Сегнетоэлектрический планарный конденсатор

Изобретение относится к сегнетоэлектрическим конденсаторам и может быть использовано в технике СВЧ с использованием планарной технологии. Согласно изобретению сегнетоэлектрический конденсатор содержит диэлектрическую подложку из сегнетоэлектрика и сформированные на ней электроды, причем диэлектрическая подложка изготовлена из полярного молекулярного сегнетоэлектрического кристалла, содержащего биполярные анизотропно-мобильные молекулы, например молекулы глицина в кристаллическом триглицинсульфате формулы (NH₂СН₂СООН)₃Н₂SO₄. Техническим результатом изобретения является создание поверхностных эффективных миниатюрных конденсаторов. 1 ил.

 

Изобретение относится к конденсаторам, а именно к сегнетоэлектрическим конденсаторам, и может быть использовано в технике СВЧ с использованием планарной технологии.

В технике СВЧ широкое применение нашли планарные конденсаторы. Как правило, они состоят из трех слоев: диэлектрическая подложка, сегнетоэлектрический слой и планарные электроды [1-4]. Известны планарные конденсаторы, содержащие в отличие от стандартной планарной структуры дополнительный подэлектродный слой [2], что обеспечивает дополнительную защиту сегнетоэлектрической пленки от электрического пробоя и более однородное распределение электрического слоя в сегнетоэлектрической пленке. В качестве сегнетоэлектрика используются, например, титанат стронция [4] или триглицеринсульфат (ТГС) [5], взятый нами в качестве прототипа. В предлагаемых конструкциях управляемость емкостью определяется изменениями в области, в которой в основном сконцентрировано электрическое поле.

Задачей изобретения является создание поверхностных эффективных по ряду параметров миниатюрных конденсаторов в планарном исполнении.

Данная задача решается тем, что в известном конденсаторе, содержащем диэлектрическую подложку из сегнетоэлектрика и сформированные на ней электроды, согласно изобретению диэлектрическая подложка изготовлена из молекулярного сегнетоэлектрического кристалла, содержащего биполярные анизотропно-мобильные молекулы, например молекулы глицина в кристаллическом триглицинсульфате формулы (NH₂СН₂COOH)₃Н₂SO₄.

В молекулярных кристаллах отдельные крупные молекулы могут обладать большим дипольным моментом. Такие элементы структуры кристалла - цвиттерионы [6-8] - у поверхности кристалла закреплены слабее, чем в объеме и приобретают дополнительную способность к колебательно-вращательному движению по действием поля вдоль поверхности. Та часть поверхностного слоя, которая содержит подобные молекулы, по толщине имеет порядок h˜10^-8-10^-9 м, т.е. размер нескольких параметров элементарной ячейки кристаллической решетки. Поверхностная концентрация таких анизатропно-мобильных молекул достаточно велика: по крайней мере одна молекула на ячейку.

На чертеже изображена схема конденсатора, разрез. Он состоит из сегнетоэлектрического кристалла 1, планарных электродов 2, поверхностного слоя 3.

На примере молекулярного сегнетоэлектрического кристалла триглицинсульфата (NH₂CH₂COOH)₃H₂SO₄ с биполярными молекулами глицина можно показать, что диэлектрическая проницаемость поверхностного слоя 3 ε вдоль поверхности достигает больших значений. По нашим оценкам величина емкости С системы - планарные электроды 2 и участок поверхности полярного среза 4 рассматриваемого кристалла между ними при длине зазора w=1,0 см и его ширине s=0,2 мм - за вычетом геометрической части емкости имеет порядок 10^-12 Ф. Связь между диэлектрической проницаемостью и этой емкостью выражается [2]:

Таким образом, при ε₀=8,85•10^-12 Ф/м с учетом значений указанных выше параметров диэлектрическая проницаемость поверхностного слоя 3 триглицинсульфата вдоль поверхности полярного среза 4 кристалла составляет величину порядка 10⁵-10⁶, хотя в направлении, перпендикулярном к поверхности, как известно [6-8], диэлектрическая проницаемость поверхностного слоя сегнетоэлектриков обычно не превосходит значения 10.

При специальной конфигурации планарных электродов, например типа встречнонаправленных и вложенных одна в другую гребенок с длинными зазором между ними, величину поверхностной емкости можно менять в значительном интервале значений как за счет длины зазора, так и за счет его ширины. Кроме того, ширина зазора определяет величину рабочего напряжения и для высокоомных сегнетоэлектрических кристаллов даже достаточно узкого зазора позволяет использовать большие значения такого напряжения. Использование поверхностных нанослоев полярных кристаллов с анизотропно-мобильными биполярными молекулами открывает возможность создания поверхностных эффективных по ряду параметров миниатюрных конденсаторов в планарном исполнении без дополнительного подэлектродного слоя.

Использованная литература

1. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ. Под ред. О.Г.Вендика. - М.: Сов. радио, 1979, с.269.

2. Вендик О.Г. Моделирование характеристик многослойного планарного конденсатора / О.Г.Вендик, М.А.Никольский // Журнал технической физики, - 2001. - Т.71, №1. C.117-121.

3. А.с. СССР №438055, 1974 г.

4. А.с. СССР №301750, 1971 г.

5. А.с. СССР №147815, 1962 г.

6. Иона Ф. Сегнетоэлектрические кристаллы / Ф.Иона, Д. Ширане. - Москва: Изд-во Мир, 1965. - 556 с.

7. Желудев И.С. Физика кристаллических диэлектриков / И.С.Желудев. - Москва: Изд-во Наука, 1968. - 446 с.

8. Фридкин В.М. Сегнетоэлектрики - полупроводники / Фридкин В.М. - Москва: Изд-во Наука, 1976. - 408 с.

Сегнетоэлектрический конденсатор, содержащий диэлектрическую подложку из сегнетоэлектрика и сформированные на ней электроды, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка изготовлена из молекулярного сегнетоэлектрического кристалла, содержащего биполярные анизотропно-мобильные молекулы, например молекулы глицина в кристаллическом триглицинсульфате формулы (NH₂CH₂COOH)₃H₂SO₄.