Большая Советская Энциклопедия (ДИ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" (чтение книг TXT) 📗
Лит. см. при ст. Диэлектрики, Электроизоляционные материалы.
Диэлектрическая электроника
Диэлектри'ческая электро'ника, область физики, занимающаяся исследованием и практическим применением явлений, связанных с протеканием электрических токов в диэлектриках. Концентрация электронов проводимости или каких-либо других свободных носителей заряда в диэлектриках (дырок, ионов) пренебрежимо мала. Поэтому до недавнего времени диэлектрики в электро- и радиотехнике использовались только как изоляторы (см. Электроизоляционные материалы). Исследования тонких диэлектрических плёнок показали, что при контакте с металлом в диэлектрик переходят электроны или дырки, в результате чего у контакта в тонком слое диэлектрика появляются в заметном количестве свободные носители заряда. Если диэлектрик массивный, то весь его остальной объём действует по-прежнему как изолятор, и поэтому в системе металл—диэлектрик—металл ток ничтожно мал. Если же между двумя металлическими электродами поместить тонкую диэлектрическую плёнку (обычно 1—10 мкм), то эмитируемые из металла электроны заполнят всю толщу плёнки и напряжение, приложенное к такой системе, создаст ток через диэлектрик.
Теоретически возможность протекания управляемых эмиссионных токов через диэлектрик была предсказана английскими физиками Н. Моттом и Р. Гёрни в 1940. Д. э. изучает протекание токов, ограниченных пространственным зарядом в диэлектриках, при термоэлектронной эмиссии из металлов и полупроводников, при туннельной эмиссии и т.д.
Простейший прибор Д. э. — диэлектрический диод представляет собой сандвич-структуру металл—диэлектрик—металл (рис. 1). Он во многом аналогичен электровакуумному диоду и поэтому называется аналоговым. Его выпрямляющее действие обусловлено различием работы выхода электронов из электродов, изготовленных из разных металлов. Для одного из электродов — истока (аналог катода) применяется металл, у которого работа выхода электронов в данный диэлектрик мала (доли эв); для второго (сток — аналог анода) — металл с большой работой выхода (1—2 эв). Поэтому в одном направлении возникают значительные токи, а в обратном направлении токи исчезающе малы. Коэффициент выпрямления диэлектрического диода достигает значений 104 и выше.
Создание диэлектрического триода связано с технологическими трудностями размещения управляющего электрода — затвора (аналог сетки в электровакуумном триоде) в тонком слое диэлектрика между истоком и стоком. В одном типе триода эмиссия происходит из полупроводникаn, обладающего электронной проводимостью, в высокоомный полупроводник р с дырочной проводимостью, который играет роль диэлектрика (рис. 2). Низкоомные области, образованные из полупроводника Р+ с высокой дырочной проводимостью, исполняют роль, во многом сходную с ролью металлических ячеек сетки электровакуумного триода. Подаваемое на эти области внешнее напряжение управляет величиной тока, протекающего между истоком и стоком.
В другом типе триода (рис. 3) затвор помещён вне диэлектрика CdS; его роль сводится к изменению распределения потенциала в диэлектрике, от чего существенно зависит величина тока. Физическая картина явлений в этих триодах значительно сложнее и существенно отличается от протекания эмиссионных токов в вакууме. Распространение получили триоды с изолированным затвором МОП (металл—окисел— полупроводник) или МДП (металл—диэлектрик—полупроводник).
В приборах Д. э. удачно сочетаются достоинства полупроводниковых и электровакуумных приборов и отсутствуют многие их недостатки. Приборы Д. э. микроминиатюрны. Создание эмиссионных токов в диэлектриках не требует затрат энергии на нагрев эмитирующего электрода и не сталкивается с проблемой отвода тепла. Диэлектрические приборы малоинерционны, обладают хорошими частотными характеристиками, низким уровнем шумов, мало чувствительны к изменениям температуры и радиации.
Лит.: Мотт Н., Герни Р., Электронные процессы в ионных кристаллах, пер. с англ., М., 1950; Адирович Э. И., Электрические поля и токи в диэлектриках, «Физика твердого тела», 1960, т. 2, в. 7, с. 1410; его же, Эмиссионные токи в твердых телах и диэлектрическая электроника, в сб.: Микроэлектроника, под ред. Ф. В. Лукина, в. 3, М., 1969, с. 393.
Э. И. Адирович.
Рис. 3. Структура триода с изолированным затвором.
Рис.1. Диэлектрический диод, называемый сандвич-структурой.
Рис. 2. Горизонтальный разрез диэлектрического триода со встроенной сеткой; n — полупроводник, обладающий электронной проводимостью; р — диэлектрик (высокоомный полупроводник с дырочной проводимостью), в который происходит эмиссия электронов; P+ — низкоомные области полупроводника с дырочной проводимостью, через которые электроны не проходят.
Диэлектрические измерения
Диэлектри'ческие измере'ния, измерения величин, характеризующих свойства диэлектриков в постоянном и переменном электрических полях. К Д. и. относятся измерения диэлектрической проницаемости e в постоянных и переменных полях, диэлектрических потерь, удельной электропроводности в постоянном электрическом поле, электрической прочности.
В случае твёрдых диэлектриков Д. и. часто сводятся к измерению ёмкости С плоского электрического конденсатора, между пластинами которого помещён исследуемый диэлектрик. По формуле
(d — толщина диэлектрического образца, S — площадь его боковой грани, k — коэффициент пропорциональности) находят диэлектрическую проницаемость e. В случае жидкостей и газов измеряют ёмкость системы электродов в вакууме (С) и в данном веществе (Сe), а затем определяют e из соотношения: e = Сe/С.
Методы измерения ёмкости и диэлектрических потерь различны для разных частот электрического поля. В постоянном поле и при низких частотах (десятые доли гц) ёмкость, как правило, определяют путём измерений зарядного или разрядного токов конденсатора с помощью баллистического гальванометра (рис. 1).
В области частот от десятых гц до 107гц, помимо С, существенно измерение диэлектрических потерь, мерой которых является тангенс угла диэлектрических потерь tg d. С и tg d измеряют с помощью мостовых схем, в частности мостов Шеринга.
В высокочастотной области (от 105 до 108гц) для измерения ёмкости Сe и диэлектрической проницаемости e применяют главным образом резонансные методы (рис. 2). Колебательный контур, содержащий образцовый конденсатор (см. Емкости меры), настраивается в резонанс, и определяется соответствующая резонансу величина ёмкости С'. Затем параллельно образцовому конденсатору присоединяют конденсатор с диэлектриком Сe, и контур снова настраивается в резонанс. Во втором случае ёмкость С" образцового конденсатора будет меньше. Ёмкость конденсатора, заполненного диэлектриком Ce, определяется по формуле:
Ce = C' - С". (1)
Различные резонансные методы отличаются друг от друга по способу определения tg d. В методе замещения диэлектрик заменяется эквивалентной схемой, состоящей из ёмкости и сопротивления. Подбирается такое сопротивление R, которое, будучи включено последовательно или параллельно образцовому конденсатору С, ёмкость которого берётся равной ёмкости диэлектрика Сe, даёт такой же резонансный ток в контуре, как и образец диэлектрика. Метод расстройки контура основан на том, что ширина резонансной кривой контура определяется его добротностью Q, связанной с тангенсом угла потерь диэлектрика соотношением:
