Permittiviteit en diëlektrische constante k
diëlektrische constante, k
de diëlektrische eigenschappen van de verschillende gebruikte materialen in halfgeleiderproductie en verpakking spelen een belangrijke rol bij het bereiken van de gewenste prestaties van geïntegreerde schakelingen. Een basiskennis van diëlektrische eigenschappen is daarom nodig voor de meeste ingenieurs die werkzaam zijn in de halfgeleiderindustrie.
een belangrijke eigenschap van een diëlektrisch materiaal is zijn permittiviteit. Permittiviteit (ε) is een maat voor het vermogen van een materiaal om gepolariseerd te worden door een elektrisch veld.
Het is echter gemakkelijker om het concept van permittiviteit te begrijpen door eerst een
nauw verwante eigenschap, capaciteit (C), te bespreken. Capaciteit is een maat voor het vermogen van een materiaal om lading vast te houden als er een spanning over wordt toegepast, en wordt het best gemodelleerd door een diëlektrische laag die is ingeklemd tussen twee parallelle geleidende platen.
als een spanning V wordt toegepast over een condensator met capaciteit C, is de lading Q die deze kan vasthouden recht evenredig met de toegepaste spanning V, met de capaciteit C als de proportionaliteitsconstante
. Q = CV, of C = Q / V. De meeteenheid voor capaciteit is de farad (coulomb per volt).
de capaciteit van een condensator hangt af van de permittiviteit
ε
van de diëlektrische laag, evenals het oppervlak A van de condensator en de scheidingsafstand d tussen de twee geleidende platen. Permittiviteit en capaciteit zijn wiskundig gerelateerd als volgt: C =
ε
(A/d).
wanneer het gebruikte diëlektrische apparaat vacuüm is, dan is de capaciteit Co
=
ε
O (A/d), waarbij
ε
o de permittiviteit van vacuüm is (8,85 x 10-12 F/m
).
de diëlektrische constante (k) van een materiaal is de verhouding tussen zijn permittiviteit
ε
en de permittiviteit van vacuüm
ε
o, dus k =
ε
/
ε
O. bekend als de relatieve permittiviteit van het materiaal. Aangezien de diëlektrische constante slechts een verhouding van twee gelijkaardige grootheden is, is het dimensieloos.
volgens de definitie is de diëlektrische constante van vacuüm 1. Een
ny-materiaal kan meer polariseren dan vacuüm, dus de k van een materiaal is altijd > 1. Merk op dat de diëlektrische constante ook een functie van frequentie is in sommige materialen, bijvoorbeeld polymeren, voornamelijk omdat polarisatie wordt beïnvloed door frequentie.
een laag-k-diëlektricum is een diëlektricum met een lage permittiviteit, of een lage capaciteit om te polariseren en lading vast te houden. Low-k diëlektrics zijn zeer goede isolatoren voor het isoleren van signaal-dragende geleiders van elkaar. Dus, low-k diëlektrics zijn een noodzaak in zeer dichte multi-layered IC ‘ s, waarbij koppeling tussen zeer nauwe metalen lijnen moeten worden onderdrukt om een degradatie in apparaat prestaties te voorkomen.
een diëlektricum met hoge k heeft daarentegen een hoge permittiviteit. Omdat High-k diëlektrics goed zijn in het vasthouden van lading, zijn ze de voorkeur diëlektricum voor condensatoren. High-k diëlektrics worden ook gebruikt in geheugencellen die digitale gegevens in de vorm van lading opslaan.