МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
В. И. Томилин, Н. П. Томилина, В. А. Бахтина
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
В двух частях
Часть 1
ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Рекомендовано УМО вузов РФ по образованию в области радиотехники,
электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных
средств», 02.06.2011
Красноярск
СФУ
2012
Стр.2
УДК 620.22:621.315.61(07)
ББК 30.3+22.379.3я73
Т 564
Рецензенты:
С. Г. Овчинников, доктор физико-математических наук, профессор,
заместитель директора Института физики СО РАН;
А. М. Токмин, профессор кафедры «Материаловедение и технология
обработки материалов» Политехнического института СФУ
Томилин, В. И.
Т 564
Физическое материаловедение : в 2 ч. Ч. 1. Пассивные диэлектрики
: учеб. пособие / В. И. Томилин, Н. П. Томилина, В. А. Бахтина.
– Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 280 с.
ISBN 978-5-7638-2510-7
Изложены теоретические основы кристаллофизики и кристаллохимии.
Рассмотрены физические явления и процессы, происходящие в диэлектриках
при воздействии на них электрического поля: поляризация, электропроводность,
диэлектрические потери и пробой.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».
УДК 620.22:621.315.61(07)
ББК 30.3+22.379.3я73
ISBN 978-5-7638-2510-7
© Сибирский федеральный университет, 2012
Стр.3
Предисловие
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современный научно-технический прогресс неразрывно связан
с созданием и изучением новых материалов. Именно с выбора материала
на основе глубокого знания его свойств начинается сложнейший
процесс создания электронной аппаратуры. Поэтому изучению материалов
отводится значительное место в системе подготовки не только
инженеров-конструкторов и инженеров-технологов электронной техники,
но и инженеров-разработчиков современных электронных
средств. Специалисты, работающие в области электроники и микроэлектроники,
должны глубоко понимать процессы, происходящие при
взаимодействии заряженных и нейтральных частиц с веществом, знать
основы физики твердого тела, физической химии и кристаллографии,
уметь применять эти знания на практике при разработке и создании
современных электронных устройств. Ориентироваться во всём этом
невозможно без знания закономерностей формирования свойств материалов,
их зависимости от химического состава, структуры, обработки
и т. д. Изучение таких закономерностей является задачей обширной
науки – физического материаловедения.
Данное учебное пособие предназначено для студентов укрупненной
группы 210000 – «Электронная техника, радиотехника и связь»,
изучающих курс «Физическое материаловедение». Целью курса является
изучение физической сущности явлений, протекающих в материалах,
их свойств, областей использования и правил выбора оптимальных
материалов для решения поставленных задач.
В первой части пособия рассматриваются общие физические
явления, свойственные широко применяемому в электронике классу
материалов – пассивным диэлектрикам. Активные диэлектрики рассмотрены
во второй части учебного пособия, подготавливаемой
к печати. В пособии не освещены вопросы, связанные с проводниковыми,
полупроводниковыми и магнитными материалами, поскольку
они традиционно изучаются в рамках специальных дисциплин.
Первая часть учебного пособия состоит из двух разделов. Первый
раздел, включающий в себя главы 1 и 2, посвящен общим вопросам
материаловедения.
В первой главе рассмотрены основные понятия кристаллофизики,
строение и кристаллографические структуры твердых тел, элемен3
Стр.4
Предисловие
ты симметрии, дефекты структуры реальных кристаллов и особенности
аморфных твердых тел. Особое внимание уделено структурногеометрическим
особенностям наноматериалов, роли поверхности
и поверхностных процессов в формировании особых свойств нанообъектов.
Вторая
глава посвящена элементам кристаллохимии: рассмотрены
природа и типы химических связей, характеристики кристаллических
структур.
Во втором разделе, включающем главы 3–6, освещены основные
физические явления, происходящие в диэлектриках при воздействии
на них постоянных и (или) переменных электрических полей. В главе 3
подробно изложены основные положения физики поляризационных
процессов, определяющих важнейшие характеристики пассивных диэлектриков.
В
четвертой главе рассматриваются особенности электропроводности
объемных диэлектриков и тонких диэлектрических пленок
в постоянном и переменном электрическом поле. Анализируются причины
частотной и температурной зависимости электропроводности.
В пятой главе освещены особенности диэлектрических потерь
в диэлектриках. Рассмотрены возможные механизмы, температурные
и частотные зависимости потерь, методы их расчета.
Заключительная шестая глава посвящена физическим закономерностям
пробоя газовых, жидких и твердых сред.
В конце каждой главы приведены контрольные вопросы и задания.
Пособие
снабжено библиографическим списком. Краткий терминологический
словарь и обозначение физических величин приведены
в приложении.
В учебное пособие включены разделы, написанные по различным
источникам: основным учебникам, справочникам, статьям, опубликованным
в печатных изданиях и размещенным в Интернете.
В связи с этим авторы не претендуют на оригинальность изложенного
материала, часть которого скомпилирована из нескольких источников.
При написании учебного пособия основными целями являлись
подборка, структурирование, систематизация и изложение материала
в рамках требований подготовки инженеров, бакалавров и магистров
по указанным направлениям.
4
Стр.5
Оглавление
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................................
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................
Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ
КРИСТАЛЛОГРАФИИ ...................................................................
3
5
7
Глава 1. Элементы кристаллофизики..................................................... 7
1.1. Основные понятия и определения ................................................... 7
1.2. Кристаллическая решетка и структура идеальных кристаллов ... 10
1.2.1. Общая характеристика и классификация кристаллических
структур ...................................................................... 10
1.2.2. Метод индексации кристаллографических плоскостей
и направлений ..................................................................... 15
1.2.3. Обозначение поверхностных структур ............................ 18
1.3. Симметрия твердых тел .................................................................... 22
1.4. Основные типы кристаллических структур ................................... 27
1.4.1. Металлические кристаллы ................................................ 31
1.4.2. Диэлектрические кристаллы ............................................. 33
1.4.3. Полупроводниковые кристаллы ....................................... 34
1.5. Политипизм, полиморфизм и изоморфизм .................................... 36
1.6. Аморфные твердые тела ................................................................... 46
1.7. Структурно-геометрические особенности наноматериалов ......... 51
1.8. Дефекты структуры реальных кристаллов ..................................... 57
1.8.1. Классификация дефектов .................................................. 57
1.8.2. Точечные дефекты ............................................................. 59
1.8.3. Линейные дефекты ............................................................. 61
1.8.4. Поверхностные и объемные дефекты .............................. 64
1.8.5. Структурные дефекты реальных поверхностей .............. 68
Контрольные вопросы и задания ............................................................ 75
Глава 2. Элементы кристаллохимии ...................................................... 76
2.1. Основные понятия и определения ................................................... 76
2.2. Химическая связь. Типы химической связи ................................... 81
2.2.1. Ковалентная связь .............................................................. 85
2.2.2. Донорно-акцепторная связь .............................................. 90
2.2.3. Ионная связь ....................................................................... 91
2.2.4. Металлическая связь .......................................................... 93
2.2.5. Молекулярная связь ........................................................... 95
2.2.6. Водородная связь ............................................................... 98
277
Стр.278
Оглавление
2.3. Основные типы кристаллов.............................................................. 100
2.3.1. Молекулярные кристаллы ................................................. 101
2.3.2. Металлические кристаллы ................................................ 102
2.3.3. Ковалентные кристаллы .................................................... 104
2.3.4. Ионные кристаллы ............................................................. 105
Контрольные вопросы и задания ............................................................ 108
Раздел 2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ: ОСНОВНЫЕ
ПОЛОЖЕНИЯ ФИЗИКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ ........................... 109
Глава 3. Поляризация диэлектриков ...................................................... 110
3.1. Характерные особенности диэлектриков ....................................... 110
3.2. Полярные и неполярные молекулы. Собственный и индуцированный
дипольный момент .............................................................. 114
3.3. Поляризация диэлектриков в постоянном поле ............................. 120
3.4. Относительная диэлектрическая проницаемость. Уравнение
Клаузиуса – Мосотти ........................................................................ 124
3.5. Виды и механизмы поляризации ..................................................... 127
3.5.1. Оптические виды поляризации ......................................... 129
3.5.2. Релаксационные виды поляризации ................................. 135
3.5.3. Особые виды поляризации ................................................ 142
3.6. Поляризация диэлектриков в импульсных полях .......................... 149
3.7. Поляризация диэлектриков в переменном синусоидальном
электрическом поле .......................................................................... 151
3.8. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости ........... 157
3.9. Диэлектрическая проницаемость композиционных
диэлектриков ..................................................................................... 160
Контрольные вопросы и задания ............................................................ 164
Глава 4. Электропроводность диэлектриков ........................................ 165
4.1. Особенности электропроводности диэлектриков. Основные
понятия и определения ..................................................................... 165
4.1.1. Структура и природа электрического тока в диэлектриках
.................................................................................. 165
4.1.2. Механизмы генерации и переноса носителей заряда
в диэлектриках ................................................................... 174
4.2. Виды электропроводности диэлектриков ....................................... 176
4.3. Особенности электропроводности газообразных и жидких
диэлектриков ..................................................................................... 186
4.4. Электропроводность тонких диэлектрических пленок ................. 194
4.5. Электропроводность диэлектриков в переменном электрическом
поле ........................................................................................... 204
Контрольные вопросы и задания ............................................................ 210
278
Стр.279
Оглавление
Глава 5. Диэлектрические потери ........................................................... 211
5.1. Общие сведения ................................................................................. 211
5.2. Тангенс угла диэлектрических потерь ............................................ 213
5.3. Виды диэлектрических потерь ......................................................... 217
5.3.1. Потери на электропроводность ........................................ 218
5.3.2. Ионизационные потери ..................................................... 220
5.3.3. Миграционные потери ....................................................... 221
5.3.4. Релаксационные потери ..................................................... 223
5.3.5. Резонансные потери ........................................................... 226
5.4. Расчет полных диэлектрических потерь в однородном диэлектрике
во внешнем синусоидальном электрическом поле ............. 227
5.5. Эквивалентные схемы диэлектрика с потерями ............................ 229
Контрольные вопросы и задания ............................................................ 231
Глава 6. Пробой диэлектриков ................................................................. 232
6.1. Основные понятия и определения. Общая характеристика
пробоя ................................................................................................ 232
6.2. Механизмы пробоя ............................................................................ 235
6.3. Пробой газообразных диэлектриков ............................................... 238
6.4. Пробой жидких диэлектриков ......................................................... 243
6.5. Пробой твердых диэлектриков ........................................................ 244
6.5.1. Электрический пробой твердых диэлектриков (модель
Хиппеля – Фрелиха) .......................................................... 245
6.5.2. Тепловой пробой твердых диэлектриков (модель
Вагнера) ............................................................................... 246
6.5.3. Электрохимический пробой твердых диэлектриков ...... 251
6.6. Пробой неоднородных диэлектриков ............................................. 251
Контрольные вопросы и задания ............................................................ 253
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 255
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................. 256
ПРИЛОЖЕНИЕ .................................................................................................... 257
Краткий терминологический словарь .................................................... 257
Обозначения и единицы некоторых физических величин,
регламентированные отечественными и международными
стандартами .................................................................................................. 272
279
Стр.280