理解电子学中的铁电滞回线

2020年10月15日

关键的外卖

铁电材料和铁磁材料一样，也有磁滞回线。
铁电体在暴露于电场后还能保持其极化状态，使它们成为有用的存储器。
目前铁电元件仅限于少数制造商的存储器，但电光和电子的新领域可以利用铁电元件来制造广泛的设备。

铁电存储器利用铁电滞回线来存储数据。

当你想到滞后，你可能会想到铁磁元件，如铁芯电感器和铁氧体变压器。迟滞现象也发生在施密特触发器提供一定程度的抗干扰性，一旦输入电压超过预定义的阈值，就提供简单的电气开关。还有一类材料表现出迟滞现象和一种开关行为:铁电体。

铁电材料是铁磁材料的电模拟物，但在这些材料中驱动迟滞的物理机制是不同的。铁磁性已经在功率转换、滤波和隔离等方面得到了广泛应用，但铁电体还没有得到同样程度的应用。以下是这种独特材料的一些潜在应用，以及它们在电路中的表现。

什么是铁电滞回线?

独特的电子器件可以利用铁电材料的迟滞现象，这是通过电场和物质之间的相互作用发生的。铁电材料与其他介电材料的区别在于，铁电材料在除去电场后仍保持其极化，而其他介电材料在除去电场后仍保持其极化电介质回到中性状态。此外，只要在材料上施加足够强的指向相反的场，铁电体就可以恢复到中性状态。

这与铁磁性相似，铁磁铁暴露在磁场中后仍能保持其磁化强度。这种需要克服阈值来改变剩余极化的大小和方向意味着这些材料表现出滞后，就像磁铁一样。下图显示了铁电滞回线，其基本结构与磁滞回线相同。图上标出了一些要点。

铁电滞回线和极化图

显示铁电材料中总极化的铁电滞回线。

铁电滞回线研究要点

铁电滞回线有三个要点:

电矫顽力(E_C）:这是将极化在正负之间切换所需的电场。请注意，正场可以诱导负极化，从而产生负电容。
剩余极化(P_R）:除去电场后材料中仍保留的极化量
饱和极化(P_年代）:这是材料在高电场强度下所能诱发的最大极化量。

请注意，同样的点可以从铁磁滞回线中提取出来。这些迟滞回线的关键点取决于驱动铁电材料极化迟滞的物理机制。

铁电性驱动因素

在宏观层面上，入射电场在束缚电荷的空间分布中产生位移，这在麦克斯韦方程中被量化为极化。这些材料的结构允许这种束缚电荷分布的变化被锁定，即使在入射电场被移除后，束缚电荷仍然保留在新的分布中。在微观层面上，这种现象的物理机制包括离子迁移和陷阱态填充，仅举几例。

从数学上讲，材料中的极化是分段非线性的，取决于场是增加还是减少。和以前一样的技术磁滞模型也可以用来模拟铁电滞回线。当使用铁电体构造新组件和运行这些组件的电路模拟时，这一点变得非常重要。一些有趣的器件可以在许多领域利用铁电滞回。

铁电材料的应用

铁电材料在电子领域有许多应用，从可调谐的到可调谐的非线性组件到能源生产。一些例子包括:

动态电容器具有较大的动态范围和灵敏度变容器
具有负电容的电容器
光子应用的非线性波导
钙钛矿太阳能电池，如果有电场下降，效率可以保持
高灵敏度热释电传感器
调节器
非易失性记忆

在这些潜在的应用中，钙钛矿太阳能电池已经得到了大量的研究关注，可能是下一个商用的铁电产品。然而，这些器件中的铁电滞回线被视为成功功率转换的障碍，因为转换效率的定义变得模糊。如果铁电半导体的制造工艺继续进步，动态电容器和负极电容器也可以商用化。

也许目前最流行的铁电器件是铁电RAM (FRAM)。这些器件的结构相对简单，在CMOS工艺中使用铁电半导体。在这种类型的器件中，铁电材料作为介电间隔层放置在基板上NPN型晶体管结构。比特可以作为极化存储在铁电体中。此外，铁电中的迟滞现象确保了比特不会丢失，除非在字线上施加足够大的电场来逆转或清除极化。