有機物絕緣材料的性能

作者: 東莞市美鑫絕緣材料有限公司 日期: 2018-03-05 人氣: - 評論: 0

有機物是天然的絕緣材料,在普通的電氣絕緣方面等得到廣泛的應用,典型的絕緣材料日常生活中處處可見,如塑料(聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍等)橡膠等的電阻率很高;很多有機物、有機物的混合材料及添加無機納米材料的有機物都是很好的絕緣材料,為了實現不同功能的絕緣材料,人們在這些方面進行了廣泛的研究。

醋酸乙烯樹脂通常用的有機場效應管的柵介質材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),然而由于它的低介電常數和薄膜制備上的問題,促使人們研究新的替代物。

醋酸乙烯樹脂(PVAc)是目前正在研究作為有機薄膜晶體管(OTFrs)的柵絕緣層,因為它能通過乙烯醇的水解,并且與無機材料粒子形成化合物,它的介電常數在3293之間適合作為OTFr的絕緣層,韓國的Park等人通過旋涂的方法在鋁基上沉積了200 nmPVAc薄膜,使用1(質量)PVAc001(質量)的有機粘土的氯仿溶液,他們得到添加了有機粘土的材料的介電常數為389,相對于沒有摻人有機粘土時的介電常數增加了045左右。

偏二氟乙烯和三氟胸苷的混合物(P(VDFTrFE))具有較高的介電常數(11),它能增加OFETs的跨導,從而降低工作電壓,在一定的厚度范圍內(>1m)對晶體管沒有滯后效應,是作為OFET器件柵極的最佳候選材料之一。同時在當材料的厚度<1 Ixm時,薄膜具有典型的鐵電介質的極化滯后曲線,因此它同時又是作為有機存儲器電介質可選材料。制備這種材料只需要傳統的旋涂設備就可以完成,不需其他輔助裝置。和其他功能薄膜一樣,絕緣薄膜有它自身的性質及表征方法。

下面是對絕緣薄膜的一些主要性能表征方法的介紹。

(1)電擊穿強度。絕緣薄膜的擊穿一般分為瞬時電擊穿、熱擊穿和老化擊穿。在瞬時電擊穿中,又分為本征性擊穿和非本征性擊穿。前者是結構完美的薄膜在電場瞬時作用下發生的電擊穿,后者是結構中含有缺陷的薄膜在同樣條件下發生的擊穿。與此相對應的擊穿場強稱為薄膜的本征性擊穿場強和非本征性擊穿場強。本征性擊穿場強是薄膜的固有擊穿場強,取決于薄膜本身,非本征性擊穿場強取決于薄膜中的缺陷情況,不屬于薄膜的固有特性。

熱擊穿是由于電介質中存在傳導電流和交變場下的位移電流所引起的發熱量來不及散失而使局部介質溫度升高,直至喪失絕緣性能而遭到熱破壞。熱擊穿電場強度受環境溫度、散熱條件、樣品幾何形狀等外界因素影響很大,是非本征的。較為本征的擊穿是由固體中的傳導電子或傳導空穴在電場中的獲能速率以及它們與固體中的聲子或雜質、缺陷的碰撞造成的失能速率的相互平衡所完全決定。只有在很嚴格的實驗條件下才能測出表征薄膜本身特性的擊穿場強。

為了測得薄膜的實有擊穿場強,現在常用樣品的結構是MIS(金屬一絕緣層一半導體)型或MIM型微型電容器,基片多用單晶SiGaAs,樣品的金屬電極多用Al,厚度為亞微米級。

介質薄膜電擊穿場強的測試方法很多,其中最常用的是連續升壓擊穿(RVB)法,簡稱升壓法,有時也用步進法。升壓法的優點是簡單、明確,很快測得薄膜的瞬時擊穿場強;缺點是不能揭示與擊穿緊密相關的薄膜的其他性能,也不能顯示出擊穿過程和擊穿機理。此外,該法對介質薄膜中的偶然缺陷還不夠敏感。因此,又產生了不少其他的測試方法,如恒壓擊穿(CVB)法、恒流擊穿(CCB)法、電暈放電(CD)法、隨機噪聲信號(RTN)法等。

由于電擊穿場強屬于材料的強度參數,所以具體數值分散性較大,因此給出的測試結果常為三種形式:一種是擊穿概率分布圖;另一種是擊穿積分概率曲線;第三種是給出擊穿場強數值范圍。在這三種形式中,實用意義較大的是擊穿積分概率曲線。因為該曲線不但能反映樣品的質量及其分散程度,進而反映制造工藝水平和工藝穩定性,還可以依此確定薄膜在實用時的有關電場強度,如工作場強、篩選場強等。否則,無法設計使用該種薄膜的有關器件和集成電路。此外,還可由此知道所用工藝水平及其穩定程度。

絕緣薄膜的電阻率一般在1081018 n·m之間。高絕緣材料加上直流電壓后,通過試樣的電流是很微小的,極易受到外界干擾的影響,造成較大的測試誤差。被測試樣、測試電極和測試系統均應采取嚴格的屏蔽措施,并且需要考慮設備的可靠性問題,消除這些影響帶來的測試結果的偏差。

(2)環境溫、濕度。一般材料的電阻值隨環境溫、濕度的升高而減小。相對而言,表面電阻()對環境濕度比較敏感,而體電阻()則對溫度較為敏感。濕度增加,表面泄漏增大,體電導電流也會增加。溫度升高,載流子的運動速率加快,介質材料的吸收電流和電導電流會相應增加。據有關資料報道,一般介質在70時的電阻值僅為在20℃時的10%。因此,測量材料的電阻時,必須指明試樣與環境達到平衡的溫、濕度。

(3)測試電壓(電場強度)。介質材料的電阻()值一般不能在很寬的電壓范圍內保持不變,即歐姆定律對此并不適用。常溫條件下,在較低的電壓范圍內,電導電流隨外加電壓的增加而線性增加,材料的電阻值保持不變。超過一定電壓后,由于離子化運動加劇,電導電流的增加遠比測試電壓增加得快,材料呈現的電阻值迅速降低。由此可見,外加測試電壓越高,材料的電阻值越低,以致在不同電壓下測試得到的材料電阻值可能有較大的差別。值

得注意的是,導致材料電阻值變化的決定因素是測試時的電場強度,而不是測試電壓。對相同的測試電壓,若測試電極之間的距離不同,對材料電阻率的測試結果也將不同,正負電極之間的距離越小,測試值也越小。

(4)測試時間。用一定的直流電壓對被測材料加壓時,被測材料上的電流不是瞬時達到穩定值的,而是有一衰減過程。在加壓的同時,流過較大的充電電流,接著是比較長時間緩慢減小的吸收電流,最后達到比較平穩的電導電流。被測電阻值越高,達到平衡的時間則越長。因此,測量時為了正確讀取被測電阻值,應在穩定后讀取數值或取加壓1 min后的讀數值。

另外,高絕緣材料的電阻值還與其帶電的歷史有關。為準確評價材料的靜電性能,在對材料進行電阻()測試時,應首先對其進行消電處理,并靜置一定的時間,靜置時間可取5min,然后,再按測量程序測試。一般而言,對一種材料的測試,至少應隨機抽取35個試樣進行測試,以其平均值作為測試結果。

(5)測試設備的泄漏。在測試中,線路中絕緣電阻不高的連線,往往會不適當地與被測試樣、取樣電阻等并聯,對測量結果可能帶來較大的影響。因此,為減小測量誤差,應采用保護技術,在漏電流大的線路上安裝保護導體,以基本消除雜散電流對測試結果的影響。

(6)介電常數。MOS結構電容一電壓特性(簡稱Cy特性)測量是檢測MOS器件制造工藝的重要手段。MOS電容它類似于金屬和介質形成的平板電容器。但是,由于半導體中的電荷密度比金屬中的小得多,所以充電電荷在半導體表面形成的空間電荷區有一定的厚度(為微米量級),而不像金屬中那樣,只集中在一薄層中(01 nm)內。

半導體表面空間電荷區的厚度隨K而變化,所以MOS電容是微分電容。


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