材料的介電性能

1、第6章 材料(cilio)的介電性能2009.05共四十七頁 熱擊穿 電擊穿(j chun) 局部放電擊穿 6.3 電介質(zhì)在電場(din chng)的破壞共四十七頁當(dāng)固體電介質(zhì)在電場作用下，由電導(dǎo)(din do)和介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量超過試樣通過傳導(dǎo)、對流和輻射所能散發(fā)的熱量時(shí)，試樣中的熱平衡就被破壞，試樣溫度不斷上升，最終造成介質(zhì)永久性的熱破壞，這就是熱擊穿。 6.3.1熱擊穿機(jī)制(jzh)對面積為A、厚度為d的試樣施加直流電壓V，且介質(zhì)只有漏導(dǎo)電流產(chǎn)生的熱量。共四十七頁共四十七頁使試樣本身溫度升高通過熱傳導(dǎo)和熱對流向周圍散發(fā)(snf)熱量共四十七頁 不是瞬時(shí)完成的，要有熱量聚集的過程； 非本

2、征的，不僅與介質(zhì)物性有關(guān)，還與器件幾何(j h)形狀、絕緣結(jié)構(gòu)、散熱條件、電壓種類和媒質(zhì)溫度等因素有關(guān)。 特征(tzhng)共四十七頁固體(gt)電介質(zhì)的熱擊穿判據(jù)當(dāng)發(fā)熱曲線W1與散熱直線W2相切時(shí)，切點(diǎn)(qidin)C應(yīng)滿足以下條件共四十七頁當(dāng)電子從電場中得到的能量大于傳導(dǎo)給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能就越來越大，至電子能量大到一定值時(shí)，電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定(wndng)階段，擊穿發(fā)生。從理論(lln)上可分為 本征電擊穿理論 “雪崩”電擊穿理論 6.3.2 電擊穿機(jī)制共四十七頁1.本征電擊穿(j chun)理論電子加速運(yùn)動(dòng)(動(dòng)能(

3、dngnng)與晶格振動(dòng)的相互作用，把能量傳遞給晶格。當(dāng)其處于平衡時(shí)，介質(zhì)中有穩(wěn)定的電導(dǎo)，若電子能量大到一定值而破壞平衡，電導(dǎo)由穩(wěn)定態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)定態(tài)。 A表示單位時(shí)間內(nèi)從電場獲得的能量 E電場強(qiáng)度； 松弛時(shí)間 (與電子能量U有關(guān)) B表示電子與晶格振動(dòng)相互作用時(shí)單位時(shí)間內(nèi)能量的損失， 晶格振動(dòng)與溫度有關(guān) 平衡時(shí)，A(E,U)=B(T0,U) 當(dāng)E上升到使平衡破壞時(shí)，碰撞電離過程便立即發(fā)生晶格溫度 引起非穩(wěn)態(tài)的起始強(qiáng)度定義為電擊穿強(qiáng)度。 （電子平均自由行程時(shí)間）共四十七頁特征(tzhng)發(fā)生在室溫或室溫以下發(fā)生的時(shí)間間隔很短，在微秒或微秒以下與樣品或電極幾何形狀(xngzhun)無關(guān)，或者與所加

4、電場的波形無關(guān)僅與材料有關(guān)與介質(zhì)中的自由電子有關(guān)（來源為雜質(zhì)或缺陷能級、價(jià)帶）共四十七頁本征擊穿理論可歸結(jié)為基本上處理電子與晶格間能量的傳遞，并且(bngqi)考慮材料中電子能量的分布變化。共四十七頁參與能量(nngling)傳遞作用的因素偶極場中的晶格振動(dòng)與偶極場晶格振動(dòng)共有的電子殼層變形(bin xng)非偶極場短程電子軌道畸變共四十七頁本征擊穿(j chun)理論所相關(guān)的電子能量分布變化的因素電場對電子的加速作用傳導(dǎo)電子間的碰撞(pn zhun)傳導(dǎo)電子與晶格的相互碰撞電子的電離、再復(fù)合和捕獲電場梯度形成的擴(kuò)散共四十七頁本征擊穿(j chun)機(jī)制模型單電子近似模型僅適用于材料(cili

5、o)本征擊穿低溫區(qū)集合電子近似模型共四十七頁2.雪崩式電擊穿(j chun)機(jī)制把本征電擊穿機(jī)制和熱擊穿機(jī)制結(jié)合起來電荷是逐漸或者相繼積聚，而不是電導(dǎo)率的突然改變，盡管電荷集聚在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生最初(zuch)機(jī)制是場發(fā)射或離子碰撞共四十七頁以碰撞電離后自由電子數(shù)倍增到一定(ydng)值作為電擊穿判據(jù)。 “四十代理論(lln)”：當(dāng)介質(zhì)很薄時(shí)，碰撞電離不足以發(fā)展到40代，電子雪崩系列已進(jìn)入陽極復(fù)合，此時(shí)介質(zhì)不能擊穿。因此便定性解釋了薄層介質(zhì)具有較高擊穿電場的原因。通過估算：由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，1cm內(nèi)的電離次數(shù)達(dá)到40次，介質(zhì)便擊穿。共四十七頁雪崩電擊穿和本征電擊穿一般

6、難于區(qū)分在理論上它們的關(guān)系十分明顯本征電擊穿理論中增加傳導(dǎo)電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生而雪崩擊穿是考慮高場強(qiáng)時(shí)，傳導(dǎo)電子倍增過程(guchng)逐漸達(dá)到難以忍受的程度，導(dǎo)致介質(zhì)晶格破壞。共四十七頁局部放電就是在電常作用下，在電介質(zhì)區(qū)域中所發(fā)生放電現(xiàn)象，沒有電極之間形成貫穿的通道，整個(gè)試樣并沒有擊穿局部放電是脈沖性的，其過程(guchng)與電暈放電相同。局部放電將導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿與老化。6.3.3 局部(jb)放電擊穿共四十七頁擊穿(j chun)的隨機(jī)性傳統(tǒng)的擊穿模型屬于純確定論，是建立在超過某一臨界電場時(shí)，因一連串因果效應(yīng)使系統(tǒng)不再能維持能量(nngling)平衡從而發(fā)生擊穿的基礎(chǔ)之上的。由于

7、高聚物的能帶理論、電荷注入、電子激發(fā)及輸運(yùn)過程的深入研究與發(fā)展，以及非線性科學(xué)中分形及混沌的廣泛應(yīng)用，促使電擊穿從確定論邁向破壞過程的隨機(jī)論的根本性變化。擊穿也包括最終導(dǎo)致?lián)舸┑睦匣^程。老化本身是一種空間分布的、隨時(shí)間不斷發(fā)展且累積的損傷過程。共四十七頁1920年法國人Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽具有特異的介電性，其極化強(qiáng)度隨外加(wiji)電場的變化為以下形狀，稱為電滯回線，把具有這種性質(zhì)的晶體稱為鐵電體6.4 鐵電性6.4.1 鐵電體與電疇1.電滯回線和鐵電體共四十七頁 電滯回線鐵電體典型(dinxng)的極化曲線(極化強(qiáng)度與電場強(qiáng)度的變化關(guān)系)重要標(biāo)志 OAB表示對未極化樣品施加電場E，隨

8、E，極化強(qiáng)度不斷增加，達(dá)到B點(diǎn)，極化強(qiáng)度飽和，再繼續(xù)增加E，極化強(qiáng)度隨外電場線性增加。BC線外推至電場為0，則與縱坐標(biāo)軸相交于PS點(diǎn)。PS自發(fā)極化強(qiáng)度。達(dá)到飽和后再減小電場，極化強(qiáng)度并不是沿原始的極化曲線下降，而是沿圖中CBD變化，在D點(diǎn)電場為0，但極化強(qiáng)度并沒有消失，Pr剩余極化強(qiáng)度(Remnant Polarization) 。只有當(dāng)電場沿相反方向(fngxing)增加到-Ec時(shí)，極化才變?yōu)?，Ec被稱之為矯頑場(Coercive Field) 。繼續(xù)增加反向電場可使極化強(qiáng)度達(dá)到反向飽和，再增加到正向飽和。極化強(qiáng)度將完成圖示的回線，稱之為電滯回線。 共四十七頁鐵電體具有自發(fā)極化的特性，而且

9、這種自發(fā)極化的電偶極矩在外電場作用下可以改變其取向，甚至反轉(zhuǎn)。在同一外電場作用下，極化強(qiáng)度(qingd)可以有雙值，表現(xiàn)為電場E的雙值函數(shù)，這正是鐵電體的重要物理特性鐵電體有電滯回線的原因：電疇。居里溫度TC或稱居里點(diǎn)TC共四十七頁鐵電體整體上呈現(xiàn)自發(fā)極化，其結(jié)果是晶體正、負(fù)端分別有一層正、負(fù)束縛電荷。束縛電荷產(chǎn)生的電場-退極化場與極化方向反向，是靜電能升高。在受機(jī)械束縛時(shí)，伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還將使應(yīng)變能增加所以整體均勻極化的狀態(tài)不穩(wěn)定，晶體趨向于分成多個(gè)小區(qū)域。每個(gè)區(qū)域內(nèi)部電偶極子沿同一個(gè)方向，但不同(b tn)小區(qū)域的電偶極子不同(b tn)，這每個(gè)小區(qū)域稱為電疇。180疇壁（較薄）90

10、疇壁（較厚）2.電畤轉(zhuǎn)向(zhunxing)共四十七頁共四十七頁鐵電畤在外電場作用下，總是趨向與外電場方向一致，稱之為畤轉(zhuǎn)向。電畤運(yùn)動(dòng)是通過新畤出現(xiàn)，發(fā)展和畤壁移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)(shxin)的。電滯回線是鐵電體的鐵電畤在外電場作用下運(yùn)動(dòng)的宏觀描述。共四十七頁 6.4.2鈦酸鋇自發(fā)(zf)極化的微觀機(jī)理及電疇的形成1.鈦酸鋇自發(fā)極化(j hu)的微觀機(jī)理從非鐵電相到鐵電相的過渡總是伴隨著晶格結(jié)構(gòu)的改變，晶體從立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，晶體的對稱性降低，提出離子位移理論，認(rèn)為自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置造成。由于離子偏離了平衡位置，使得單位晶胞中出現(xiàn)了電矩，電矩之間的相互作用使偏離平衡位置

11、的離子在新的位置穩(wěn)定下來，與此同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。共四十七頁共四十七頁 軟模理論(lln)： 在一定情況下 ，晶體結(jié)構(gòu)的鐵電相變是布里淵區(qū)中心的橫向光學(xué)晶格振動(dòng)的”柔軟(rurun)化”結(jié)果。柔軟化：聲子橫光學(xué)振動(dòng)頻率接近于零。 共四十七頁Ti4+在氧八面體中心有位移的余地，在較高溫度時(shí)(120)由于離子熱振動(dòng)能比較大，Ti4+不可能在偏離中心的某一位置固定下來，它接近周圍6個(gè)氧離子的機(jī)率是相等的，所以晶體結(jié)構(gòu)仍保持較高的對稱性，晶胞內(nèi)不產(chǎn)生電矩，即自發(fā)極化為0。當(dāng)溫度降低(120，立方結(jié)構(gòu) a4.01 O2-O2-間隙： 共四十七頁2 .電畤形成(xngchng)電畤的形成(xngchn

12、g)及其運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理是復(fù)雜的共四十七頁6.4.3鐵電體的臨界(ln ji)性質(zhì)1.環(huán)境因素對鐵電體性質(zhì)(xngzh)的影響 （1） 外部條件（電場，應(yīng)力。溫度，壓力）的變化，可以引起鐵電體極化強(qiáng)度PS的變化共四十七頁（2）鐵電體相變按自由能變化(binhu)來分，可分為兩類。即：一級相變二級相變共四十七頁一級相變二級相變在相變點(diǎn)上，PS突變到零；鐵電相與非鐵電相共存；相變伴隨(bn su)著潛熱和熱滯現(xiàn)象。 如BT等。在相變點(diǎn)上，PS連續(xù)地下降至零；相變沒有潛熱(qinr)和熱滯現(xiàn)象。 如KDP等。TTCPSTTCPS共四十七頁共四十七頁鐵電體居里(j l)溫度是由材料成分決定，不同元素在同

13、一鐵電體中對的TC影響不同的。晶粒的大小也影響鐵電體的行為。一般情況下晶粒越大，其起壓電性值就越高。2. 成分(chng fn)，晶粒大小，尺寸因素的影響共四十七頁3. 反鐵電-鐵電相變反鐵電晶體含有反平行排列的偶極子。反鐵電相的偶極子結(jié)構(gòu)很接近鐵電相的結(jié)構(gòu)，能量上的差別(chbi)很小，因此，只要在成分上稍有改變，或者加強(qiáng)的外電場或者是壓力則反鐵相就轉(zhuǎn)變?yōu)殍F相結(jié)構(gòu)。共四十七頁某些晶體(jngt)材料按所施加的機(jī)械力成比例地產(chǎn)生電荷的特性。 6.5 壓電性和熱釋電性6.5.1 壓電性壓電性1.正壓電效應(yīng)(y din xio yng)，逆壓電效應(yīng)(y din xio yng)和壓電常數(shù)當(dāng)晶體受到

14、機(jī)械力作用時(shí)，一定方向的表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與所加的應(yīng)力的大小成線性關(guān)系。這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過程，稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體在外電場激勵(lì)下，晶體的某些方向上產(chǎn)生形變，而且應(yīng)變大小與所加電場在一定范圍內(nèi)有線性關(guān)系，這種由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程稱為逆壓電效應(yīng)。 共四十七頁在正壓電效應(yīng)中，電荷(dinh)與應(yīng)力成比列，即 在逆壓電效應(yīng)(y din xio yng)中，應(yīng)變S與電場強(qiáng)度E成正比，即 d 壓電常數(shù)(C/N)D 電位移(C/m2)T 應(yīng)力(N/m2)d (V/m)S 應(yīng)變(m/m)E 電場強(qiáng)度(V/m) 比例常數(shù)d數(shù)值相同 共四十七頁2.壓電性產(chǎn)生(chnshng)原因晶體壓

15、電效應(yīng)的本質(zhì)是因?yàn)闄C(jī)械作用引起晶體介質(zhì)的極化從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(fho)相反的束縛電荷。共四十七頁共四十七頁3. 壓電振子(zhn z)及其參數(shù)壓電振子(zhn z)最基本元件，是被覆激勵(lì)電極的壓電體壓電振子參數(shù)諧振頻率與反諧振頻率共四十七頁機(jī)械品質(zhì)因數(shù)頻率常數(shù)(chngsh)機(jī)電耦合系數(shù)共四十七頁4. 壓電陶瓷(toc)的預(yù)極化極化(j hu)條件極化 在壓電陶瓷上加一個(gè)強(qiáng)直流電場，使陶瓷中的電畤沿電場方向取向排列。 極化電場 極化溫度 極化時(shí)間共四十七頁6.5.2 熱釋電性1. 熱釋電性現(xiàn)象(xinxing)在電化石熱釋電實(shí)驗(yàn)中，由于加熱(ji r)，溫度變化，使自發(fā)極改變，屏

16、蔽電荷失去平衡。因此，晶體一端的正電荷吸引硫磺粉顯黃色，另一端吸引鉛丹粉顯紅色。由于溫度變化而使極化改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，其本質(zhì)稱為熱釋電性。2. 熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的條件具有熱釋電效應(yīng)的晶體一定具有自發(fā)極化（固有極化）的晶體，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有極性軸，簡稱極軸，就是晶體唯一的軸，在該軸的兩端往往具有不同性質(zhì)，且采用對稱作不能與其他晶向重合的方向。因此，具有對稱中心的晶體是不可能有熱釋電性的，這一點(diǎn)與壓電體的結(jié)構(gòu)要求是一樣的。但具有壓電性的晶體不一定有熱釋電性。共四十七頁表征材料(cilio)熱釋電性的主要參量是熱釋電常量p,其定義為：PS為自發(fā)極化(j hu)強(qiáng)度,T為熱力學(xué)溫度共四十七頁3.鐵電性、壓電性、熱釋電性之間的關(guān)系(gun x)共四十七頁內(nèi)容摘要第6章 材料的介電性能。電子加速運(yùn)