PCB设计電(diàn)子中的铁電(diàn)磁滞回線(xiàn)

2020-10-17

当您想到磁滞时，您可(kě)能(néng)会想到铁磁组件，例如铁芯電(diàn)感器和铁氧體(tǐ)变压器。施密特触发器中也会出现迟滞现象，以提供一定程度的抗噪性，一旦输入電(diàn)压超过某个预定义的阈值，它便可(kě)以提供简单的電(diàn)气开关。还有(yǒu)另一类具有(yǒu)磁滞现象和开关行為(wèi)的材料：铁電(diàn)體(tǐ)。

铁電(diàn)材料是铁磁材料的電(diàn)模拟物(wù)，但是驱动这些材料中的磁滞的物(wù)理(lǐ)机制是不同的。铁磁材料享有(yǒu)许多(duō)涉及功率转换，滤波和隔离的应用(yòng)，但铁電(diàn)材料的应用(yòng)水平却不高。这是这种独特材料类别的一些潜在应用(yòng)，以及它们在電(diàn)路中的行為(wèi)方式。

什么是铁電(diàn)磁滞回線(xiàn)？

電(diàn)子产品中的独特设备可(kě)以利用(yòng)铁電(diàn)材料中的磁滞现象，这是通过電(diàn)场和物(wù)质之间的相互作用(yòng)而发生的。铁電(diàn)材料与其他(tā)電(diàn)介质之间的區(qū)别在于，在去除電(diàn)场后，铁電(diàn)體(tǐ)保持其极化，而其他(tā)電(diàn)介质返回中性状态。此外，只要对材料施加足够强的反向電(diàn)场，铁電(diàn)材料就可(kě)以返回中性状态。

这类似于铁磁性，因為(wèi)铁磁體(tǐ)在暴露于磁场后可(kě)以保持其磁化强度。这就需要克服一个阈值来改变剩余极化的幅度和方向，这意味着这些材料像磁铁一样会表现出磁滞现象。下图显示了铁電(diàn)磁滞回線(xiàn)，其基本结构与磁滞回線(xiàn)相同。图上标出了一些重要点。

铁電(diàn)磁滞回線(xiàn)显示铁電(diàn)材料中的总极化。

铁電(diàn)磁滞回線(xiàn)的要点

铁電(diàn)磁滞回線(xiàn)有(yǒu)三个要点： 

矫顽力（E C）：这是在正负值之间切换极化所需的電(diàn)场。请注意，正電(diàn)场会引起负极化，从而引起负電(diàn)容。

剩余极化（P R）：去除電(diàn)场后材料中残留的极化量

饱和极化强度（P S）：这是材料在高電(diàn)场强度下可(kě)以感应的最大极化强度。

注意，可(kě)以从铁磁磁滞回線(xiàn)中提取相同的点。磁滞回線(xiàn)上的这些重要点取决于驱动铁電(diàn)材料中极化磁滞的物(wù)理(lǐ)机制。

铁電(diàn)驱动因素

在宏观层面上，入射電(diàn)场在束缚電(diàn)荷的空间分(fēn)布中产生位移，这在麦克斯韦方程中被量化為(wèi)极化。这些材料的结构允许锁定束缚電(diàn)荷分(fēn)布的这种变化，即使在去除入射電(diàn)场之后，束缚電(diàn)荷仍保留在新(xīn)的分(fēn)布中。在微观上，这种现象的物(wù)理(lǐ)机制包括离子迁移和陷阱态填充等。 

从数學(xué)上讲，材料中的极化是分(fēn)段非線(xiàn)性的，具體(tǐ)取决于電(diàn)场是增加还是减少。用(yòng)于建模磁滞的相同技术也可(kě)以用(yòng)于建模铁電(diàn)磁滞回線(xiàn)。当使用(yòng)铁電(diàn)體(tǐ)构造新(xīn)的组件并使用(yòng)这些组件进行電(diàn)路仿真时，这一点变得很(hěn)重要。一些有(yǒu)趣的设备可(kě)以在许多(duō)领域利用(yòng)铁電(diàn)磁滞。

铁電(diàn)材料的应用(yòng)

铁電(diàn)材料在電(diàn)子领域有(yǒu)许多(duō)应用(yòng)，从可(kě)调非線(xiàn)性元件到能(néng)量产生。一些示例包括：

动态電(diàn)容器比变容二极管具有(yǒu)更大的动态范围和灵敏度

负電(diàn)容電(diàn)容器

用(yòng)于光子學(xué)应用(yòng)的非線(xiàn)性波导

钙钛矿太阳能(néng)電(diàn)池，如果電(diàn)场下降，可(kě)以保持效率

高灵敏度热释電(diàn)传感器

调制器

非易失性存储器

在这些潜在的应用(yòng)中，钙钛矿太阳能(néng)電(diàn)池受到了很(hěn)多(duō)研究的关注，并且可(kě)能(néng)是下一个商(shāng)业上可(kě)获得的铁電(diàn)产品。但是，由于转换效率的定义不明确，这些设备中的铁電(diàn)磁滞回線(xiàn)被视為(wèi)成功进行功率转换的障碍。如果铁電(diàn)半导體(tǐ)的制造工艺继续发展，动态電(diàn)容器和负极電(diàn)容器也可(kě)以商(shāng)业化。

也许当前最流行的铁電(diàn)设备是铁電(diàn)RAM（FRAM）。这些器件具有(yǒu)在CMOS工艺中使用(yòng)铁電(diàn)半导體(tǐ)的相对简单的结构。在这种类型的装置中，铁電(diàn)材料作為(wèi)NPN晶體(tǐ)管结构中的基底上的電(diàn)介质隔离层放置。可(kě)以将一点作為(wèi)极化存储在铁電(diàn)體(tǐ)中。此外，铁電(diàn)體(tǐ)中的磁滞确保除非在字線(xiàn)上施加足够大的電(diàn)场以反转或清除极化，否则不会丢失位。

铁電(diàn)磁滞回線(xiàn)显示铁電(diàn)材料中的总极化。

当前的FRAM产品范围每个模块最多(duō)只能(néng)提供8 MB的存储，这些存储分(fēn)布在多(duō)个存储區(qū)中。但是，这种材料中的剩余极化具有(yǒu)无限的读写循环能(néng)力，并且剩余极化确保了该材料用(yòng)作非易失性存储器。如果改善铁電(diàn)半导體(tǐ)工艺，则可(kě)以将更多(duō)的FRAM器件和其他(tā)铁電(diàn)产品商(shāng)业化。