Permitividad y Constante dieléctrica k
Constante dieléctrica, k
Las propiedades dieléctricas de los diversos materiales utilizados en la fabricación y embalaje de semiconductores desempeñan un papel importante en el logro del rendimiento deseado de los circuitos integrados. Por lo tanto, la mayoría de los ingenieros que trabajan en la industria de semiconductores necesitan una comprensión básica de las propiedades dieléctricas.
Una propiedad importante de un material dieléctrico es su constante dieléctrica. La permitividad (ε) es una medida de la capacidad de un material para ser polarizado por un campo eléctrico.
Sin embargo, es más fácil comprender el concepto de permitividad discutiendo primero una propiedad
estrechamente relacionada, la capacitancia (C). La capacitancia es una medida de la capacidad de un material para mantener la carga si se aplica un voltaje a través de él, y se modela mejor mediante una capa dieléctrica que está intercalada entre dos placas conductoras paralelas.
Si se aplica un voltaje V a través de un condensador de capacitancia C, entonces la carga Q que puede sostener es directamente proporcional al voltaje V aplicado, con la capacitancia C como constante de proporcionalidad
. Por lo tanto, Q = CV, o C = Q/V. La unidad de medida de la capacitancia es el farad (coulomb por voltio).
La capacitancia de un condensador depende de la constante dieléctrica
ε
de la capa dieléctrica, así como el área del condensador y la distancia de separación d entre las dos placas conductoras. La permitividad y la capacitancia están matemáticamente relacionadas de la siguiente manera: C =
ε
(A/d).
Cuando el dieléctrico utilizado es vacío, entonces la capacitancia Co
=
ε
o (A/d), donde
ε
o es la permitividad del vacío (8.85 x 10-12 F/m
).
La constante dieléctrica (k) de un material es la relación de su permitividad
ε
a la permitividad del vacío
ε
o, por lo que k =
ε
/
ε
o’. La constante dieléctrica es, por tanto, también conocida como la permitividad relativa del material. Dado que la constante dieléctrica es solo una relación de dos cantidades similares, es adimensional.
Dada su definición, la constante dieléctrica del vacío es 1. Un material
ny es capaz de polarizar más que el vacío, por lo que la k de un material es siempre > 1. Tenga en cuenta que la constante dieléctrica también es una función de la frecuencia en algunos materiales, por ejemplo, polímeros, principalmente porque la polarización se ve afectada por la frecuencia.
Un dieléctrico de baja k es un dieléctrico que tiene una baja permitividad o baja capacidad para polarizar y mantener la carga. Los dieléctricos de bajo k son muy buenos aislantes para aislar los conductores portadores de señales entre sí. Por lo tanto, los dieléctricos de k bajo son una necesidad en los circuitos integrados multicapa muy densos, en los que el acoplamiento entre líneas metálicas muy cercanas debe suprimirse para evitar una degradación en el rendimiento del dispositivo.
Un dieléctrico de alta-k, por otro lado, tiene una alta permitividad. Debido a que los dieléctricos de alta k son buenos para mantener la carga, son el dieléctrico preferido para los condensadores. Los dieléctricos de alta k también se utilizan en células de memoria que almacenan datos digitales en forma de carga.