评论

快捷回复: 表情:
applausebadlaughcoffeefabulousfacepalmfecesfrownheyhainsidiouskeepfightingnoprobpigheadshockedslapsocialsweattolaughwatermelonwittywowyeahyellowdog
评论列表 (暂无评论,2人围观)

还没有评论,来说两句吧...

微信二维码
微信二维码
支付宝二维码
网站地图