PCB設計電子中的鐵電磁滯回線(xiàn)

2020-10-17

當您想到磁滯時(shí)，您可能會(huì )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(huì )出現遲滯現象，以提供一定程度的抗噪性，一旦輸入電壓超過(guò)某個(gè)預定義的閾值，它便可以提供簡(jiǎn)單的電氣開(kāi)關(guān)。還有另一類(lèi)具有磁滯現象和開(kāi)關(guān)行為的材料：鐵電體。

鐵電材料是鐵磁材料的電模擬物，但是驅動(dòng)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(lèi)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(xiàn)？

電子產(chǎn)品中的獨特設備可以利用鐵電材料中的磁滯現象，這是通過(guò)電場(chǎng)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)之間的區別在于，在去除電場(chǎng)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(chǎng)，鐵電材料就可以返回中性狀態(tài)。

這類(lèi)似于鐵磁性，因為鐵磁體在暴露于磁場(chǎng)后可以保持其磁化強度。這就需要克服一個(gè)閾值來(lái)改變剩余極化的幅度和方向，這意味著(zhù)這些材料像磁鐵一樣會(huì )表現出磁滯現象。下圖顯示了鐵電磁滯回線(xiàn)，其基本結構與磁滯回線(xiàn)相同。圖上標出了一些重要點(diǎn)。

鐵電磁滯回線(xiàn)顯示鐵電材料中的總極化。

鐵電磁滯回線(xiàn)的要點(diǎn)

鐵電磁滯回線(xiàn)有三個(gè)要點(diǎn)： 

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

剩余極化（P R）：去除電場(chǎng)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(chǎng)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(xiàn)中提取相同的點(diǎn)。磁滯回線(xiàn)上的這些重要點(diǎn)取決于驅動(dòng)鐵電材料中極化磁滯的物理機制。

鐵電驅動(dòng)因素

在宏觀(guān)層面上，入射電場(chǎng)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。這些材料的結構允許鎖定束縛電荷分布的這種變化，即使在去除入射電場(chǎng)之后，束縛電荷仍保留在新的分布中。在微觀(guān)上，這種現象的物理機制包括離子遷移和陷阱態(tài)填充等。 

從數學(xué)上講，材料中的極化是分段非線(xiàn)性的，具體取決于電場(chǎng)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(xiàn)。當使用鐵電體構造新的組件并使用這些組件進(jìn)行電路仿真時(shí)，這一點(diǎn)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，從可調非線(xiàn)性元件到能量產(chǎn)生。一些示例包括：

動(dòng)態(tài)電容器比變容二極管具有更大的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度

負電容電容器

用于光子學(xué)應用的非線(xiàn)性波導

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，如果電場(chǎng)下降，可以保持效率

高靈敏度熱釋電傳感器

調制器

非易失性存儲器

在這些潛在的應用中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池受到了很多研究的關(guān)注，并且可能是下一個(gè)商業(yè)上可獲得的鐵電產(chǎn)品。但是，由于轉換效率的定義不明確，這些設備中的鐵電磁滯回線(xiàn)被視為成功進(jìn)行功率轉換的障礙。如果鐵電半導體的制造工藝繼續發(fā)展，動(dòng)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RAM（FRAM）。這些器件具有在CMOS工藝中使用鐵電半導體的相對簡(jiǎn)單的結構。在這種類(lèi)型的裝置中，鐵電材料作為NPN晶體管結構中的基底上的電介質(zhì)隔離層放置?？梢詫⒁稽c(diǎn)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(xiàn)上施加足夠大的電場(chǎng)以反轉或清除極化，否則不會(huì )丟失位。

鐵電磁滯回線(xiàn)顯示鐵電材料中的總極化。

當前的FRAM產(chǎn)品范圍每個(gè)模塊最多只能提供8 MB的存儲，這些存儲分布在多個(gè)存儲區中。但是，這種材料中的剩余極化具有無(wú)限的讀寫(xiě)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。