Permittivität und Dielektrizitätskonstante k
Dielektrizitätskonstante, k
Die dielektrischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien, die in Halbleiter- fertigung und Verpackung spielen eine wichtige Rolle bei der Erreichung der gewünschten Leistung integrierter Schaltkreise. Ein grundlegendes Verständnis der dielektrischen Eigenschaften wird daher von den meisten Ingenieuren in der Halbleiterindustrie benötigt.
Eine wichtige Eigenschaft eines dielektrischen Materials ist seine Permittivität. Die Permittivität (ε) ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, durch ein elektrisches Feld polarisiert zu werden.
Es ist jedoch einfacher, das Konzept der Permittivität zu verstehen, indem man zuerst eine
eng verwandte Eigenschaft, die Kapazität (C), diskutiert. Die Kapazität ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Ladung zu halten, wenn eine Spannung darüber angelegt wird, und wird am besten durch eine dielektrische Schicht modelliert, die zwischen zwei parallelen leitenden Platten angeordnet ist.
Wenn an einen Kondensator mit der Kapazität C eine Spannung V angelegt wird, ist die Ladung Q, die er halten kann, direkt proportional zur angelegten Spannung V, wobei die Kapazität C die Proportionalitätskonstante ist
. Somit ist Q = CV oder C = Q / V. Die Maßeinheit für die Kapazität ist der Farad (Coulomb pro Volt).
Die Kapazität eines Kondensators hängt von der Permittivität
ε
der dielektrischen Schicht sowie der Fläche A des Kondensators und dem Abstand d zwischen den beiden leitenden Platten ab. Permittivität und Kapazität sind mathematisch wie folgt verwandt: C =
ε
(A/d).
Wenn das verwendete Dielektrikum Vakuum ist, dann ist die Kapazität Co
=
ε
o (A/ d), wobei
ε
o die Permittivität des Vakuums ist (8,85 x 10-12 F/ m
).
Die Dielektrizitätskonstante (k) eines Materials ist das Verhältnis seiner Permittivität
ε
zur Permittivität des Vakuums
ε
o, also k =
ε
/
ε
o. Die Dielektrizitätskonstante wird daher auch als die relative Permittivität des Materials. Da die Dielektrizitätskonstante nur ein Verhältnis zweier ähnlicher Größen ist, ist sie dimensionslos.
Aufgrund seiner Definition ist die Dielektrizitätskonstante des Vakuums 1. Ein
ny-Material kann mehr polarisieren als Vakuum, daher ist das k eines Materials immer > 1. Beachten Sie, dass die Dielektrizitätskonstante in einigen Materialien, z. B. Polymeren, auch eine Funktion der Frequenz ist, hauptsächlich weil die Polarisation durch die Frequenz beeinflusst wird.
Ein Low-k-Dielektrikum ist ein Dielektrikum mit einer niedrigen Permittivität oder einer geringen Fähigkeit, Ladung zu polarisieren und zu halten. Low-k-Dielektrika sind sehr gute Isolatoren, um signalführende Leiter voneinander zu isolieren. Daher sind Low-k-Dielektrika eine Notwendigkeit in sehr dichten mehrschichtigen ICS, wobei die Kopplung zwischen sehr engen Metallleitungen unterdrückt werden muss, um eine Verschlechterung der Bauelementeleistung zu verhindern.
Ein High-k-Dielektrikum hat dagegen eine hohe Permittivität. Da High-k-Dielektrika eine gute Ladung halten, sind sie das bevorzugte Dielektrikum für Kondensatoren. High-k-Dielektrika werden auch in Speicherzellen verwendet, die digitale Daten in Form von Ladung speichern.