DIELEKTRICI

Еlektrotehnički fakultet, Beograd, 2016.

Materijali u elektrotehnici

Dielektrici su materijali sa velikim energetskim procepom (Eg > 3,5 eV) i specifičnom električnom otpornošću ρ ~ 106 - 1018 Ωm, koja pokazuje da su ovi materijali na sobnoj temperaturi praktično neprovodni. Slaba električna struja, koja nastaje kada se dielektrik stavi između metalnih elektroda i priključi na neki napon, rezultat je najčešće kretanja jona, a znatno ređe slobodnih elektrona kojih praktično nema na sobnoj temperaturi. Prisustvo male električne provodnosti dielektrika pogoršava svojstva kondenzatora u električnim kolima, što se karakteriše tangensom ugla dielektričnih gubitaka (tgδ, tangens ugla za koji fazni pomeraj između priključenog naizmeničnog napona i struje odstupa od π/2). Kada se dielektrik dovoljno zagreje, intenzivinim stvaranjem provodnih parova elektron-šupljina nastupa termički proboj. Naglo povećanje koncentracije provodnih nosilaca može da se javi i pod dejstvom spoljašnjeg električnog polja (tj. primenjenog napona), kada nastaje električni proboj dielektrika, okarakterisan dielektričnom čvrstoćom (Ekr), odnosno kritičnim (probojnim) električnim poljem. Slika zonalne strukture dielektrika, sa velikim Eg i praktično praznom provodnom zonom na sobnoj temperaturi, nedovoljna je za objašnjenje svih svojstava dielektrika. Mora se uzeti u obzir i dinamika atoma, jona ili molekula dielektričnih materijala, što objašnjava raznovrsna svojstva polarizacije dielektrika u jednosmernim i naizmeničnim električnim poljima, okarakterisana relativnom dielektričnom permitivnošću (εr).

Klasifikacija dielektrika može da se izvrši na više načina: prema upotrebi, poreklu, agregatnom stanju, izolacionim svojstvima i prema načinu polarizacije. Prema upotrebi dielektrici se klasifikuju na pasivne i aktivne (pasivni se obično koriste samo kao izolacioni materijali, dok se aktivni koriste u električnim komponentama: kondenzatorima, piezopretvaračima, displejima...) Prema poreklu dielektrici se klasifikuju na organske i neorganske (pri čemu i jedni i drugi mogu biti prirodni ili sintetički). Prema agregatnom stanju dielektrici se klasifikuju na gasovite, tečne i čvrste, pri čemu čvrsti mogu da imaju monokristalnu, polikristalnu, amorfnu, polimersku ili tečnokristalnu strukturu.

TABELA 5.1 Redovi veličina dielektričnih parametara slabih, dobrih i odličnih izolatora, kao i ekstremnih vrednosti ovih parametara

Slabi izolatori

Dobri izolatori

Odlični izolatori

Granične vrednosti

ρ (Ωm) 106 ÷ 1010 1010 ÷ 1014 > 1014 1018 (teflon)

tg δ (×10-4) > 100 < 100 < 10 ≤ 1 (polietilen, ulja) < 10-4 (gasovi)

εr > 10 < 10 < 3 15000 (monokristalni BaTiO3)

Ekr (kV/mm) < 25 25 ÷ 50 ≥ 50 160 (poliesterska folija)

800 (Al2O3 film)

Prema izolacionim svojstvima, dielektrici se klasifikuju na slabe, dobre i odlične izolatore. Odlični izolatori su obično materijali sa kovalentnim hemijskim vezama i elektronskom polarizacijom, dobri izolatori su sa jonskim hemijskim vezama i jonskom polarizacijom, a slabi obično imaju strukturu koja sadrži stalne električne dipole, sa orijentacionom polarizaciom.

Zbog konačne vrednosti specifične otpornosti, kroz dielektrik svakog kondenzatora, osim ako je dielektrik vakuum, postoji struja curenja kada je kondenzator priključen na napon. Stoga se u dielektriku kondenzatora javljaju Džulovi gubici, i to bez obzira da li je napon na koji je kondenzator priključen konstantan ili promenljiv.

U slučaju vremenski promenljivih napona, u dielektriku dolazi do dopunskih gubitaka zbog vremenski promenljive polarizacije, koji su obično veći od Džulovih gubitaka.

Zanemarujući samoinduktivnost priključnih provodnika, ekvivalentna šema realnog kondenzatora izgleda kao na slici. Gubici u priključnim provodnicima predstavljeni su rednom otpornošću Rs, dok paralelna otpornost Rp uzima u obzir gubitke usled struje curenja kroz dielektrik, kao i gubitke zbog polarizacionih pojava u sâmom dielektriku.

Postoje i složeniji modeli realnog kondenzatora, kod kojih je svaki vid polarizacionih gubitaka u dielektriku predstavljen zasebnom paralelnom granom u šemi ekvivalentnog kola.

Pri niskim učestanostima je 1/(ωC) >> Rs, pa је paralelna veza dominantna i ekvivalentna šema realnog kondezatora svodi se na onu datu na slici (a). Pri višim učestanostima je 1/(ωC) ≈ Rs, pa redna veza postaje dominantna i ekvivalentna šema realnog kondezatora svodi na оnu sa slike (b). Odgovarajući izrazi za tgδ dobijaju se iz predstava ekvivalentne impedanse u Re-Im ravni.

Recipročna vrednost tangesnsa ugla gubitaka naziva se faktor dobrote: Q = 1/tgδ . Osim tangensa ugla dielektričnih gubitaka, nesavršenost dielektrika opisuju i sledeće veličine: Zapreminska specifična električna otpornost (ρ), koja karakteriše nesavršenost izolacionih svojstava po zapremini dielektrika, Površinska specifična električna otpornost (ρp), koja karakteriše nesavršenost izolacionih svojstava po površini dielektrika, i Dielektrična čvrstoća (Ekr), koja karakteriše sposobnost dielektrika da izdrži primenjeno naizmenično električno polje bez naglog povećanja provodnosti, tj. bez proboja. U zavisnosti od toga u kojem je agregatnom stanju dielektrik, različiti su uzroci električnog proboja i pojave koje pri tome nastaju u materijalu.

Električni proboj u gasovitim dielektricima nastaje usled procesa udarne jonizacije i fotonske jonizacije.

Razmatra se gasna cev sa dve elektrode, tj. hermetički zatopljena cev ispunjena gasom. Elektroni sa negativne elektrode (katode) procesom hladne emisije pod dejstvom jakog električnog polja dospevaju u međuelektrodni prostor ispunjen gasom. Oni potom ubrzavaju pod dejstvom polja, sudarajući se sa molekulima gasa i jonizujući ih. Pri tome se generišu novi elektroni, koji dalje takođe vrše jonizaciju molekula gasa, da bi se na kraju (posle oko 10−6 s) stvorio provodni kanal jonizovanog gasa, što predstavlja proboj gasnog dielektrika udarnom jonizacijom.

Ukoliko jačina električnog polja nije dovoljno velika da elektron između dva uzastopna sudara stekne energiju potrebnu za jonizaciju molekula, pri sudaru molekul gasa može da dospe u pobuđeno stanje, prelaskom vezanih elektrona sa nižih na više energetske nivoe. U procesu deeksitacije ovih pobuđenih molekula (povratkom njihovih elektrona u prvobitno stanje), dolazi do emisije fotona. Ako ovakav foton apsorbuje drugi molekul gasa, koji se već nalazi u pobuđenom stanju, on može da se jonizuje. Proces može da se produži do stvaranja provodnog kanala u gasu, što predstavlja proboj fotonskom jonizacijom.

Realni dielektrični proboj u gasovima nastaje kao kombinacija dva opisana procesa. Tipične vrednosti dielektrične čvrstoće gasova su do 5 kV/mm.

Vrednost dielektrične čvrstoće zavisi od pritiska, temperature, vlažnosti, kao i od primesa u gasu. Sa sniženjem pritiska (ili sa povećanjem temperature) povećava se srednje rastojanje između molekula gasa, čime se povećava srednja dužina slobodnog puta elektrona u gasu, a time i kinetička energija koju elektroni stiču između sudara, što dovodi do smanjenja dielektrične čvrstoće gasa. Sa povećanjem vlažnosti, dielektrična čvrstoća gasa se smanjuje, jer u vodenoj pari lakše dolazi do formiranja provodnog kanala.

U tečnim dielektricima mehanizam proboja je isti kao u gasovitim, s tim što njihova dielektrična čvrstoća dostiže i do 30 kV/mm, jer je gustina tečnosti znatno veća od one kod gasova, zbog čega je srednja dužina slobodnog puta elektrona manja, a time je manja i kinetička energija koju mogu da steknu ubrzavanjem pod dejstvom polja između sudara. Na dielektričnu čvrstoću u tečnostima pritisak praktično ne utiče (zbog nestišljivosti tečnosti), dok porast temperature može da ima uticaja samo na disocijaciju vode, ukoliko je ona prisutna u tečnom dielektriku, što dovodi do smanjenja dielektrične čvrstoće. Primese (voda, gasovi i sl.) dovode takođe do smanjenja dielektrične čvrstoće tečnih dielektrika. U tečnim i gasovitim dielektricima, usled izraženog haotičnog toplotnog kretanja molekula, nakon proboja dolazi do uspostavljanja stanja u materijalu kao i pre proboja, tj. do njihove regeneracije. Kod čvrstih dielektrika pri proboju se primećuje otvor vrlo nepravilnog oblika, pa se o regeneraciji ne može govoriti. Pored procesa udarne i fotonske jonizacije, ovde je prisutna i termička jonizacija usled zagrevanja dielektrika (kao posledica raznih vidova gubitaka u njemu), a prisutne su i hemijske promene u materijalu pod dejstvom jakog električnog polja (elektroliza, pojava ozona u vazduhu u blizini površine materijala i sl.). Za razliku od električnih i toplotnih pojava koje dovode do proboja vrlo brzo (posle 10−7 - 10−8 s), hemijske promene pod dejstvom jakog električnog polja su znatno sporije (i do nekoliko dana), što dovodi do tzv. starenja čvrstog dielektrika. U čvrstim dielektricima, dielektrična čvrstoća dostiže 160 kV/mm. Na vrednost dielektrične čvrstoće utiču temperatura, vlaga i gasovite primese (sa porastom bilo kog od ova tri faktora smanjuje se dielektrična čvrstoća). Oblik elektroda takođe ima znatnog uticaja na vrednost dielektrične čvrstoće.

Dielektrična svojstva materijala veoma zavise od vrste njihovih molekula, pri čemu dielektrici mogu da se klasifikuju u polarne i neutralne. Polarni dielektrici imaju molekule koji su ujedno i dipoli, jer prilikom povezivanja atoma u molekule nastaje raspodela pozitivnih i negativnih naelektrisanja koja odgovara postojanju stalnog električnog dipola molekula, iako se posmatrani materijal ne nalazi u spoljašnjem električnom polju. Molekuli vode, na primer, imaju stalne električne dipole koji su haotično orijentisani, u svim pravcima, usled toplotnog kretanja molekula. Ako se polarnom dielektriku dovede neko spoljašnje električno polje E nastaje delimična orijentaciona polarizacija dipola (u toku vremena τ ~ 10−9 s). Broj dipola orijentisanih u pravcu dovedenog električnog polja povećava se sa povećanjem jačine električnog polja E i smanjenjem temperature (jer se smanjuje neuređeno termičko kretanje molekula, koje se protivi orijentisanju).

Električna polarizacija dielektrika

Prikaz orijentacije dipola u polarnom dielektriku u odsustvu i prisustvu spoljašnjeg električnog polja.

Neutralni dielektrici u odsustvu spoljašnjeg električnog polja nemaju stalne električne dipole. Kao primer, razmotrimo jedan atom koji ima jezgro naelektrisanja +q = Ze i elektronski omotač ukupnog negativnog naelektrisanja -q = -Ze, gde je Z broj elektrona u omotaču posmatranog atoma. Za slučaj E = 0 centri pozitivnih i negativnih naelektrisanja se poklapaju i nema električnog dipola. Ako se posmatranom atomu dovede neko spoljašnje električno polje (E ≠ 0), dolazi do deformacije elektronskog omotača i nastaje razdvajanje centara pozitivnih i negativnih naelektrisanja. To znači da se pod dejstvom dovedenog spoljašnjeg električnog polja obrazuje električni dipolni moment intenziteta p = qΔl, gde je Δl rastojanje između centara pozitivnih i negativnih naelektrisanja. Opisana pojava je elastičnog karaktera (nestaje po ukidanju polja) i naziva se elektronskom polarizacijom. Ova vrsta polarizacije nastaje za τe ~ 10−15 s. Za nju se definiše elektronska polarizabilnost (αe) kao koeficijent srazmernosti između nastalog dipolnog momenta (p) i lokalnog električnog polja (Elok) koje neposredno dejstvuje na posmatrani atom: p = αeElok .

E = 0 E 0≠Prikaz elektronske polarizacije atoma u neutralnom dielektriku u odsustvu i prisustvu spoljašnjeg električnog polja E

Dodatni vid neutralne i deformacione elastične polarizacije je tzv. jonska polarizacija.

Na slici (a) prikazana je rešetka jonskog dielektrika, u kome se u odsustvu spoljašnjeg električnog polja joni nalaze na međusobno jednakim odstojanjima u ravnotežnom položaju. Dejstvom dovedenog električnog polja jonska rešetka se deformiše (slika (b)) i na taj način se obrazuju električni dipoli, s obzirom na izmenjeni položaj pozitivnih i negativnih jona.

Ova vrsta polarizacije nastaje za τj ~ 10−13 s, i za nju se definiše jonska polarizabilnost (αj): p = αjElok.

Prikaz jonske polarizacije u jonskom kristalu u odsustvu i prisustvu električnog polja

Još jedan vid neutralne polarizacije je tzv. međuslojna polarizacija.

Ona je posledica prisustva prostornog naelektrisanja u dielektriku, u vidu relativno slobodnog naelektrisanja (npr. jona nečistoća) nagomilanog na mestima defekata u kristalnoj rešetki materijala.

Dovođenjem spoljašnjeg električnog polja dolazi do prostorne preraspodele ovih naelektrisanja, što za rezultat ima razdvajanje pozitivnog i negativnog nealektrisanja i obrazovanja električnih dipola.

Vreme potrebno za preraspodelu prostornog naelektrisanja je τm ~ 10−2 s, i za nju se definiše međuslojna polarizabilnost (αm): p = αmElok.

Prikaz međuslojne polarizacije u kristalu sa naelektrisanjima akumuliranim na defektima u strukturi, u odsustvu i u prisustvu električnog polja.

Definisanjem još i orijentacione polarizabilnosti (αor) za polarne dielektrike, u opštem slučaju prisustva sve četiri vrste polarizacije polarizabilnost dielektrika može da se prikaže u formi superpozicije:

α = αe + αj + αor + αm

Pri tome treba imati u vidu da svi dielektrici imaju elektronsku polarizaciju, odnosno αe, a pored nje mogu (a ne moraju) da imaju i neku drugu vrstu polarizacije. Najbolji izolatori, kao što su sintetički polimeri polietilen, teflon i polistiren, imaju samo elektronsku polarizaciju.

Polarizabilnost je mikroskopska karakteristika, koja je posledica načina povezivanja atoma, jona ili molekula u dielektriku, i ona je frekventno zavisna veličina, α(f).

Relativna dielektrična permitivnost je makroskopska karakteristika, koja je od interesa u praksi. Ona se u udžbenicima često naziva i relativna dielektrična konstanta, mada je i ona frekventno zavisna veličina, εr(f ), što je posledica veze između makroskopskih (εr) i mikroskopskih (α) karakteristika dielektrika.

Ako se pođe od izraza za vektor električnog pomeraja, D = εoεrE = εoE + P, gde je εo dielektrična konstanta vakuuma, a P = Np vektor polarizacije za slučaj koncentracije od N jednako orijentisanih dipolnih momenata p = αElok, dobija se relacija: koja pokazuje da je za nalaženje zavisnosti εr(α) potrebno naći vezu između lokalnog električnog polja (Elok) na mestu jednog atoma, jona ili molekula i makroskopkog polja (E) između obloga kondenzatora sa posmatranim dielektrikom. U opštem slučaju to je težak problem i rešava se samo za određene specifične slučajeve. Tako se, na primer, za kristalni čvrst dielektrik sa kubičnom rešetkom dobija Klauzijus-Mosotijeva relacija: gde je N koncentracija atoma, jona ili molekula. U gasovitom dielektriku, gde su međusobne interakcije molekula slabe (E ≈ Elok) i kod kog postoji samo elektronska polarizacija, izraz za εr je:

ε ε ε αo r o lokNE E E= +

32

1

or

r N = εα

εε+−

or

Nεαε +=1

Na sledećem slajdu prikazan je način promene relativne dielektrične propustljivosti (εr) i tangensa ugla dielektričkih gubitaka (tgδ) u funkciji učestanosti prostoperiodičnog električnog polja, za dielektrik koji bi imao sve četiri vrste polarizacije. U opsezima učestanosti gde je εr < 0 elektromagnetni talasi ne mogu se prostirati kroz dielektrik. Na slici (a) označene su vrednosti priraštaja dielektrične propustljivosti (εr) usled postojeće rezonantne elektronske ( ) i jonske polarizacije ( ), kao i relaksacione orijentacione ( ) i međuslojne polarizacije ( ). Na karakterističnim učestanostima: vide se skokovite promene εr. Iznad svake od ovih frekvencija odgovarajući sporiji tipovi polarizacije ne mogu da prate promenu naizmeničnog električnog polja, tako da sukcesivno izostaju. Na slici (b) uočava se da i maksimumi dielektričkih gubitaka postoje na pomenutim karakterističnim učestanostima, zbog pojačane apsorpcije energije spoljašnjeg električnog polja na tim učestanostima. Odnos apsorbovanog dela električne energije prema preostalom delu električne energije uložene u polarizaciju dielektrika predstavlja tangens ugla dielektričnih gubitaka (tgδ), za koji je već rečeno da se definiše kao tangens ugla za koji fazni pomeraj priključenog naizmeničnog napona i struje odstupa od 90°. Tangens ugla dielektričnih gubitaka naziva se i faktor dielektričnih gubitaka.

∆εre

∆εrj

∆εror ∆εr

m

Hz10~/1~ 2mmf τ Hz10~/1~ 9

ororf τ Hz10~/1~ 13jjf τ Hz10~/1~ 16

eef τ

Način promene: (a) relativne dielektričke propustljivosti (εr) i (b) tangensa ugla dielektričnih gubitaka (tgδ) u funkciji učestanosti,

za opšti slučaj dielektrika sa sve četiri vrste polarizacije

Izolacioni materijali su po obimu primene u elektrotehnici najznačajniji dielektrični materijali. Oni služe za izolaciju provodnika i kablova, kao i za izradu izolacionih slojeva u mikroelektronskim kolima.

TABELA 5.2. Uporedne karakteristike važnijih izolacionih materijala, sa primenama

Materijal ρ Ekr εr tg δ (×10-4) Primena

(Ωm) (kV/mm) 50 Hz 1 MHz 50 Hz 1 MHz

Polietilen

1015

45 ÷ 60

2,25

2,25

< 2

< 2

izolacija kablova: termoplastični

(<15 kV; tr<70°C) i umreženi

(50÷400 kV; tr<90°C)

PVC

1012

25 ÷ 50

6,21

3,53

730

720

izolacija kablova (1÷30kV; tr<65°C) i provodnika (<1 kV)

Silikonska

guma 1012 ÷ 1015 20 ÷ 70 2,5 ÷ 3,5 2,5 ÷ 3,5 5 ÷ 70 5 ÷ 70

izolacija kablova i provodnika (u eks-tremnim uslovima okoline; tr<250°C)

Poliuretan

1015 ÷ 1016

25

4 ÷ 10

200 ÷ 1200

izolacija kablova (u ekstremnim

uslovima okoline)

Kablovsko ulje

1010

12

2,20

2,18

1,3

17

izolacija "uljnih" kablova

(50÷500kV)

SF6 (elgas)

1018

9

1,0020

> 1

10-4

10-4

izolacija visokona-ponskih postrojenja

i kablova

Vazduh

1018

3

1,0006

> 1

10-4

10-4

vazdušna izolacija nadzemnih vodova na dalekovodima

Kvarcno staklo (SiO2) 1015 25 3,78 3,78 8,5 2

izolator u integri-sanim kolima

Polietilen (PE) ima najbolja izolaciona svojstva među prikazanim materijalima. Ubraja se u polimerizate (jer se dobija polimerizacijom etilena). Zbog izuzetnih izolacionih svojstava često se naziva i superdielektrikom (zajedno sa polistirenom i teflonom).

Polietilen može da bude termoplastičan ili umrežen.

(Termoplastični polimeri zagrevanjem omekšavaju, a hlađenjem ponovo očvršćavaju.)

Termoplastični polietilen ima radnu temperaturu do 70oC, hemijski je stabilan, otporan na struju kratkog spoja (podnosi 200oC u toku 30 s) zbog čega se koristi za izolaciju energetskih kablova do 15 kV, a takođe i telekomunikacionih (niskonaponskih). Nedostatak mu je zapaljivost (na 350oC), relativno niska radna temperatura i naglo omekšavanje na temperaturi višoj od 150oC.

Umreženi polietilen se dobija poprečnom polimerizacijom glavnih lanaca termoplastičnog polietilena. Ima povišenu radnu temperaturu (do 90oC), otpornost na struju kratkog spoja (podnosi 250oC u toku 30 s), nezapaljiv je i pokazuje samo progresivno i ograničeno omekšavanje pri povišenju temperature, zbog čega se primenjuje kao izolacija viskonaponskih energetskih kablova (50 - 400 kV). Osim toga, izvrsna otpornost prema vlazi (upija je manje od 0,01%) čini umreženi polietilen veoma pogodnim za izradu izolacije i anti-korozivne zaštite kablova za polaganje u kanale i direktno u zemlju.

Polivinilhlorid (PVC) je polarnog karaktera i zato ima znatno slabija izolaciona svojstva od polietilena, ali je zato znatno jevtiniji, zbog čega se mnogo primenjuje za izolaciju provodnika (radnog napona < 1 kV) i srednjenaponskih energetskih kablova (do 30 kV). Pri višim naponima se ne primenjuje zbog velikih dielektričnih gubitaka (tgδ). Radna temperatura mu je do 65oC, kada počinje da omekšava. Nezapaljiv je, ali je manje otporan na struje kratkog spoja (podnosi 160oC u toku 30 s). Ima dobra mehanička svojstva i hemijski je otporan na kiseline, baze, transformatorsko ulje i ozon.

Silikonska guma ima dobra plastična svojstva orgranskih materijala i temperatursku postojanost SiO2. Dobija se vulkanizacijom silikonskih smola. (Vulkanizacija je hemijski izazvano umrežavanje polimernih materijala koji se ubrajaju u gume.) Ima odlična mehanička i izolaciona svojstva i hemijski je otporna na rastvarače, vodu, ozon, svetlo i oksidaciju. Koristi se za izolaciju provodnika i kablova u avio industriji, kao i u tehnici visokog napona, prvenstveno zbog nerastvorljivosti u benzinu i ulju, kao i zbog visoke radne temperature (do 250oC).

Poliuretan (PU), za razliku od prethodno spomenutih polimera, ne dobija se polimerizacijom - već poliadicijom (pri kojoj se u polimer spajaju molekuli različite vrste, dok se pri polimerizaciji spajaju molekuli iste vrste). Iako ima velike dielektrične gubitke, ima odlična mehanička svojstva (žilavost i čvrstoću, otpornost na habanje i postojanost na vlagu), zbog čega se koristi za izradu izolacije provodnika i kablova u vojne svrhe (u oklopnim vozilima). Koristi se i za izradu livenih delova za prekidače, u radio i telefonskoj tehnici, za izradu lakova za lakiranje žica, itd.

Kablovsko ulje se ubraja u mineralna ulja, koja se dobijaju kao treća frakciona destilacija nafte. Služi za izolaciju u tzv. uljnim kablovima sa papirnom izolacijom, pod pritiskom, gde vrši impregnaciju papirne izolacije, što omogućava visoke radne napone (50 - 500 kV). Ovakva primena kablovskog ulja je posledica njegovih dobrih izolacionih svojstava i male viskoznosti, što onemogućava stvaranje praznih vazdušnih prostora i jonizaciju, a samim tim i dielektrični proboj. Pored kablovskog ulja, u mineralna ulja se ubrajaju i kondenzatorsko, transformatorsko i ulje za prekidače, prema vrsti izolacione primene. Odlikuje se izvanredno malim dielektričnim gubicima.

Suv vazduh je vrlo dobar izolator, što se koristi u prenosu električne energije visokonaponskim (golim) vodovima dalekovoda, i u gotovo svim električnim uređajima. Međutim, vlažan vazduh ima manju specifičnu električnu otpornost i može pri vrlo visokoj vlažnosti da postane provodan. Vlažan vazduh može hemijski štetno da deluje i na druge dielektrike, jer se uz prisustvo vlage stvara azotna kiselina, koja lako nagriza mnoge materijale.

Elgas (sumpor heksafluorid, SF6) ima nekoliko puta veću dielektričnu čvrstoću od vazduha, jer ima veliki hemijski afinitet, odnosno sposobnost zahvatanja slobodnih elektrona. Zahvatanjem elektrona stvaraju se negativini joni, ali slabo pokretljivi, čime se smanjuje efikasnost procesa sudarne jonizacije i time povećava dielektrična čvrstoća ovog gasa. Elgas se koristi u izolaciji visokonaponskih kablova, transformatora, kondenzatora i drugih visokonaponskih postrojenja. Do otkrića elgasa, u ove svrhe se koristio i azot (N2).

Kvarcno staklo (SiO2) koristi se kao površinska izolacija u Si i GaAs integrisanim kolima. Dobija se oksidacijom površine Si-pločice na visokoj temperaturi (1000-1200oC), ili hemijskom depozicijom na niskoj temperaturi (300-700oC). Ima veoma dobra izolaciona i mehanička svojstva. Zbog mogućnosti kontrolisane izrade veoma kvalitetnog i tankog SiO2 oksidacijom Si pločice, koristi se i kao dielektrik MOS kondenzatora u silicijumskim integrisanim kolima. Izuzetno značajnu ulogu ima i u optičkim komunikacijama, gde se koristi za izradu optičkih vlakana. Koristi se i za izradu kvarcnih ampula, sudova, lampi i balona fotomultiplikatorskih cevi.

Kablovi Pod opštim pojmom kabl podrazumeva se skup od jednog ili više izolovanih provodnika, međusobno použenih i zaštićenih zajedničkim omotačem.

Glavna podela kablova je na energetske i telekomunikacione. Oni se međusobno razlikuju u dva bitna elementa: u preseku provodnika i debljini izolacije.

Energetski kablovi imaju velike preseke (do nekoliko stotina mm2, jer se njima provode struje velike jačine), kao i veliku debljinu izolacije (jer moraju da uzdrže napone do par desetina ili stotina kV bez proboja). Od energetskih kablova traži se što manji faktor dielektričnih gubitaka i postojanost na radni napon (tj. što veća dielektrična čvrstoća), zbog čega se najčešće koriste dielektrici veoma dobrih izolacionih svojstava, mada je nekad odlučujući faktor i cena.

Telekomunikacioni kablovi imaju tanke provodnike (prečnika 1 mm, pa se zato dimenzije njihovih provodnika i ne izražavaju u kvadratnim jedinicama), kao i vrlo tanku debljinu izolacije (pošto treba da izdrže napon ~ 1 kV i to samo u toku ispitivanja). Od telekomunikacionih kablova traži se smanjenje kapacitivnosti, kapacitivne sprege, sopstvenog slabljenja, slabljenja preslušavanja (tj. indukovanih smetnji) itd.

Osnovni elementi energetskih kablova jesu: provodnik, izolacija, plašt, armatura i zaštitni slojevi. Pored ovih pet osnovnih elemenata, energetski kabl može da ima i niz drugih: nulti provodnik, koncentrični provodnik, ekran preko provodnika, izolacije jezgra kabla, ispunu...

Prikaz konstrukcije jednog tipa trožilnog energetskog kabla, sa PVC izolacijom, nazivnog napona 6/10 kV, Industrije kablova Jagodina: (1) provodnik (Cu ili Al uže); (2) ekran provodnika (poluprovodni PVC sloj); (3) izolacija provodnika (PVC sloj); (4) ekran izolacije (poluprovodni PVC sloj, PVC traka i Cu traka); (5) ispuna jezgra

kabla (guma); (6) armatura (pljosnate pocinkovane čelične žice i trake); (7) plašt (PVC sloj).

TABELA 5.3 Prikaz osnovnih elemenata energetskog kabla, njihovih funkcija i materijala od kojih se izrađuju

Elemenat Funkcija Materijali

Provodnik

provođenje električne struje

materijal: - bakar - aluminijum oblik: - okrugli - sektorski - ovalni konstrukcija: - jednožični - višežični

Izolacija

izolovanje provodnika u odnosu na ostale provodnike, metalni plašt ili ekran

materijal: - papir - ulje - guma - termoplasti - gas (N2, SF6)

Plašt

zaštita od vlage; neutralni provodnik kod nekih tipova kabla

materijal: - olovo i njegove legure - aluminijum - čelik - guma - termoplasti

Armatura

mehanička zaštita

materijal: - čelična traka - čelična žica (okrugla i profilna) - aluminijumska traka

Zaštitni slojevi

posteljica armature kabla; zaštita od korozije metalnih plašteva i armature

materijal: - bitumen - impregnisani papir - impregnisana juta - hesijan

Osnovni elementi bakarnih komunikacionih kablova jesu tzv. upredene parice ili zvezda-četvorke kod Cu-žičanih kablova, odnosno koaksijalne parice kod Cu-koaksijalnih kablova. Jezgro komunikacionih kablova (za telefon, kablovsku TV, eternet) se dobija použavanjem simetričnih parica, četvorki i/ili koaksijalnih parica, uz izolacionu ispunu. Potom se oko jezgra postavlja plašt u vidu cilindrične metalne cevi ili folije radi zaštite od vlage i indukovanih uticaja obližnjih kablova. Konačno se izvodi izolatorska mehaničko-antikorozivna zaštita kabla, u vidu armiranog PVC- ili PE-omotača. Prenosni opseg nosećeg signala (poželjno što viši) zavisi od konstrukcije telekomunikacionih kablova: Cu-žičani kablovi se primenjuju u opsegu 1–250 kHz, a Cu-koaksijalni kablovi u opsegu 50 kHz – 1 GHz. Mnogo bolje perfomanse u tom pogledu imaju optički kablovi sa opsegom 1014–1015 Hz.

Osnovni elementi bakarnih (Cu): (a) žičanih i (b) koaksijalnih telekomunikacionih kablova.

IZOLATORSKA ISPUNA

PLAŠT + IZOLATORSKA

ZAŠTITA

Koaksijalni kabl RG-213 (karakteristične impredanse 50 Ω). 1. Unutrašnji provodnik (jedna žica ili više upredenih) 2. Izolator.

3. Spoljašnji provodnik (sa ulogom zaštitnog plašta). 4. Spoljašnja izolatorska zaštita.

Optički telekomunikacioni kablovi imaju sve veću primenu, zbog znatnog kapaciteta prenosa signala (širine propusnog opsega niskofrekvetnih modulišućih korisnih signala ~ 1 GHz), odsustva preslušavanja i znatno manjeg slabljenja u odnosu na bakarne. Osim toga, znatno su manje težine (desetak kg/km), malih su dimenzija (debljina reda nekoliko mm zajedno sa zaštitnim slojevima), velikih dužina (nekoliko km), što smanjuje troškove instaliranja i poboljšava pouzdanost. Iz ovih razloga, u bližoj budućnosti se može očekivati da će optički kablovi u potpunosti da potisnu bakarne u oblasti komunikacija.

Osnovni elementi optičkih telekomunikacionih kablova jesu optička vlakna. Ona predstavljaju vrstu dielektričnog talasovoda, koji se sastoji od jezgra, sa većim indeksom prelamanja, i omotača sa manjim indeksom prelamanja. Ovakva konfiguracija prouzrukuje totalnu refleksiju optičkog signala i omogućava prenos signala duž jezgra vlakna na velika rastojanja. Optička vlakna mogu da budu multimodna i monomodna - sa više ili jednom nosećom frekvencijom signala - zavisno od prečnika jezgra i načina promene indeksa prelamanja jezgra duž prečnika.

(a)

r n2

n2

n2

n2

n1

n1

n

n

r

(b)

2-10 mµ

Šematski prikaz: (a) multimodnog i (b) monomodnog optičkog vlakna, sa načinom promene indeksa prelamanja duž prečnika vlakna.

Prostiranje laserskog snopa kroz akrilnu šipku koja služi kao multimodno optičko vlakno

Multimodna optička vlakna su se primenjivala u I generaciji optičkih komunikacija (λ ~ 0,8 μm), kao rezultat većeg prečnika jezgra (≈ 50 μm), zbog mogućnosti lakšeg spajanja i pobuđivanja (LED diodama, koje su jevtinije od lasera).

Monomodna optička vlakna (znatno manjeg prečnika jezgra ~ 2–10 μm, pobuđivana isključivo monohromatskim izvorom - laserom) našla su primenu u II generaciji optičkih komunikacija (λ ~ 1,3 μm ili ~ 1,55 μm), zbog znatno manje disperzije optičkog signala (koja se kod multimodnih vlakana javlja kao rezultat interakcije različitih modova).

Kvarcno staklo (SiO2), sa što manjim sadržajem primesa koje utiču na slabljenje svetlosti u optičkom vlaknu, najviše se primenjuje za izradu optičkih vlakana.

Slabljenje signala zavisi i od talasne dužine optičkog signala. Prva oblast (λ ~ 0,8 μm) korišćena je u I generaciji optičkih komunikacija, jer su u to vreme (1970-ih i 80-ih) najbolji poluprovodnički svetlosni izvori i detektori radili u toj oblasti. Druge dve oblasti (λ ~ 1,3 μm i ~ 1,55 μm) imaju znatno manje slabljenje, što je bio motiv za razvoj novih materijala i struktura za izvore i detektore u II generaciji optičkih komunikacija.

SiO2-vlakna II generacije omogućavala su početne prenose signala bez pojačanja na svakih 50–100 km, posle čega se signal konvertovao detektorom u električni, pojačavao u elektronskom pojačavaču i zatim ponovo konvertovao laserom u optički signal, sa digitalnim protocima podataka od ~ 0,5 Gbit/s.

Nova generacija SiO2 vlakana dopiranih erbijumom obezbeđuje optičko pojačanje signala u samom kablu. Laserski signal kojim se postiže populaciona inverzija erbijumovih elektrona i informacioni laseski signal koji treba pojačati propagiraju zajedno kroz vlakno (multipleksirani). Optičko pojačanje omogućava erbijumova eksitaciona elektronska energija, koja se poklapa sa energijom informacionog signala. Kroz deeksitaciju pobuđenih elektrona erbijuma putem stimulisane emisije, koristan optički signal se direktno pojačava. Princip pojačavanja je, dakle, sličan onom kod lasera, s tim što za razliku od lasera nema višestruke unutrašnje refleksije svetlosnog snopa (videti princip rada injekcionih i heterospojnih lasera u prezentaciji '03 - Poluprovodnici.pdf'), jer snop propagira kroz vlakno.

Tehnologija izrade optičkih vlakana koristi različite oksidacione postupke iz parne faze, u kojima veoma čiste pare nekih hlorida (SiCl4) reaguju sa O2, stvarajući beo prah SiO2 dopiran primesama. Ovaj se prah skuplja na staklenoj osnovi, i zatim zagrevanjem, bez topljenja, pretvara u homogenu staklenu masu u obliku šipke ili cevi, tzv. predoblik (eng. preform). Predoblik je ~ 10 mm u prečniku, dužine 60–90 cm, tako da se njegovim izvlačenjem u peći može dobiti vlakno debljine ~ 2–10 μm i dužine nekoliko kilometara. Na vlakno se odmah posle izvlačenja nanosi plastična prevlaka, radi zaštite od nečistoća i vode.

Kabliranje optičkih vlakana je sledeća faza, sa jezgrom kabla koje može sadržati jedno ili više optičkih vlakana. Zbog slabih mehaničkih svojstava (velika krtost i malo dozvoljeno izduženje, ~ 1 %, u poređenju sa bakrom, ~ 20 %), ono se obično ojačava organskim kevlar-predivom izuzetne mehaničke čvrstoće, uporedive sa čeličnim žicama, koje se takođe ponekad koriste kao ispuna za ojačanje kabla. Jezgro kabla se potom omotava plastičnom trakom, a preko toga se konačno postavlja plastični anti-korozivni omotač (najčešće poliuretanski). Optička vlakna izrađuju se i od drugih materijala sa 100-1000 puta manjim slabljenjem od kvarcnih optičkih vlakana, i na većim talasnim dužinama (čak i na ~ 10,6 μm, na kojoj radi snažni gasni CO2 laser). Najveću perspektivu u ovom pogledu imaju halogena ZrF4 vlakna.

Šematski prikaz poprečnog preseka nekoliko tipova optičkih kablova.

Kondenzatorski materijali su, posle izolacionih, najznačajniji dielektrični materijali za primenu u elektronici. Oni služe za izradu dielektričnog sloja kondenzatora u integrisanoj ili diskretnoj formi. Feroelektrične keramike imaju najveću kapacitivnost po jedinici zapremine (npr. barijum titanat BaTiO3, ili smeša BaTiO3-SrTiO3), a svoj naziv su dobile zbog postojanja dielektrične histerezisne petlje D(E), analogno magnetnoj histerezisnoj petlji B(H). Na temperaturi višoj od neke kritične Kirijeve temperature (Tc) feroelektrični materijali gube feroelektrična svojstva i prelaze u tzv. paraelektrično stanje, u kome nema spontane polarizacije stalnih električnih dipolnih momenata. Najbolja svojstva među njima ima (BaTiO3)0,65(SrTiO3)0,35, zbog velikog εr i podnošljivog tgδ. Nedostatak im je velika i izrazito nelinearna promena kapacitivnosti sa promenom temperature u opsegu temperatura u kom imaju feroelektrična svojstva (55–125 oC) .

Kondenzatorski materijali

E

D

Histerezisna petlja D(E) feroelektrika

TABELA 5.4 Uporedne karakteristike važnijih kondenzatorskih materijala, sa primenama

Materijal εr tgδ (×10-4) Ekr (kV/mm) ΔC/(CΔt) Primena

50 Hz 1 MHz 50 Hz 1 MHz 1 MHz (°C-1)

Feroelektrične keramike (BaTiO3-SrTiO3)

1225÷2990 1090÷2890 31÷110 19÷46 15÷20 10-3 debeloslojna

integrisana kola

Rutilne (TiO2) keramike 14÷160 14÷160 ~ 10 ~ 1 10÷20 ~ 10-6

debeloslojna integrisana kola

Ta2O5 22 30 10-4 tankoslojna

integrisana kola

SiO2 3,78 3,78 8,5 2 25 10-5 Si-integrisana

kola

Si3N4 6,9 GaAs-integrisa-

na kola

Liskun 5,4 5,4 25 3 50 diskretni

kondenzatori

Kondenzatorska hartija ~ 3 ~ 3 ~ 50 ~ 50 ~ 8

diskretni kondenzatori

Poliesterska folija ~ 3 ~ 3 ~ 20 ~ 135 160

diskretni kondenzatori

Rutilne keramike su smeše rutila (jedne od kristalnih formi titanijum dioksida, TiO2) sa drugim keramičkim oksidima: TiO2-MgO sa εr ≈14, TiO2-ZnO sa εr ≈ 19, TiO2-CaO sa εr ≈ 160. Imaju veoma malo tgδ i praktično temperaturski nepromenljivu kapacitivnost. Ovi materijali se najviše koriste za izradu kondenzatora u debeloslojnim štampanim integrisanim kolima. Tantal-oksid (Ta2O5) koristi se za izradu kondenzatora u tankoslojnim integrisanim kolima, zbog dobrih dielektričnih svojstava i umerene temperaturske varijacije kapacitivnosti u radnom opsegu (-65–70oC). Izbor Ta2O5 u tankoslojnim kolima diktiran je i tehnološkim specifičnostima izrade ovih kola. Dobija se postupkom anodizacije (elektrohemijske oksidacije) Ta, koji se u ovim kolima koristi za izradu provodnih i otpornih slojeva. Kvarcno staklo (SiO2) koristi se za izradu kondenzatora u silicijumskim integrisanim kolima. Tanki sloj SiO2 ima malo tgδ i zadovoljavajuću temperatursku stabilnost dielektričnih svojstava. Relativno malo εr kompenzuje se tehnološkom mogućnošću izrade ekstremno tankih slojeva veoma kvalitetnog oksida, postupkom kratkotrajne visokotemperaturske oksidacije Si pločice (na oko 1000–1200 oC). Silicijum-nitrid (Si3N4), koristi se za izradu kondenzatora u GaAs integrisanim kolima, pošto GaAs nema stabilan oksid, a hemijskom depozicijom nije moguće kontrolisano dobiti veoma tanke slojeve SiO2 (koji se inače i u ovim kolima koristi kao površinska izolacija čipa). Tanak i mehanički kompaktan dielektrični sloj Si3N4 u ovim kolima dobija se hemijskom depozicijom (CVD postupkom).

Poliesterska folija, kondenzatorska hartija i liskun koriste se za izradu diskretnih kondenzatora, zbog mogućnosti izrade tankih slojeva što omogućuje veliku kapacitivnost po jedinici površine i pored malog εr ovih materijala. Relativno mala dielektrična čvrstoća (Ekr) kondenzatorske hartije kompenzuje se primenom kondenzatorskog ulja za impregnaciju (hartija se natapa uljem), koje uz to ima i veoma malo tgδ.

Kondenzatori su često korišćeni elementi elektronskih kola, čija reaktansa (Xc), zavisi ne samo od kapacitivnosti kondenzatora (C), već i od učestanosti ( f ) napona koji je doveden na krajeve kondenzatora: Xc = 1/2πfC. Zato se koriste u elektronskim kolima u kojima od više signala različitih učestanosti treba izdvojiti i dalje proslediti samo signale određenih učestanosti, a sve ostale oslabiti u potrebnoj meri: u različitim električnim filtrima, oscilatornim kolima, kao sprežni elementi između pojedinih stepena itd. Oznake kondenzatora u električnim kolima date su na slici. Kondenzatori, prema konstrukciji, mogu biti cilindrični, pločasti, disk i čip-kondenzatori. Kondenzatori su najčešće stalne kapacitivnosti (npr. blok kondenzatori, elektrolitski čip-kondentatori), mada mogu biti i promenljivi i polupromenljivi.

(a) (c) (d)(b)

+

Simboli na električnim šemama: (a) stalnih (blok); (b) elektrolitskih; (c) promenljivih i (d) polupromenljivih (trimer) kondenzatora.

Šematski prikaz različitih konstrukcija kondenzatora stalne kapacitivnosti: (a) cilindrični sa više obloga (elektroda); (b) pločasti sa više obloga;

(c) disk kondenzatori; (d) čip-kondenzatori.

(a) (b)

r

d

rotor rotor

d

R

S

stator stator

S

Prikaz (a) kondenzatora sa promenljivim poluprečnikom rotorskih ploča i polukružnim osovinskim isečkom; (b) kondenzatora sa polukružnim rotorskim

pločama i osovinskim isečkom promenjivog poluprečnika.

U grupu specijalnih dielektričnih materijala spadaju materijali za raznovrsne pretvarače: piezoelektrici, pirolektrici, elektreti i tečni kristali. Oni se koriste za konverziju neelektričnih signala (mehaničkih, toplotnih, optičkih...) u električne, ili obrnuto, i nalaze primenu u senzorima i aktuatorima.

Piezoelektrici imaju sposobnost sticanja električnog dipolnog momenta pri mehaničkoj deformaciji, razdvajanjem centara pozitivnih i negativnih naelektrisanja. Piezoelektrični modul (d) karakteriše promenu električnog pomeraja (D) pri promeni mehaničkog napona (σ): d = ∂D/∂σ.

Najznačajniji piezoelektrik je monokristalni kvarc (SiO2), sa postojanim piezoelektričnim svojstvima do 573°C. Za izradu piezoelektričnih rezonatora (npr. ultrazvučnih transdjusera), kvarc se seče na tanke pločice, koje se oblažu metalnim elektrodama, na koje se dovodi naizmenično električno polje, koje izaziva mehaničke oscilacije pločice dejstvom obrnutog piezoelektričnog efekta. Kvarcne pločice se mogu koristiti i kao piezoelektrični senzori za kontrolu položaja ekstremno tankih šiljaka kod skenirajućeg tunelskog mikroskopa (STM). Osim toga, kvarc može da se koristi za piezoelektrične senzore pritiska (na primer, u robotici). U senzorskim primenama, napon koji se javlja na krajevima piezoelektrične pločice srazmeran je pomeraju ili pritisku.

Piroelektrici imaju sposobnost promene električnog pomeraja (D) sa temperaturom (T), koja se karakteriše piroelektričnim koeficijentom : p = ∂D/∂T. Piroelektrični materijali koriste se za izradu toplotnih senzora i detektora infracrvenog zračenja. Najbolja piroelektrična svojstva ima PZT keramika (Pb[ZrxTi1-x]O3).

Specijalni dielektrični materijali: pretvarači, displeji, memorije

Elektreti su materijali sa orijentacionom polarizacijom koji nakon odgovarajućeg tretmana stiču i zadržavaju električnu polarizaciju. Za izradu elektreta načešće se koriste BaTiO3, SrTiO3, MgTiO3, CaTiO3 i TiO2, u vidu diskova debljine do 5 mm, i prečnika do 100 mm. Naziv elektret ukazuje na analogiju sa stalnim magnetima. Za formiranje elektreta koriste se samo materijali sa orijentacionom polarizacijom, tj. oni koji sadrže stalne dipole. Oni se najčešće izrađuju topljenjem ili razmekšavanjem do potrebne granice, posle čega se hlade u spoljašnjem jednosmernom električnom polju (jačine oko 1 kV/mm), sve dok materijal ne očvrsne. U tom procesu, pri povišenoj temperaturi, pod dejstvom stalnog električnog polja, dipoli se orijentišu u pravcu polja, a potom se fiksiraju u tom položaju hlađenjem. Elektreti se primenjuju u izradi mikrofona, zvučnika i slušalica, merača pritiska i vlažnosti, elektrometara i dozimetara, ultrazvučnih detektora, toplotnih i infracrvenih senzora itd.

Šematski prikaz polarizacije elektreta smeštenog u toku izrade između

naelektrisanih ploča

Tečni kristali imaju tzv. parakristalnu strukturu, kao međustanje pri topljenju iz kristalne u tečnu fazu. Uređenost strukture tečnih kristala određena je dejstvom molekularnih veza između izduženih molekula. Čak i vrlo mali spoljašnji uticaj, kao što su slaba električna polja, može prouzrokovati dramatične promene u rasporedu izduženih molekula tečnog kristala, a time i promene u makroskopskim svojstvima ovog materijala. Upadljivi optički efekti kod tečnih kristala, koji su osnova tečnokristalnih displeja, rezultat su neobično velikih optičkih anizotropnosti. Anizotropija indeksa prelamanja je tipično Δn = 0,05–0,25 za različite orijentacije izduženih molekula. Preorijentacija molekula zato uzrokuje velike promene optičkih svojstava duž posmatranog pravca, kao što su polarizacija, apsorpcija, refleksija, rasejanje i boja svetlosti. Koriste se za izradu tečnokristalnih displeja, tečnokristalnih ekrana, eletrooptičkih prekidača itd.

Princip rada tečnokristalnog displeja bez pozadinskog osvetljenja prikazan je na slici. Tečni kristal (debljine oko 10 μm) nalazi se između dve staklene ploče (A i B) i sve je hermetički zatvoreno. Staklene ploče A i B su iznutra mikroskopski izgravirane u pravcima y i x, respektivno. Ovakva gravura usmerava obližnje tečnokristalne molekule (neposredno uz ploče), tako da će se kao rezultat dobiti molekuli zaokrenuti međusobno za 90o između vrha i dna tečnokristalne ćelije, kao što je prikazano na slici. Ako polarizovana svetlost iz polarizatora 1 pada na gornju staklenu ploču A, ona će posredstvom zaokrenutih tečnokristalnih molekula zakretati svoju polarizaciju, izašavši kroz ploču B sa polarizacijom zaokrenutom za 90o, zahvaljujući čemu prolazi kroz polarizator 2 (tj. analizatorski kristal) postavljen tako da mu je propusna ravan pod pravim uglom u odnosu na ravan polarizacije gornjeg polarizatora (tj. polarizatorskog filtera). Ako iza tečnokristalne ćelije postoji reflektujuća (ogledalna) površina, svetlost će se reflektovati nazad u ćeliju, proći kroz nju i izaći s gornje strane sa prvobitnom polarizacijom, tako da će, gledano odozgo, ćelija pokazivati svetlu površinu. Na površinama staklenih ploča A i B naparene su i elektrode, napravljene od transparentnog InPb-oksida, i ecovane do željenog oblika (recimo sastavljenog od segmenata pogodnih za alfa-numeričke prikaze). Naizmenični napon efektivne vrednosti 5–10 V i visoke učestanosti, primenjen između elektroda, formira električno polje u z-pravcu, tako da se polarni tečno-kristalni molekuli orijentišu u pravcu polja, čime se narušava njihova zaokrenuta uređenost. Upadna polarizovana svetlost na tim mestima neće zaokretati polarizaciju, zbog čega će se apsorbovati u analizatoru i neće se reflektovati unazad (slika dole desno). Površine prekrivene elektrodama sa primenjenim naponom postaće na taj način tamne. Tako se aktivirane transparentne elektrode (u obliku slova ili brojeva) pokazuju kao tamni oblici na svetloj pozadini. Kada se napon na elektrodama ukine, molekuli se spontano vraćaju u uređeno stanje zaokrenutosti između ploča.

Šematski prikaz ćelije jednog tipa tečnokristalnog displeja

Analizatorski kristal

Polarizatorski filter (krsitalni sloj)

Kod aktivnih TFT LCD-ova (thin-film-transistor liquid-crystal display), na elektrodama ćelije (piksela) napon je uvek prisutan, što se postiže pridruživanjem tankoslojnog tranzistora svakom pikselu. Propustljivost ćelije na polarizovanu svetlost kontroliše se stepenom zaokrenutosti molekula. Aktivni LCD-ovi najčešće imaju transmisione, a ne refleksione, ćelije (piksele) i umesto ambijentalne svetlosti koriste pozadinsko osvetljenje (eng. backlight). Današnji LCD-ovi najčešće koriste LED pozadinsko osvetljenje (LED-backlit LCD display, što nije isto što i LED display koji predstavlja panel sastavljen od svetlećih dioda). Boja piksela se postiže tako što se svaki piksel sastoji od po tri podpiksela koji daju tri osnovne boje (RGB) prolaskom svetlosti kroz odgovarajući filter.

Optičke memorije (CD, DVD, Blu-ray diskovi) koriste lasersko upisivanje i očitavanje podataka. Mogu biti ROM tipa (npr. na bazi telura) ili RW tipa (na bazi fazno promenljivih legura, kao što su Ge-Sb-Te ili Ag-In-Sb-Te).

Kod telurske ROM optičke memorije (eng. read-only memory) upisivanje podataka vrši se tako što se laserskim snopom veće snage rastopi mala zapremina Te-sloja (debljine 10-30 nm), posle čijeg hlađenja se obrazuje lokalni mehurić, koji pri očitavanju podatka laserskim snopom manje snage daje znatno slabiju refleksiju od lokacije (bita) koja pri upisu nije topljena.

Prelazni tip između ROM i RW optičkih diskova predstavljaju diskovi sa mogućnošću samo jednog upisivanja (eng. write once), koji nose oznaku CD-R ili DVD-R (od engleskog recordable). Oni se sastoje iz sloja transparentnog organskog materijala nanetog na visoko reflektivnu podlogu. Upis se vrši laserskim zagrevanjem lokacija u organskom sloju, čime im se smanjuje transparentnost. Pri čitanju laserskim snopom manje snage, lokacije (bitovi) koji su pri upisu zagrevani daju nižu refleksiju, jer slabije propuštaju upadnu lasersku svetlost do reflektujuće podloge.

Kod RW optičke memorije (eng. rewritable) upisivanje/brisanje podataka vrši se laserskim snopom veće snage za lokalnu promenu strukture fazno promenljivog materijala iz amorfne u polikristalnu (zagrevanjem iznad temperature topljenja Tt i sporim hlađenjem ispod Tt) ili iz polikristalne u amorfnu (zagrevanjem iznad Tt i brzim hlađenjem). Različite brzine hlađenja rastopljenih bitova postižu se različitim trajanjem (tj. nagibom) silazne ivice impulsa upisivačkog laserskog snopa. Očitavanje se vrši laserskim snopom manje snage za merenje promene refleksije, koja je niža za amorfnu, a viša za polikristalnu strukturu.

Šematski prikaz: (a) optičke memorije na bazi telura (Te) i (b) magnetooptičke memorije na bazi tiberijum-gvožđe-kobalt legure (Tb-Fe-Co).

Istorijski najstariji tip optičkih memorija su magnetooptičke memorije. One su RW tipa i često su izrađivane na bazi Tb-Fe-Co legure. Upisivanje/brisanje podataka vrši se termomagnetno - laserom za lokalno zagrevanje iznad kritične temperature Tc (videti predavanje o magneticima) i orijentacijom/preorijentacijom magnetnih domena jakim lokalnim magnetnim poljem uz hlađenje ispod Tc , a očitavanje promenom refleksije polarisane svetlosti na različito orijentisanim magnetnim domenima (tzv. Kerov efekat).

Optički diskovi novije generacije imaju više slojeva materijala koji sadrže upisane podatke (eng. dual layer, tripple layer, quad layer).

CD, DVD i Blu-ray diskovi razlikuju se po gustini zapisa, tj. po kapacitetu podataka, koji je najveći kod Blu-ray-a, jer koristi laserski snop najmanje talasne dužine (λ = 405 nm), što omogućava precizniju lokalizaciju u aktivnom sloju pri upisu i očitavanju. Svetlost ove talasne dužine je plave boje, odakle i potiče naziv ovih diskova. CD koristi laser talasne dužine 780 nm, a DVD talasne dužine 650 nm.

Fazno promenljive memorije (eng. PCM – phase change memory) koriste fazno promenljive materijale, kao i RW optički diskovi, ali se kod njih upisivanje i očitavanje podataka vrši električnim signalom. Najčešće se koriste legure germanijuma, antimona i telura (Ge-Sb-Te), sa različitim udelima ova tri elementa, koje nose zajedničku oznaku GST. Organizacija memorije nalikuje onoj kod poluprovodničkih memorija, što znači da sadrži matricu memorijskih ćelija vezanih u linije bitova (eng. bit lines) i linije reči (eng. word lines). Svaka ćelija sadrži fazno promenljivi element i predstavlja jedan bit. Izborom određene ćelije (preko tranzistora za izbor linije bitova i linije reči) na njoj se pojavljuje napon kojim se vrši upis ili očitavanje podatka (tj. sadržaja ćelije). Pri upisu, zagrevanje fazno promenljivog materijala postiže se Džulovim gubicima struje koja protiče kroz ćeliju. U zavisnosti od brzine hlađenja materijala, na koju se utiče izborom amplitude i trajanja naponskog signala dovedenog na ćeliju, on dospeva u amorfno ili polikristalno stanje. Očitavanje ćelije se vrši niskim naponom (koji ne menja fazu materijala) i merenjem struje kroz ćeliju, koja je mala za visokootporno amorfno stanje materijala (R > 100 kΩ), a velika za kristalno stanje niže otpornosti (R ~ 1 kΩ).

Impuls koji dovodi do amorfizacije

Impuls koji dovodi do kristalizacije

Vreme

Tt

T

Strujno-naponska karakteristika fazno promenljivog materijala u ćeliji PCM. Uočavaju se dve grane karakteristike, od kojih jedna odgovara amorfnom, a druga

polikristalnom stanju materijala. Pri upisu, materijal se dovodi u amorfno ili polikristalno stanje u zavisnosti od trajanja i amplitude naponskog impulsa primenjenog na selektovanu

ćeliju. Da bi materijal po očvršćavanju bio amorfan, naponski impuls treba da je kratak i visoke amplitude (≈ 1,3 V), a da bi bio kristalan, naponski impuls treba da traje duže i da

ima nižu amplitudu (≈ 0,8 V). Kada se na ćeliju dovede očitavački napon (≈ 0,5 V), otpornost amorfnog stanja je velika (nagib strujno-naponske karakteristike je mali), pa je

očitana struja mala, dok je otpornost kristalne faze mala (nagib strujno-naponske karakteristike je veći), pa je u tom slučaju očitana struja veća. Nivo očitane struje, dakle, odražava stanje fazno promenljivog materijala, tj. logičko stanje ćelije kojoj se pristupa.

Fazno promenljivi materijal (GST)

Linije bitova

Lini

je re

či

Napon [V] St

ruja

[mA]

Opsezi struje i napona za dovođenje materijala

u različita stanja (videti dijagram sa prethodnog slajda)

Različiti nivoi struje pri

očitavanju

Napon praga pri kom struja u amorfnom stanju naglo raste

Amorfno stanje Kristalno stanje

Opseg struje i napona iz kog po završetku primenjenog impulsa materijal postaje kristalan

Ops

eg s

truje

i na

pona

iz k

og p

o za

vrše

tku

prim

enje

nog

impu

lsa

mat

erija

l pos

taje

am

orfa

n

Organizacija PCM