Przenikalność i stała dielektryczna k
Stała dielektryczna, k
właściwości dielektryczne różnych materiałów stosowanych w produkcji półprzewodników i opakowaniach odgrywają ważną rolę w osiągnięciu pożądanej wydajności układów scalonych. Podstawowe zrozumienie właściwości dielektrycznych jest zatem potrzebne większości inżynierów pracujących w przemyśle półprzewodników.
jedną z ważnych właściwości materiału dielektrycznego jest jego przenikalność. Przenikalność (ε) jest miarą zdolności materiału do spolaryzowania przez pole elektryczne.
łatwiej jest jednak zrozumieć pojęcie przenikalności, najpierw omawiając
ściśle powiązaną właściwość, pojemność (C). Pojemność jest miarą zdolności materiału do utrzymywania ładunku, jeśli napięcie jest przyłożone do niego i jest najlepiej modelowane przez warstwę dielektryczną, która jest umieszczona między dwoma równoległymi płytami przewodzącymi.
Jeśli napięcie V jest przyłożone do kondensatora o pojemności C, wówczas ładunek Q, który może pomieścić, jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia V, z pojemnością C jako stałą proporcjonalności
. Tak więc Q = CV lub C = Q / V. jednostką miary pojemności jest farad (coulomb na wolt).
pojemność kondensatora zależy od przenikalności
ε
warstwy dielektrycznej, a także obszaru a kondensatora i odległości separacji d między dwiema płytami przewodzącymi. Przenikalność i Pojemność są matematycznie powiązane w następujący sposób: C =
ε
(A/d).
gdy zastosowany dielektryk jest próżniowy, wówczas pojemność co
=
ε
o (A/d), gdzie
ε
O jest przenikalnością próżni (8,85 x 10-12 F/M
).
stała dielektryczna (K) materiału jest stosunkiem jego przenikalności
ε
do przenikalności próżni
ε
O, więc k =
ε
/
ε
o. stała jest zatem znana również jako względna przenikalność materiału. Ponieważ stała dielektryczna jest tylko stosunkiem dwóch podobnych wielkości, jest bezwymiarowa.
biorąc pod uwagę jego definicję, stała dielektryczna próżni wynosi 1. A
materiał ny jest w stanie polaryzować bardziej niż próżnia, więc k materiału jest zawsze > 1. Należy zauważyć, że stała dielektryczna jest również funkcją częstotliwości w niektórych materiałach, np. polimerach, głównie dlatego, że polaryzacja ma wpływ na częstotliwość.
dielektryk low-k to dielektryk o niskiej przenikalności lub niskiej zdolności do polaryzacji i utrzymywania ładunku. Dielektryki Low-k są bardzo dobrymi izolatorami do izolowania przewodów przewodzących sygnał od siebie. Tak więc dielektryki o niskim k są koniecznością w bardzo gęstych wielowarstwowych układach scalonych, w których sprzęgło między bardzo bliskimi liniami metalowymi musi zostać stłumione, aby zapobiec pogorszeniu wydajności urządzenia.
dielektryk o wysokiej k ma natomiast wysoką przenikalność. Ponieważ dielektryki o wysokiej wartości K są dobre w utrzymywaniu ładunku, są preferowanym dielektrykiem dla kondensatorów. Dielektryki High-k są również stosowane w komórkach pamięci, które przechowują dane cyfrowe w postaci ładunku.