誘電体とは？電場を保持する半導体分野の重要材料⚡

半導体Times

2024年6月26日 22:06

誘電体は、私たちの生活の多くの分野で利用されている重要な材料です。スマートフォン、コンピューター、家電製品など、現代の技術の多くは、誘電体の特性を利用しています。

この記事では、誘電体の定義、特性、用途について詳しく解説します。また、誘電体の中でも特に重要な常誘電体、圧電体、焦電体、強誘電体についても触れます。

誘電体とは何か

誘電体（dielectric）とは、電気をほとんど通さない絶縁体の一種です。絶縁体とは電気を通しにくい材料のことで、例えばゴムやプラスチックなどが挙げられます。

誘電体は、その特性により電場を保持する能力があります。誘電体に外部電場をかけたときに、その内部の原子や分子が電場の影響を受けて電荷が偏る現象を誘電分極と言います。以下にそのメカニズムを簡潔に説明します。

電場の印加:
- 電場がかかると、電界が生じます。
- 電界の方向は、プラスの電荷から出てマイナス電荷へと向かう方向になります。
静電気力による影響:
- 誘電体内部の個々の分子や原子の中の電子が静電気力を受けます。
- しかし、電子は自由に動けないため、原子の外には出られません。
- これにより、原子の一方が負に、もう一方が正に偏ります。
電荷の打ち消し:
- 誘電体内の隣接する原子や分子の電荷は互いに打ち消し合います。
誘電体:
- 結果として、残る電荷は誘電体の表面にのみ存在します。
- このような誘電分極を起こす物質を誘電体と呼びます。

誘電体の特性

誘電体の特性を理解するためには、いくつかの重要な概念を知っておく必要があります。

誘電率（Permittivity）：誘電率は、電極の間に挟まれた物質の分極のしやすさを数値で表したものです。ギリシャ文字のεで表され、単位は[F/m]です。真空の誘電率をε0とすると、材料の誘電率はε = εr * ε0（εrは比誘電率）で表されます。誘電率は高いほどコンデンサ材料として適しており、逆に低ければ絶縁材料として優れています。
絶縁破壊電圧（Dielectric Breakdown Voltage）：誘電体が絶縁性を失い、電流が流れ始める電圧のことを指します。高い絶縁破壊電圧を持つ材料は、より高い電圧に耐えることができます。
誘電損失（Dielectric Loss）：誘電体が電場中でエネルギーを失う現象です。これは材料内部での電荷の移動や分極によって生じます。誘電損失が低い材料は、エネルギー効率が高く、電子機器の性能向上に寄与します。
周波数依存性：誘電体の特性は周波数によって変化します。特に高周波での誘電特性は、通信機器や高周波電子機器の設計において重要です。

上記の中でも最も重要な誘電率について、コンデンサに使用される誘電体を中心にまとめたのが以下の表です。

表　主なコンデンサに使われる誘電体（引用元）

誘電体の種類

誘電体は、その特性や用途に応じていくつかの種類に分類されます。以下に主要な種類を説明します。

常誘電体（Paraelectrics）

常誘電体は、外部電場がない状態では分極しない材料です。これらの材料は、外部電場が加わると分極しますが、その分極は電場が除去されると元に戻ります。常誘電体の典型的な例としては、シリカや酸化アルミニウムなどがあります。これらは主にコンデンサの絶縁材料として利用されます。

圧電体（Piezoelectrics）

圧電体は、機械的な圧力を加えることで電荷が発生する材料です。逆に、電場を加えると変形する性質も持っています。この特性は、センサーやアクチュエーター、発振器などに利用されます。圧電体の代表例としては、クォーツやチタン酸バリウムが挙げられます。

焦電体（Pyroelectrics）

焦電体は、温度変化によって自発的に分極する材料です。温度が変わると内部の電荷分布が変化し、表面に電荷が現れます。焦電体は、赤外線センサーや温度センサーとして利用されます。代表的な焦電体には、トルマリンやチタン酸リチウムがあります。

強誘電体（Ferroelectrics）

強誘電体は、外部電場がなくても自発的に分極する材料です。さらに、外部電場の方向を変えると分極の方向も変わるという特性を持っています。この特性は、メモリーデバイスや高感度センサーに利用されます。強誘電体の代表例としては、チタン酸バリウムやジルコン酸鉛チタンが挙げられます。

誘電体の用途

誘電体はその特性を活かして、さまざまな分野で利用されています。以下に、主要な用途をいくつか紹介します。

1. コンデンサ

役割：電気を蓄える
具体例：スマートフォン（約500個のコンデンサを使用）
最新動向：高誘電率材料の開発により、小型化・大容量化が進行中

2. 絶縁材料

用途：電線被覆、回路基板
特徴：高電圧に耐える（例：送電線は40万ボルト以上の電圧に耐える）
環境配慮：ハロゲンフリー絶縁材料の開発が進む

3. アンテナ

応用：5G通信、衛星通信
効果：通信速度の向上（5Gは最大20Gbps）
将来展望：6G通信に向けた新材料の研究が活発化

4. センサー

種類：圧力、温度、湿度センサーなど
産業応用：自動車（1台あたり約200個のセンサーを使用）
最新技術：ウェアラブルセンサーの開発（体調管理、スポーツ分析）

まとめ

誘電体は電気を通しにくい材料で、電場を保持する能力がある。
常誘電体は外部電場で分極し、電場が除去されると元に戻る。
圧電体は圧力で電荷を発生し、電場で変形する。
焦電体は温度変化で分極し、センサーに利用される。
強誘電体は自発的に分極し、電場で分極方向が変わる。
主な用途はコンデンサ、絶縁材料、高周波回路、センサーなど。

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