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技術專題
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。施密特觸發器中也會出現遲滯現象，以提供一定程度的抗噪性，一旦輸入電壓超過某個預定義的閾值，它便可以提供簡單的電氣開關。還有另一類具有磁滯現象和開關行為的材料：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，這是通過電場和物質之間的相互作用而發生的。鐵電材料與其他電介質之間的區別在于，在去除電場后，鐵電體保持其極化，而其他電介質返回中性狀態。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。
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出磁滯現象。下圖顯示了鐵電磁滯回線，其基本結構與磁滯回線相同。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動鐵電材料中極化磁滯的物理機制。
鐵電驅動因素
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之后，束縛電荷仍保留在新的分布中。在微觀上，這種現象的物理機制包括離子遷移和陷阱態填充等。
從數學上講，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也可以用于建模鐵電磁滯回線。當使用鐵電體構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域利用鐵電磁滯。
鐵電材料的應用
鐵電材料在電子領域有許多應用，從可調非線性元件到能量產生。一些示例包括：
動態電容器比變容二極管具有更大的動態范圍和靈敏度
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注，并且可能是下一個商業上可獲得的鐵電產品。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被視為成功進行功率轉換的障礙。如果鐵電半導體的制造工藝繼續發展，動態電容器和負極電容器也可以商業化。
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單的結構。在這種類型的裝置中，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中。但是，這種材料中的剩余極化具有無限的讀寫循環能力，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器件和其他鐵電產品商業化。