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RÉSUMÉ
Présents dans tous les domaines de l’électrotechnique, de la microélectronique et des télécommunications, les matériaux diélectriques voient leurs performances s’améliorer. La compréhension des différents mécanismes de polarisation (ionique, électronique ou d’orientation) permet d’accéder à des valeurs plus élevées de permittivité diélectrique. Composant passif largement utilisé, le condensateur lorsqu’il est de très grande capacité est même devenu assimilable à une source d’énergie. Deux évolutions se dessinent pour ce composant : l’intégration avec la diminution de sa taille et l’accroissement de ses fonctionnalités.
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Dielectric materials are present in all areas of electrical engineering, microelectronics and telecommunications, and their performances have made significant improvements. The understanding of the various polarization mechanisms (ionic, electronic or orientation) allows for achieving higher values of dielectric permittivity. A widely used passive component, the capacitor is even comparable to a power source when its capacity is very high. Two trends are emerging: integration made possible by its reduced size and increased functionalities.
Auteur(s)
-
Mario MAGLIONE : Directeur de recherches ICMCB (Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux) CNRS
-
Rodolphe DECOURT : Ingénieur ICMCB (Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux) CNRS
INTRODUCTION
Les matériaux diélectriques sont principalement mis en œuvre pour la réalisation de condensateurs utilisés dans tous les domaines de l'électrotechnique, de la microélectronique et des télécommunications. Certains matériaux diélectriques possèdent en plus des propriétés (ferroélectriques, piézoélectriques, pyroélectriques, optiques) ayant des applications dans le domaine des capteurs, des actionneurs et de l'optique non linéaire.
Si on reste dans un premier temps dans le domaine des condensateurs, le premier critère d'optimisation concerne sa capacité C qui s'écrit :
où
est la permittivité diélectrique du vide,
la constante diélectrique relative du matériau utilisé, S la surface des électrodes du condensateur et e l'épaisseur séparant ces deux électrodes. En s'appuyant sur l'équation (1), on voit que le développement de nouveaux condensateurs implique, soit la recherche de nouveaux matériaux pour adapter
, soit de modifier la géométrie du condensateur S/e. Cette double stratégie est actuellement employée dans le domaine de la microélectronique lorsqu'il s'agit d'augmenter C. Si la géométrie S/e est fixée, on cherche à remplacer le matériau diélectrique actuel (la silice SiO2 ,
) par un oxyde de plus grande permittivité (par exemple, HfO2 ,
). Si, par contre, on a le choix de la géométrie, on peut continuer à utiliser la silice en augmentant énormément S par exemple en réalisant des tranchées à fort facteur de forme ou en utilisant des matériaux nanostructurés tels les nanotubes de carbone qui offrent une surface spécifique très élevée.
Cet article est divisé en trois parties. Tout d'abord, nous rappellerons succinctement les différents mécanismes microscopiques susceptibles d'augmenter la permittivité diélectrique
, d'expliquer sa variation en fonction de la fréquence et les pertes diélectriques associées. Dans une seconde partie, nous listerons les types de condensateurs actuellement utilisés en électronique et dans les applications de stockage d'énergie. À cette occasion, les différentes spécifications techniques des condensateurs seront définies. Nous terminerons par une description des pistes de recherche actuelles pour l'amélioration des performances des matériaux diélectriques.
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Condensateurs1. Rappels sur la permittivité des matériaux diélectriques
Dans les matériaux diélectriques, très peu de charges sont libres, ce qui ne permet pas la circulation d'un courant électrique significatif. Cependant, les charges présentes peuvent se déplacer localement sous l'action d'un champ électrique extérieur et engendrer un courant appelé courant de déplacement dû à la modification des barycentres des charges. La symétrie sphérique est rompue, les barycentres des charges positives et négatives ne sont alors plus confondus.
1.1 Mécanismes de polarisation
Dans la polarisation du diélectrique peuvent intervenir plusieurs mécanismes qui sont :
-
électronique. Il s'agit du déplacement des orbites électroniques par rapport au noyau ;
-
ionique/atomique. Il s'agit du déplacement des ions dans le réseau cristallin ;
-
une rotation/orientation. Il s'agit de l'orientation des dipôles électriques microscopiques dans le champ électrique ;
-
interfaciale. Il s'agit du déplacement de porteurs libres aux interfaces (défauts, joints de grains...).
Les deux premiers mécanismes sont très rapides et interviennent jusqu'à des fréquences optiques (indice de réfraction optique : n 2 = er ), les suivants interviennent à plus basses fréquences. Quel que soit le mécanisme mis à contribution, le problème se résume à l'orientation d'un dipôle dans un champ électrique.
Un dipôle électrique est formé de deux charges q de signe opposé séparées par une distance
. Le moment dipolaire électrique
(dirigé de – q vers + q ) est défini par :
( 2 )
La polarisation
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SHANNON - * - J. Appl. Phys., vol. 73, p. 348 (1993).
-
(2) - Institut français du pétrole - Les Polymères organiques utilisables à températures élevées. - Éditions TECHNIP, ISBN 2710804425, 9782710804420 (1983).
-
(3) - KÄNZIG (W.), HART (H.), ROBERTS (S.) - * - Physical Review Letters, 13, p. 543 (1964).
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(4) - SIVASUBRAMANIANA (S.), WIDOM (A.), SRIVASTAVA (Y.N.) - The Clausius-Mossotti phase transition in polar liquids. - Physica A., vol. 345, p. 356-366 (2005).
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(5) - SZE S (M.) - Physics of semi-conductor devices. - Wiley international (1969).
-
(6) - BORSA (F.), Van Der KLINK (J.J.) - * - Physical Review B, 30, p. 52 (1984).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Paumanok http://www.paumanokgroup.com
Cornell Dubilier http://www.cde.com/appguide/
Introducing the 45 nm next generation Intel core microarchitecture http://www.intel.com/technology/architecture-silicon/intel64/45nm-core2_whitepaper.pdf
Symetrix http://www.symetrixcorp.com/
MIcroelectronics ST http://www.st.com/stonline/press/news/year2005/t1701d.htm
Paratek http://www.paratek.com/
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