PCB设计中铁电磁滞回线的作用

当您想到磁滞时，您可能会想到铁磁组件，例如铁芯电感器和铁氧体变压器。施密特触发器中也会出现迟滞现象，以提供一定程度的抗噪性，一旦输入电压超过某个预定义的阈值，它便可以提供简单的电气开关。还有另一类具有磁滞现象和开关行为的材料：铁电体。

铁电材料是铁磁材料的电模拟物，但是驱动这些材料中的磁滞的物理机制是不同的。铁磁材料享有许多涉及功率转换，滤波和隔离的应用，但铁电材料的应用水平却不高。这是这种独特材料类别的一些潜在应用，以及它们在电路中的行为方式。

什么是铁电磁滞回线？

电子产品中的独特设备可以利用铁电材料中的磁滞现象，这是通过电场和物质之间的相互作用而发生的。铁电材料与其他电介质之间的区别在于，在去除电场后，铁电体保持其极化，而其他电介质返回中性状态。此外，只要对材料施加足够强的反向电场，铁电材料就可以返回中性状态。

这类似于铁磁性，因为铁磁体在暴露于磁场后可以保持其磁化强度。这就需要克服一个阈值来改变剩余极化的幅度和方向，这意味着这些材料像磁铁一样会表现出磁滞现象。下图显示了铁电磁滞回线，其基本结构与磁滞回线相同。图上标出了一些重要点。

铁电磁滞回线显示铁电材料中的总极化。

铁电磁滞回线的要点

铁电磁滞回线有三个要点：

矫顽力（E C）：这是在正负值之间切换极化所需的电场。请注意，正电场会引起负极化，从而引起负电容。

剩余极化（P R）：去除电场后材料中残留的极化量

饱和极化强度（P S）：这是材料在高电场强度下可以感应的最大极化强度。

注意，可以从铁磁磁滞回线中提取相同的点。磁滞回线上的这些重要点取决于驱动铁电材料中极化磁滞的物理机制。

铁电驱动因素

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锁定束缚电荷分布的这种变化，即使在去除入射电场之后，束缚电荷仍保留在新的分布中。在微观上，这种现象的物理机制包括离子迁移和陷阱态填充等。

从数学上讲，材料中的极化是分段非线性的，具体取决于电场是增加还是减少。用于建模磁滞的相同技术也可以用于建模铁电磁滞回线。当使用铁电体构造新的组件并使用这些组件进行电路仿真时，这一点变得很重要。一些有趣的设备可以在许多领域利用铁电磁滞。

铁电材料的应用

铁电材料在电子领域有许多应用，从可调非线性元件到能量产生。一些示例包括：

动态电容器比变容二极管具有更大的动态范围和灵敏度

负电容电容器

用于光子学应用的非线性波导

钙钛矿太阳能电池，如果电场下降，可以保持效率

高灵敏度热释电传感器

调制器

非易失性存储器

在这些潜在的应用中，钙钛矿太阳能电池受到了很多研究的关注，并且可能是下一个商业上可获得的铁电产品。但是，由于转换效率的定义不明确，这些设备中的铁电磁滞回线被视为成功进行功率转换的障碍。如果铁电半导体的制造工艺继续发展，动态电容器和负极电容器也可以商业化。

也许当前最流行的铁电设备是铁电RAM（FRAM）。这些器件具有在CMOS工艺中使用铁电半导体的相对简单的结构。在这种类型的装置中，铁电材料作为NPN晶体管结构中的基底上的电介质隔离层放置。可以将一点作为极化存储在铁电体中。此外，铁电体中的磁滞确保除非在字线上施加足够大的电场以反转或清除极化，否则不会丢失位。

铁电磁滞回线显示铁电材料中的总极化。

当前的FRAM产品范围每个模块最多只能提供8 MB的存储，这些存储分布在多个存储区中。但是，这种材料中的剩余极化具有无限的读写循环能力，并且剩余极化确保了该材料用作非易失性存储器。如果改善铁电半导体工艺，则可以将更多的FRAM器件和其他铁电产品商业化。
编辑：hfy