磁性物理幻灯片第三章.pptx

2010年教学课件电介质物理DIELECTRIC PHYSICS 邓 宏Deng Hong电子科技大学 微电子与固体电子学院School of Micro-electronics & Solid State Electronics第三章 电介质的电导本章讲解实际介质在电场作用下，介质中的有限电导过程及微观机理。电介质——原子间以离子键、共价键相结合≠金属键构成的良导体电绝缘性能优良的材料是电器设备和电子元件中必不可少的组成部分。绝缘结构的最终寿命——绝缘击穿击穿先导现象——电导，不仅能为绝缘结构的非破坏性试验及绝缘结构内电位分布的控制等工程应用方面，而且对电气物性论的研究方面也能提供重要的资料。离子微小位移——产生极化离子从一个电极位移至另一个电极——形成电导§3-1 电导的概念一、载流子 电介质中——离子电导为主。导带bac价带载流子的种类：离子——从能带理论可知，主要为弱联系离子、本征离子；带电胶粒——如水离解；电子——对窄禁带电介质。载流子的形成：离子电导：由（晶格）结点上的离子产生的本征离子电导；由杂质离子产生的杂质离子电导。电泳电导：带电胶粒形成的基团（游子）产生的电导。电子电导：一般是由光辐照产生的电子形成电子电导。电子导电空穴导电受激激子：杂质离子与价带电子的复合（不参与导电）半导体与电介质物理性能对比物理性质半导体（Si、Ge）电介质（NaCl等）光吸收限???m?1.5<0.25禁带宽度（eV）0.8>5电子空穴本征电导自由载流子浓度（m-3）T=300KT=300KT=500K2.8?101810-181自由载流子迁移率（m2/sV）10-4~1<10-8本征电导率（?·m）-14.5 ?10-5~0.45< 10-45<10-27有效质量比m*/m00.11杂质离子的非本征电导光频介电常数?=n2162.5电离能（eV）5 ?10-32杂质浓度（m-3）1018离杂质浓度（m-3）1018~1024<2 ?10-9<105非本征电导率（?·m）-1<1.6 ?105<10-35<2 ?10-22 按体积电阻率排列的各种材料电介质电流——时间特性 聚乙烯的电流时间特性VmS二、电导率?与迁移率?的概念结论：对电介质来说，导电载流子可以是离子和电子，但在大多数情况下，主要为离子导电，这与导体和半导体的电子导电机理有所不同；研究电介质的导电性质，应了解载流子的性质和其迁移机理，揭示宏观介电参数与微观导电机构间的规律性。§3-2 气体介质的载流子和电导一、载流子的产生体积电离——体内气体分子相互碰撞而发生的电离，又称为本征电离；表面电离——金属电极表面电子逸出而使气体发生的电离，又称为非本征电离。气体介质只有在气体分子电离的情况下，才会产生电流。气体分子的相互碰撞，光、热、辐射等都可能引起气体电离。二、气体介质的电流-电压关系（伏-安特性曲线）IIIIII说明在电流很小时，载流子的浓度与无电场的载流子浓度相同。通常所说的电导率均是指饱和区的电导率。高电场区 如电场很高，例如E>106V/cm，离子在电场中获得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使N随E的增大指数增加，导致电流的指数增大。§3-3 液体介质的载流子和电导常见的液体电介质：矿物油——变压器油、电容器油；植物油——蓖麻油、桐油；有机溶剂——苯、甲苯、四氯化碳；新型液体介质——十二烷基苯、硅油、酯类油。纯液体介质具有很低的电导率?=10-13~10-15（??cm）-1，含有杂质的液体介质的电导率?=10-9~10-13（??cm）-1。本征离子杂质离子离子胶粒——水（或悬浮状水珠）直接离解：如H2O——2H++O2-间接离解：先发生氧化组成新的物质，再离解。热离解产生一、液体介质的载流子离子的来源：二、液体介质的离子电导本征杂质三、液体介质的电泳电导1.载流子——胶粒 来源：1）加树脂（提高黏度、稳定性）——悬浮离子； 2）过量的水——细小水珠。特点：1）胶粒为分子的聚集体，大小在10-6~10-10m； 2）胶粒为分散体系，作布朗热运动； 3）胶粒为带电体，带电规律：胶粒的介电常数比液体大，带正电胶粒的介电常数比液体小，带负电＋＋＋＋＋＋电场力F摩擦力f运动方向2. 电泳电导的计算华尔顿定律高粘度硅油混入巳烷中时粘度与离子迁移率的关系 3. 液体电导主要是杂质和胶粒，这都不是液体介质的本征特性。可以通过在液体介质中加硅胶和活性剂的方法来改善液体介质的性能。4. 液体电介质载流子迁移率的测量方法：精制的液体，施加直流电场，对阴极用极短时间的紫外线脉冲照射，使从阴极向液体做光电子注入，注入的电子就以自由电子的形式或附着在中性分子上成为负离子而向阳极运动，在外部回路中有光电流流过。 本征离子的华尔顿定律由于本征离子是由液体分子电离而来，