Techniklexikon

Dielektrikum

Elektrisch isolierendes Material, das zwischen die Platten eines Kondensators geschoben wird, wodurch sich dessen Kapazität erhöht. Die sog. Dielektrizitätskonstante ist der Faktor, um den sich die Kapazität erhöht und ist allg. eine kennzeichnende Größe für praktisch alle Stoffe. Ein Stoff isoliert elektr. um so besser, je höher seine Dielektrizitätskonstante ist; trockene Luft hat den Wert 1, Glas liegt zwischen 5 und 10. In der Elektronik: Isolatorwerkstoff, dessen dielektrische Eigen schaffen zur Bauelementeherstellung bewußt ausgenutzt werden. D. sind in erster Linie durch ihre relative Dielektrizitätskonstante er und Verlustfaktortand gekennzeichnet. Für mikroelektronische Bauelemente sind hauptsächlich Sili-ciumdioxid (Si02), Siliciumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (A1203) sowie Luft als D. von Bedeutung. Bei der Herstellung von monolithisch integrierten Schaltungen (IS, monolithische) werden D. z. B. zur Isolation leitfähiger Halbleitergebiete voneinander verwendet (Isolation, dielektrische), in der MIM-Technik als Kondensatormaterial. Des weiteren haben dielektrische Keramiken, insbesondere aus A1203, eine entscheidende funktionelle Bedeutung als Substrate für integrierte Mikrowellenschaltungen (MIC, MMIC) bzw. als Trägermaterial in der Streifenleitungstechnik, da sie direkt an der Wellenleitung beteiligt sind. Elektrodynamik und Elektrotechnik, ein Material mit sehr hohem spezifischen Widerstand (10^8-10¹⁴Wm). Dielektrika sind damit elektrisch nahezu nichtleitende, aber polarisierbare Substanzen (elektrische Polarisation), weswegen oft das Wort Isolator als Synonym für Dielektrikum verwendet wird. Ein ideales Dielektrikum hat keine freien Ladungsträger, die Abgrenzung realer Dielektrika gegenüber Halbleitern ist unscharf (s.u.). Dielektrisches Verhalten ist in allen Aggregatzuständen anzutreffen, es ist sowohl in kristallinen als auch in amorphen Stoffen realisiert (amorphe Festkörper). Der Begriff "Dielektrikum" wird vor allem dann verwendet, wenn es nicht nur auf die isolierende Eigenschaft eines Stoffes ankommt, sondern vor allem auf sein Verhalten zwischen den Belegungen eines Kondensators, dessen Kapazität es gegenüber dem Vakuumwert erhöht. Das dielektrische Verhalten eines Stoffes bezüglich der Transmissions- und Absorptionseigenschaften gegenüber elektromagnetischen Wellen wird aus theoretischer Sicht durch seine komplexe Dielektrizitätskonstante e * bzw. seinen Verlustwinkel d beschrieben; aus technischer Perspektive ist zur Charakterisierung zudem die Durchschlagfestigkeit E_DS von Bedeutung.

Für die mikroskopische Beschreibung ist aufgrund theoretischer Überlegungen das für Halbleiter durchgängig anwendbare Bändermodell auf reale Dielektrika nicht direkt übertragbar, da die Beweglichkeit der Ladungsträger in einem Dielektrikum ausserordentlich klein ist. Die verbotene Zone (energetischer Abstand zwischen den Valenzelektronen- und den Leitungsniveaus) ist mit  > 3eV extrem gross. Der Ladungstransport kann alternativ mit dem Hopping-Mechanismus, dem Tunneleffekt oder mit Ionenleitung erklärt werden.

Man teilt Dielektrika zweckmässig in anorganische und organische Dielektrika ein. Anorganische Dielektrika sind Elemente wie Schwefel, Phosphor, Bor, ferner Diamant; die meisten Gase (auch in verflüssigtem und festem Zustand); ferner Siliciumoxid und Metalloxide wie Aluminiumoxid und Tantaloxid; Gläser, Keramiken, Glimmer und Asbest. Ebenfalls zu den anorganischen Dielektrika gehören die Ferro-, Ferri- und Antiferroelektrika (Ferroelektrizität, Ferrielektrizität, Antiferroelektrizität). Organische Dielektrika sind praktisch alle organischen Verbindungen ausser solchen mit einem ausgeprägten System konjugierter Doppelbindungen, einigen Molekülkomplexen und pyrolysierten graphitähnlichen Produkten. Bekannte Vertreter sind Polymere wie Polystyrol, PVC und Polyethylen, Bernstein, Harze, Paraffine, Öle und viele andere organische Flüssigkeiten.

Eine andere Einteilung der Dielektrika geht vom möglichen Polarisationszustand aus:

1) Nichtpolare Dielektrika sind Materialien, bei denen Änderungen der Dielektrizitätskonstanten bei Frequenzen im sichtbaren Bereich auftreten (Elektronenpolarisation). Zu dieser Gruppe gehören alle festen, flüssigen oder gasförmigen Dielektrika mit einem einzigen Typ von Atomen.

2) Polare Dielektrika mit frequenzabhängigen Änderungen der Dielektrizitätskonstanten (Dispersion) haben Atomgruppen, bei denen durch ein elektrisches Feld elastische Verschiebungen auftreten (Verschiebungspolarisation). Wichtig ist, dass jedes einzelne Molekül ein resultierendes elektrisches Dipolmoment erhält. Beispiele sind Kohlendioxid, Paraffin, Benzol, Kohlenstofftetrachlorid, Öle, Ionengitter-Festkörper wie Natriumchlorid und andere Alkalihalogenide oder Titan(IV)-oxid.

3) Dielektrika mit permanenten Dipolen, bei denen Orientierungspolarisation (Polarisation) beobachtet wird. Zu dieser Gruppe gehören alle Materialien, die aus Dipolmolekülen bestehen (dipolare Dielektrika). Bei tiefen Temperaturen friert die Fähigkeit der Dipole ein, sich in einem Feld auszurichten. Deshalb verhalten sich dipolare Dielektrika bei tiefen Temperaturen wie Materialien der Gruppe 2). Dielektrika mit permanentem makroskopischem Dipolmoment heissen Elektrete.

Analog zu Diamagnetismus und Paramagnetismus werden Dielektrika auch unterteilt in eigentlich dielektrische Stoffe
(Gruppe 2; analog zum Diamagnetismus wird hier auch von "Dielektrizität" gesprochen), paraelektrische Stoffe (Gruppe 3, Paraelektrizität) und die ferro-, ferri- und antiferroelektrischen Stoffe.

In der Technik werden Dielektrika mit extrem hoher Durchschlagfestigkeit, Kriechstromfestigkeit, hoher mechanischer Festigkeit und guter chemischer Stabilität benötigt. [MD]