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技術(shù)專題

PCB設計電子中的鐵電磁滯回線


當您想到磁滯時,您可能會想到鐵磁組件,例如鐵芯電感器和鐵氧體變壓器。施密特觸發(fā)器中也會出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象,以提供一定程度的抗噪性,一旦輸入電壓超過某個預定義的閾值,它便可以提供簡單的電氣開關(guān)。還有另一類具有磁滯現(xiàn)象和開關(guān)行為的材料:鐵電體。

鐵電材料是鐵磁材料的電模擬物,但是驅(qū)動這些材料中的磁滯的物理機制是不同的。鐵磁材料享有許多涉及功率轉(zhuǎn)換,濾波和隔離的應用,但鐵電材料的應用水平卻不高。這是這種獨特材料類別的一些潛在應用,以及它們在電路中的行為方式。

什么是鐵電磁滯回線?

電子產(chǎn)品中的獨特設備可以利用鐵電材料中的磁滯現(xiàn)象,這是通過電場和物質(zhì)之間的相互作用而發(fā)生的。鐵電材料與其他電介質(zhì)之間的區(qū)別在于,在去除電場后,鐵電體保持其極化,而其他電介質(zhì)返回中性狀態(tài)。此外,只要對材料施加足夠強的反向電場,鐵電材料就可以返回中性狀態(tài)。

這類似于鐵磁性,因為鐵磁體在暴露于磁場后可以保持其磁化強度。這就需要克服一個閾值來改變剩余極化的幅度和方向,這意味著這些材料像磁鐵一樣會表現(xiàn)出磁滯現(xiàn)象。下圖顯示了鐵電磁滯回線,其基本結(jié)構(gòu)與磁滯回線相同。圖上標出了一些重要點。

鐵電磁滯回線顯示鐵電材料中的總極化。

鐵電磁滯回線的要點

鐵電磁滯回線有三個要點: 

矯頑力(E C):這是在正負值之間切換極化所需的電場。請注意,正電場會引起負極化,從而引起負電容。

剩余極化(P R):去除電場后材料中殘留的極化量

飽和極化強度(P S):這是材料在高電場強度下可以感應的最大極化強度。

注意,可以從鐵磁磁滯回線中提取相同的點。磁滯回線上的這些重要點取決于驅(qū)動鐵電材料中極化磁滯的物理機制。

鐵電驅(qū)動因素

在宏觀層面上,入射電場在束縛電荷的空間分布中產(chǎn)生位移,這在麥克斯韋方程中被量化為極化。這些材料的結(jié)構(gòu)允許鎖定束縛電荷分布的這種變化,即使在去除入射電場之后,束縛電荷仍保留在新的分布中。在微觀上,這種現(xiàn)象的物理機制包括離子遷移和陷阱態(tài)填充等。 

從數(shù)學上講,材料中的極化是分段非線性的,具體取決于電場是增加還是減少。用于建模磁滯的相同技術(shù)也可以用于建模鐵電磁滯回線。當使用鐵電體構(gòu)造新的組件并使用這些組件進行電路仿真時,這一點變得很重要。一些有趣的設備可以在許多領(lǐng)域利用鐵電磁滯。

鐵電材料的應用

鐵電材料在電子領(lǐng)域有許多應用,從可調(diào)非線性元件到能量產(chǎn)生。一些示例包括:

動態(tài)電容器比變?nèi)荻O管具有更大的動態(tài)范圍和靈敏度

負電容電容器

用于光子學應用的非線性波導

鈣鈦礦太陽能電池,如果電場下降,可以保持效率

高靈敏度熱釋電傳感器

調(diào)制器

非易失性存儲器

在這些潛在的應用中,鈣鈦礦太陽能電池受到了很多研究的關(guān)注,并且可能是下一個商業(yè)上可獲得的鐵電產(chǎn)品。但是,由于轉(zhuǎn)換效率的定義不明確,這些設備中的鐵電磁滯回線被視為成功進行功率轉(zhuǎn)換的障礙。如果鐵電半導體的制造工藝繼續(xù)發(fā)展,動態(tài)電容器和負極電容器也可以商業(yè)化。

也許當前最流行的鐵電設備是鐵電RAMFRAM)。這些器件具有在CMOS工藝中使用鐵電半導體的相對簡單的結(jié)構(gòu)。在這種類型的裝置中,鐵電材料作為NPN晶體管結(jié)構(gòu)中的基底上的電介質(zhì)隔離層放置。可以將一點作為極化存儲在鐵電體中。此外,鐵電體中的磁滯確保除非在字線上施加足夠大的電場以反轉(zhuǎn)或清除極化,否則不會丟失位。

鐵電磁滯回線顯示鐵電材料中的總極化。

當前的FRAM產(chǎn)品范圍每個模塊最多只能提供8 MB的存儲,這些存儲分布在多個存儲區(qū)中。但是,這種材料中的剩余極化具有無限的讀寫循環(huán)能力,并且剩余極化確保了該材料用作非易失性存儲器。如果改善鐵電半導體工藝,則可以將更多的FRAM器件和其他鐵電產(chǎn)品商業(yè)化。

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