Диэлектрики

ДИЭЛЕКТРИКИ (англ. dielectric, от греч. dia — через и англ. electric — электрический), твёрдые, жидкие и газообразные вещества, основным электрич. свойством которых является способность к поляризации. Термин «Д.» введён англ. физиком М. Фарадеем для обозначения в-в, проницаемых для электрич. поля. В технике к Д. относят в-ва, плохо проводящие электрич. ток, в отличие от проводников (металлов) и полупроводников. Электропроводность Д. по сравнению с металлами очень мала; их уд. электрич. сопротивление ρ~10⁶—10¹⁶ Ом⋅м. Количеств, различие в электропроводности Д. и металлов классич. физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные эл-ны, а в Д. все эл-ны связаны с атомами. Квантовая теория твёрдого тела объясняет разные электрич. св-ва металлов и Д. разл. характером распределения эл-нов по уровням энергии (см. Зонная теория). На энерге-тич. диаграмме Д. ближайшие свободные уровни зоны проводимости отделены от заполненных уровней валентной зоны достаточно широкой по сравнению с ПП запрещённой зоной (условно принято относить к Д. в-ва с шириной запрещённой зоны более 3 эВ).
Механизмы поляризации диэлектриков различны и зависят от характера хим. связи. Поляризацию Д. характеризуют электрич. дипольным моментом Р единицы объёма, наз. вектором поляризации или просто поляризацией. Величина Р зависит от напряжённости Е внеш. электрич. поля. У параэлектриков в достаточно слабых полях (значительно меньших напряжённости внутрикристаллического поля) Р=ε_oχ_еЕ, где ε_o — электрич. постоянная СИ, χ_е — диэлектрическая восприимчивость. При рассмотрении способности Д. к поляризации вместо χ_е чаще используют др. безразмерный параметр — относит, диэлектрическую проницаемость ε_r. В изотропных Д. (аморфных, поликристаллических) направления векторов Р и Е совпадают, ε_r и χ_е являются скалярными величинами. В анизотропных Д. (крист. Д., текстурах) векторы Р и Е не совпадают по направлению; в этом случае ε_r и χ_е являются тензорами.
В некоторых Д. поляризация может существовать и в отсутствие электрич. поля. Обычно она не проявляется, т. к. электрич. поле в Д., связанное с этой поляризацией, компенсируется полем свободных зарядов, натекающих на поверхность Д. извне и изнутри. Нарушение компенсации, приводящее к врем, появлению электрич. поля в Д., происходит в пироэлектриках — при изменении темп-ры, в пьезо-электриках — при деформации. К пироэлектрикам относятся также сегнетоэлектрики (у к-рых в полярной фазе имеет место спонтанная поляризация, существующая в отсутствие внеш. поля) и электреты (обладающие способностью создавать в окружающем пространстве электрич. поле за счёт предварит, электризации или поляризации). Сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и электреты относятся к т. н. активным Д., на основе к-рых создаются устр-ва, способные генерировать, преобразовывать или усиливать электрич. сигналы. Остальные Д. нередко наз. пассивными.
Для каждого Д. существует такое предельное значение напряжённости внеш. электрич. поля, при к-ром происходит пробой диэлектрика (электрич. прочность Д.). Для твёрдых Д. электрич. прочность зависит от строения Д., однородности электрич. поля, частоты, условий теплоотвода, темп-ры окружающей среды и др. факторов.
Мощность, выделяющуюся в Д. при воздействии перем. электрич. поля, наз. диэлектрическими потерями. Величина этих потерь определяется механизмом поляризации Д. Диэлектрич. потери характеризуются тангенсом угла диэлектрич. потерь tg δ (δ — разность фаз между Р и Е).
В технике пассивные Д. применяются прежде всего как электроизоляционные материалы. Для этого используются Д. с высоким уд. сопротивлением, малым tg δ, высокой электрич. прочностью и, желательно, малой ε_r. От электрич. изоляции требуется сохранение электроизоляц. св-в в широком интервале темп-р, в условиях повыш. влажности, при воздействии механич. нагрузок и химически активных в-в. В конденсаторах пассивные (и активные) Д. служат для увеличения электрич. ёмкости. Конденсаторные диэлектрич. материалы должны иметь большую ε_r, малый tg δ, высокую темп-рную стабильность св-в. Мн. диэлектрич. кристаллы используются в качестве активных сред твердотельных лазеров, квантовых генераторов и усилителей СВЧ.
В ПП электронике, в т. ч. микроэлектронике, всё более широкое применение находят диэлектрич. тонкие плёнки (аморфные, стеклообразные, полимерные). Если диэлектрич. плёнку поместить между двумя металлич. электродами или между металлич. электродом и ПП пластиной, то под действием приложенного напряжения через такую структуру (т. н. сэндвич-структуру) возможно протекание электрич. тока вследствие туннельного эффекта, надбарьерной (Шот-тки) эмиссии, инжекции носителей заряда в Д. На основе структур металл — Д.— металл (см. МДМ-структура) созданы микрополосковые линии СВЧ интегральных схем, эмиттеры транзисторов на «горячих» электронах; структуры металл — Д.— ПП (см. МДП-структура) являются основой приборов с зарядовой связью, МДП-транзисторов (см. Полевой транзистор), МДП-ИС. Контакты в виде тонкого слоя Д., разделяющего два сверхпроводника (контакты Джозефсона; см. Джозефсона эффект), используются для создания легко перестраиваемых маломощных СВЧ генераторов, быстродействующих элементов памяти ЭВМ, квантовых интерферометров — сквидов (см. Криоэлектронные приборы) и др. устр-в. Диэлектрические покрытия широко применяются для создания диэлектрич. зеркал оптич. резонаторов, оптич. фильтров, поляризац., светоделит. и др. устр-в. Нелинейные св-ва Д., проявляющиеся в ВЧ эл.-магн. полях больших амплитуд (в частности, в луче лазера, где могут быть созданы электрич. поля ~10¹⁰ В/м), позволяют с помощью диэлектрич. кристаллов осуществлять преобразование частоты волн, наблюдать самофокусировку света и др. нелинейные эффекты.

Источник
Электроника. Энциклопедический словарь
Москва, «Советская энциклопедия», 1991 г.