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技術(shù)專題
PCB設(shè)計(jì)電子中的鐵電磁滯回線
當(dāng)您想到磁滯時(shí)，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(gè)預(yù)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(dòng)這些材料中的磁滯的物理機(jī)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(yīng)用，但鐵電材料的應(yīng)用水平卻不高。這是這種獨(dú)特材料類別的一些潛在應(yīng)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(dú)特設(shè)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(qiáng)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?yàn)殍F磁體在暴露于磁場后可以保持其磁化強(qiáng)度。這就需要克服一個(gè)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(biāo)出了一些重要點(diǎn)。
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(diǎn)
鐵電磁滯回線有三個(gè)要點(diǎn)：
矯頑力（E C）：這是在正負(fù)值之間切換極化所需的電場。請注意，正電場會引起負(fù)極化，從而引起負(fù)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(qiáng)度（P S）：這是材料在高電場強(qiáng)度下可以感應(yīng)的最大極化強(qiáng)度。
注意，可以從鐵磁磁滯回線中提取相同的點(diǎn)。磁滯回線上的這些重要點(diǎn)取決于驅(qū)動(dòng)鐵電材料中極化磁滯的物理機(jī)制。
鐵電驅(qū)動(dòng)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(jī)制包括離子遷移和陷阱態(tài)填充等。
從數(shù)學(xué)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(dāng)使用鐵電體構(gòu)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(shè)備可以在許多領(lǐng)域利用鐵電磁滯。
鐵電材料的應(yīng)用
鐵電材料在電子領(lǐng)域有許多應(yīng)用，從可調(diào)非線性元件到能量產(chǎn)生。一些示例包括：
動(dòng)態(tài)電容器比變?nèi)荻O管具有更大的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度
負(fù)電容電容器
用于光子學(xué)應(yīng)用的非線性波導(dǎo)
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(yīng)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(gè)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(shè)備中的鐵電磁滯回線被視為成功進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的障礙。如果鐵電半導(dǎo)體的制造工藝?yán)^續(xù)發(fā)展，動(dòng)態(tài)電容器和負(fù)極電容器也可以商業(yè)化。
也許當(dāng)前最流行的鐵電設(shè)備是鐵電RAM（FRAM）。這些器件具有在CMOS工藝中使用鐵電半導(dǎo)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(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(dāng)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(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(dǎo)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。