Permittivité et Constante diélectrique k
Constante diélectrique, k
Les propriétés diélectriques des différents matériaux utilisés dans la fabrication et le conditionnement de semi-conducteurs jouent un rôle important dans la réalisation des performances souhaitées des circuits intégrés. Une compréhension de base des propriétés diélectriques est donc nécessaire pour la plupart des ingénieurs travaillant dans l’industrie des semi-conducteurs.
Une propriété importante d’un matériau diélectrique est sa permittivité. La permittivité (ε) est une mesure de la capacité d’un matériau à être polarisé par un champ électrique.
Il est cependant plus facile de saisir le concept de permittivité en discutant d’abord d’une propriété étroitement liée, la capacité (C). La capacité est une mesure de la capacité d’un matériau à maintenir une charge si une tension lui est appliquée, et est mieux modélisée par une couche diélectrique prise en sandwich entre deux plaques conductrices parallèles.
Si une tension V est appliquée aux bornes d’un condensateur de capacité C, alors la charge Q qu’il peut supporter est directement proportionnelle à la tension appliquée V, la capacité C étant la constante de proportionnalité
. Ainsi, Q = CV, ou C = Q / V. L’unité de mesure de la capacité est le farad (coulomb par volt).
La capacité d’un condensateur dépend de la permittivité
ε
de la couche diélectrique, ainsi que de l’aire A du condensateur et de la distance de séparation d entre les deux plaques conductrices. La permittivité et la capacité sont mathématiquement liées comme suit: C=
ε
(A/d).
Lorsque le diélectrique utilisé est le vide, alors la capacité Co
=
ε
o(A/d), où
ε
o est la permittivité du vide (8,85 x 10-12 F/m
).
La constante diélectrique (k) d’un matériau est le rapport de sa permittivité
ε
à la permittivité du vide
ε
o, donc k=
ε
/
ε
o. Le diélectrique la constante est donc également connue sous le nom de permittivité relative du matériau. Comme la constante diélectrique n’est qu’un rapport de deux quantités similaires, elle est sans dimension.
Compte tenu de sa définition, la constante diélectrique du vide est 1. Un
matériau ny est capable de polariser plus que le vide, de sorte que le k d’un matériau est toujours >1. Notez que la constante diélectrique est également fonction de la fréquence dans certains matériaux, par exemple les polymères, principalement parce que la polarisation est affectée par la fréquence.
Un diélectrique à faible k est un diélectrique qui a une faible permittivité, ou une faible capacité de polarisation et de maintien de la charge. Les diélectriques à faible k sont de très bons isolants pour isoler les conducteurs porteurs de signaux les uns des autres. Ainsi, les diélectriques à faible k sont une nécessité dans les circuits intégrés multicouches très denses, dans lesquels le couplage entre des lignes métalliques très proches doit être supprimé pour éviter une dégradation des performances du dispositif.
Un diélectrique à k élevé, en revanche, a une permittivité élevée. Parce que les diélectriques à k élevé sont bons pour retenir la charge, ils sont le diélectrique préféré pour les condensateurs. Les diélectriques à k élevé sont également utilisés dans les cellules de mémoire qui stockent des données numériques sous forme de charge.