鐵電材料的電流

2021-02-15 鐵電測試


1.    電流分類


鐵電測試過程中，電流大體上分兩種，一是漏電流，電容介質不可能絕對不導電，當電容加上直流電壓時，電容器會有漏電流產生。另一種是極化電流，或者叫瞬態電流，是鐵電體在極化翻轉過程中會產生的較大的瞬態電流。


2.    漏電流測試（Leakage和I/V curve）


Leakage Task：I=Q/t，測試在指定的直流偏壓下，漏電流隨時間變化的曲線。激勵信號如下圖，紅色偏壓允許樣品漏電信號趨於穩定，以此消除任何極化翻轉電流和其他條件引入的電流。藍色偏壓部分是測試時間，對於大多數鐵電儀默認設置條件下，採用2000點左右，最高可自定義至32000點。漏電流為uA，nA，甚至pA級別，測試時要注意電磁幹擾，光伏效應等。

                           

Leakage Test Stimulus and Measurement Profiler

Leakage Test Curve

I/V Task：不同偏壓下的Leakage集合。

電流-電壓測試可設置三種初始狀態，即正、反向預極化和無預極化，其中無預極化狀態與絕大多數使用源表測試的結果類似，只是多數使用者可能沒有注意樣品的初始狀態是什麼樣。

反向預極化的I/V曲線會不太一樣，在測試過程中，電疇是在逐漸翻轉反向的過程，因此，通常在矯頑場附近會有一個較大的電流峰出現。

Switched Triangular Drive Profile

Un-switched Triangular DriveProfile

        虛線是預極化脈衝，需要注意脈衝寬度的設定，要保證樣品被充分極化。

Comparison of Switched and Un-switched I/V

3.    極化電流


鐵電材料電疇翻轉過程中，電流、電容都會產生瞬時變化，其中瞬時電流的突變，就是我們本節討論的極化電流：I=dP/dt, 或者I=dQ/dt，電流密度和電流的簡單區分。對鐵電材料來說，極化電流通常遠高於電阻電容漏電流的大小。我們測試了1nF電容，2.5Mohm電阻和PZT材料，9V，1KHz三角波驅動下的瞬態電流。

Instantaneous Current of 1nFCapacitor

Instantaneous Current of 2.5MohmResistor

Instantaneous Current of PZT

可以明顯看到極化電流大約0.4mA，而線性器件的極化電流低於0.04mA，差了10倍以上。A，使用Hysteresis Filter Task對已經完成測試的電滯回線做微分運算dP/dt。這種方法通常在10年前的舊版軟體上使用，測試時需要添加Filter任務。

 

B，如果使用較新版軟體，在Hysteresis任務測試完成後，看結果的時候選擇Instantaneous Current (mA) VsVoltage或者Instantaneous Current (mA) Vs Time (ms).

 

C，選擇Current Loop任務直接測試，該任務與Hysteresis任務相似，但它關閉了電荷積分電路，直接讀取通過樣品的電流，提高測試精度。

我們對微分計算和直接測試兩種方法進行了對比，如下圖：

dQ/dt Curve

I=V/R Current Loop Curve

4.    總結

漏電流大小，是判斷材料缺陷多少的重要指標，而極化電流是鐵電材料電疇翻轉能力的重要判斷參數之一，可根據自己的科研需求分別進行測試研究，歡迎討論。

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