第三章 電介質電導和擊穿

3.1概述3.2氣體電介質的電導和擊穿3.3固體電介質的電導3.4固體電介質的熱擊穿3.5固體電介質的電擊穿3電介質電導和擊穿返回編輯課件3.1概述1．什么是電介質的電導？提高電介質的絕緣性能的基本方法是什么？（掌握）2．電介質電導類型有哪些？（掌握）3．什么叫電介質的擊穿？它有哪些擊穿形式？通常用那些參數(shù)評價（掌握）返回編輯課件1．什么是電介質的電導？提高電介質的絕緣性能的基本方法是什么？（掌握）弱聯(lián)系的帶電質點在電場作用下作定向漂移，從而構成傳導電流的過程稱為電介質的電導。電介質電導的強弱（或者說電介質的絕緣性能）通常采用電導率或電阻率表示。一般地當，即可認為該電介質具有良好的絕緣性能。提高電介質的絕緣性能的基本方法是：（1）降低載流子濃度；（2）降低載流子的遷移率。返回下一頁編輯課件2．電介質電導類型有哪些？（掌握））電導類型有：離子電導，電子電導，電泳電導。離子電導：固體電介質的主要電導形式，是介質中帶電荷的弱聯(lián)系的正負離子（或離子空位）。電子電導：一般電介質物質的禁帶較寬，電子（空穴）載流子極少，因而電子電導一般不是電介質電導的主要因素，只在特定條件下才表現(xiàn)得比較明顯。電泳電導：是液體電導的主要形式，載流子是帶電的分子團所形成的電導。返回編輯課件3．什么叫電介質的擊穿？它有哪些擊穿形式？通常用那些參數(shù)評價（掌握）當外加電場增加到某一臨界值時，電導率突然劇增，電介質喪失其固有的絕緣性能，變成導體，這種現(xiàn)象稱為擊穿。擊穿的形式有：熱擊穿電擊穿電化學擊穿通常使用擊穿電壓、擊穿電場強度、絕緣強度、介電強度、耐電強度、抗電強度等參數(shù)或術語評價。返回編輯課件3.2氣體電介質的電導和擊穿1．氣體電介質伏安特性曲線分為那三個部分？各部分的特征是什么？（掌握） 2．氣體為何能導電？如何對其導電過程進行理論分析？（掌握）3．什么叫氣體電介質擊穿？氣體電介質放電過程有那兩種形式？（掌握）4．如何對均勻電場的擊穿過程進行理論分析？（掌握）5．非均勻電場擊穿過程有哪些特點？（掌握）返回編輯課件1．氣體電介質伏安特性曲線分為幾個部分？各部分的特征是什么？（掌握）分為三部分：第I部分當電場很弱時，電流密度隨電場強度的增加正比例地上升；第II部分電流密度不再因電場強度的增加而改變，達到飽和；第III部分返回編輯課件2．氣體為何能導電？如何對其導電過程進行理論分析？（掌握）（1）氣體導電機理（2）氣體電導過程的理論分析返回編輯課件（1）氣體導電機理氣體能導電是因為氣體中存在一定濃度的帶電正負離子（載流子），載流子存在則是因為氣體中隨時隨地進行著下述兩個過程：電離過程：氣體在光、熱、輻射等作用下，電子從分子中分離出來使氣體分子帶正電，從而形成正離子載流子，這個過程稱為電離。電離出來的電子又極容易被其他分子所捕獲而形成負離子。描電離過程的速度大小用單位時間單位體積產生的正離子（或負離子）數(shù)n′描述返回編輯課件復合過程：當產生的正負離子在熱運動過程中相遇時又會復合而成中性分子，其復合速度Z用單位時間單位體積內被復合的正離子（或負離子）數(shù)表示。顯然未加電場時，氣體中載流子濃度決定于這兩個過程的速度，當這兩過程速度相等時，載流子濃度不隨時間的變化而變化達到穩(wěn)定狀態(tài)。返回編輯課件（2）氣體電導過程的理論分析分析目的：通過理論模型的分析與處理，定量認識（或定性認識理解）氣體伏安特性曲線形成的過程和機理提出假設：建立載流子守恒方程并分析求解討論復合速度未加電場穩(wěn)定狀態(tài)下電離速度=復合速度載流子濃度編輯課件加上電場穩(wěn)定狀態(tài)方程：編輯課件令編輯課件當電場很小時所以電流密度與電場強度呈線性增長編輯課件當電場逐漸增加載流子濃度將隨著電場的增加，逐漸下降，因此伏安特性曲線逐漸偏離線性關系編輯課件當電場較大時所以電流密度達到飽和不隨電場的變化而變化編輯課件編輯課件3．什么叫氣體電介質擊穿？氣體電介質放電過程有那兩種形式？（掌握）當電場上升到足夠高時，載流子在電場中所獲得足夠高的能量，以致使得載流子在與氣體分子碰撞時能夠發(fā)生電離過程從而產生新的載流子，新的載流子與舊載流子一起在電場中積聚能量進行下一次的碰撞從而產生下一代載流子，如此載流子濃度不斷增長下去，電流密度亦無限地增長下去，此時即發(fā)生氣體電介質的擊穿。氣體電介質擊穿又稱放電。放電過程又分為自持放電和非自持放電。編輯課件非自持放電：在電場強度達到擊穿場強Em之前的某個場強E2，（稱為起始游離場強，相應電壓為起始游離電壓）碰撞電離過程即開始發(fā)生了，即氣體的放電過程開始了，但此時若將外界電離因素取消，氣體的放電將逐漸減弱，直到最后停止，這種放電稱為非自持放電。自持放電：當電場達到Em（稱為擊穿場強，相應電壓稱為擊穿電壓）點之后，即使將外界電離因素去掉，放電仍能繼續(xù)維持，這樣的放電過程稱為自持放電，實際上也就達到了氣體電介質擊穿。編輯課件4．如何對均勻電場的擊穿過程進行理論分析？（掌握）（1）分析目的（2）物理過程及其模型的建立（3）巴申定律的建立（4）結果分析返回編輯課件（1）分析目的通過理論模型分析，尋求氣體電介質擊穿場強與各種影響因素的定量關系，從而掌握氣體電介質的擊穿規(guī)律返回編輯課件（2）物理過程及其模型的建立當電場達到游離場強之后，氣體電介質中載流子的產生除了因外界因素（如光照等）使極板表面和氣體發(fā)生電離而產生載流子外，還通過以下碰撞過程產生載流子1）電子碰撞電離過程：描述該過程的關鍵參數(shù)-----電子電離系數(shù)α：一個電子運動單位長度與氣體質點碰撞所產生的電子數(shù)該過程的模型（假設）a．電子的動能小于氣體的電離能，即使碰撞也不能電離b．電子的動能大于氣體的電離能，每次碰撞都產生電離c．每次碰撞，不論是否電離，電子都失去全部動能返回編輯課件2）正離子撞擊氣體的電離過程描述該過程的關鍵參數(shù)-----正離子電離系數(shù)β：一個正離子運動單位長度與氣體質點碰撞所產生的電子數(shù)該過程的模型（假設）：相對電子碰撞電離小至可以忽略3）正離子碰撞陰極電離過程描述該過程的關鍵參數(shù)-----陰極電離系數(shù)γ：一個正離子碰撞陰極表面時從陰極溢出的電子數(shù)該過程的模型（假設）：是與電極材料表面狀況有關的常數(shù)返回編輯課件（3）巴申定律的建立①放電電流與擊穿條件的確定②電離系數(shù)的確定③擊穿電壓的確定------巴申定律返回編輯課件①放電電流與擊穿條件的確定設任意時刻從陰極單位面積單位時間發(fā)射的電子數(shù)：經過t時間后，上述電子在電場作用下飄移到x處，同時由于碰撞電離使電子數(shù)增加到n，再經過dt時間后，電子數(shù)的增量為dn，則有返回編輯課件返回編輯課件②電離系數(shù)的確定返回設n0個電子從x=0處出發(fā)，經x距離之后只剩下n個從未碰撞的電子，又經過dx之后又減少dn個。設電子的自由行程為λ，當電子行進未碰撞而積聚能量達到電離能U的距離為x1，則編輯課件③擊穿電壓的確定---------巴申定律返回

編輯課件（4）結果分析返回①理論和實驗結果相當吻合②隨Pd的變化存在極小值③在壓力較小時提高真空度或在壓力較大時提高氣體壓力均可提高擊穿電壓④采用高抗電強度的氣體（B大）也能提高擊穿電壓編輯課件5．非均勻電場擊穿過程有哪些特點？（掌握）（1）在均勻電場中，電暈（起始游離）電壓與擊穿電壓非常接近；非均勻電場中當電暈出現(xiàn)后，在較寬的電場強度范圍內逐漸演化為刷形放電直至飛弧擊穿。（2）非均勻電場中，擊穿電壓與正負極相對位置有關，針尖為負極時高于針尖為正極時的擊穿電壓。返回編輯課件（3）固體電介質表面電場不均勻（由于表面不均勻）導致局部表面空氣被擊穿。稱為表面放電，表面放電的特點：①沿面放電電壓低于氣體的放電電壓。②沿面放電電壓與固體電介質的表面狀態(tài)有關，如吸潮、污染等。③交流電壓下的沿面放電電壓比直流下的低。④沿面放電電壓與電極的布置、形狀有關返回編輯課件3.3固體電介質的電導1．什么是本征離子電導？本征離子載流子有哪些類型？本征離子電導率規(guī)律有何特點？（掌握）2．什么是弱聯(lián)系離子電導？其電導率與總離子電導率有何特點？（掌握）3．什么是電子電導？有何特點？（掌握）4．什么是表面電導？有哪些影響因素？（掌握）返回編輯課件1．什么是本征離子電導？本征離子載流子有哪些類型？本征離子電導率規(guī)律有何特點？（掌握）（1）本征離子電導離子晶體點陣上的基本質點（離子）在熱的激勵下，離開點陣形成導電載流子，從而在電場作用下作定向漂移過程稱為本征離子電導。（2）本征離子載流子類型弗倫克爾缺陷載流子：肖特基缺陷載流子：返回編輯課件（3）本征離子電導率規(guī)律根據本征離子載流子的類型特征，分別建立相應模型，可導出各類型載流子濃度及其遷移率即可獲得其電導率形如下式

A、B決定晶體結構的常數(shù)。由此可見，電導率與溫度成指數(shù)增長關系返回編輯課件2．什么是弱聯(lián)系離子電導？其電導率與總離子電導率有何特點？（掌握）由雜質和位錯所引起的離子活化能較小，并在一定溫度下被活化而參與電導，這樣的電導稱為弱聯(lián)系離子電導。弱聯(lián)系離子電導率亦可以下述規(guī)律確定：總離子電導率一般地有：所以總電導率特點是：低溫時，弱聯(lián)系離子電導為主，高溫時本征離子電導為主。返回編輯課件3．什么是電子電導？有何特點？（掌握）通過電子的運動而產生的電導稱為電子電導，電介質可以通過以下幾種方式形成電子電導（1）本征激發(fā)：從價帶躍遷到導帶，隨溫度呈指數(shù)增長關系，一般電介質在常溫下其電導率可忽略（2）隧道效應：當電場較強時，電子則可能通過隧道效應穿過勢壘后到達導帶或陽極而形成電子電導。包括的隧道效應有：陰極→導帶價帶→陽極。強電場作用下比較明顯。（3）雜質電離：是實際電子電導的主流返回編輯課件4．什么是表面電導？有何特點？（掌握）表面電導通常用表面電導率、表面電流密度來描述表面電流密度：單位寬度所通過的表面電流強度稱為表面電流密度表面電導率：影響因素：除了電介質自身性質的影響外，主要受到以下兩個方面的影響（1）環(huán)境濕度：這是最為敏感的因素（尤其是親水性表面電介質），隨空氣濕度的增加，表面電導率上升。

返回編輯課件（2）電介質表面狀況表面狀況主要是指表面親水性：越低表面電導率越低光潔度：越高表面電導率越低清潔度：越高表面電導率越低多孔介質：相對密實介質電導率較高（表面積增大的緣故）返回編輯課件3.4固體電介質的熱擊穿1．瓦格納是如何揭示熱擊穿機理的（瓦格納熱擊穿理論）？它有哪些不足？（了解）2．通過實驗研究結果的分析可獲得固體電介質熱擊穿哪些定性規(guī)律？（掌握）3．采取哪些措施可使固體電介質熱擊穿電壓提高？（掌握）返回編輯課件1．瓦格納是如何揭示熱擊穿機理的（瓦格納熱擊穿理論）？它有哪些不足？（了解）返回（1）提出的假定（模型）：電介質中有一處或幾處的電阻比其周圍電阻小得多，加上電壓以后，電流就主要集中在這樣一些通道內。（2）熱擊穿條件的確立設瓦格納通道的有關參數(shù)為：通道橫截面積S，通道長度為d，通道電導率為γ，通道平均溫度為t，通道環(huán)境電介質溫度為t0，通道與環(huán)境電介質的散熱系數(shù)為β電熱方程：散熱方程：編輯課件返回（3）擊穿規(guī)律導出編輯課件返回（4）結果分析①熱擊穿電壓與電介質環(huán)境溫度呈指數(shù)關系環(huán)境溫度越高擊穿電壓越低

②瓦格納熱擊穿電場強度在介質較厚時與厚度無關，在介質較薄時與厚度的平方根成反比③對一般電容器電介質，表達式中r、β難以通過實驗的方法確定，因此無法定量計算擊穿電壓。編輯課件返回2．通過實驗研究結果的分析可獲得固體電介質熱擊穿哪些定性規(guī)律？（掌握）（1）電介質厚度對擊穿場強的影響由圖可見，當厚度較小時，隨厚度的增加，擊穿場強迅速降低，當厚度較大時，厚度的增加對場強影響不大（擊穿電壓隨厚度的增加而線性地增長）編輯課件返回（2）溫度對電介質熱擊穿電壓的影響由圖可見，隨溫度的增長，熱擊穿電壓呈指數(shù)曲線下降（對數(shù)坐標圖上線性關系），與電阻率隨溫度變化的定性關系一致編輯課件返回（3）頻率對熱擊穿電壓的影響當頻率增加，極化損耗增加，熱擊穿電壓降低。編輯課件3．采取哪些措施可使固體電介質熱擊穿電壓提高？（掌握）返回選取電阻率大的電介質選取介質損耗小的電介質選取耐熱和導熱性能優(yōu)良的電介質，采取強化散熱措施如加大電極的散熱面積，涂敷輻射系數(shù)大的顏色等編輯課件3.5固體電介質的電擊穿1.什么是固體電介質的電擊穿？固體電介質電擊穿與氣體電介質電擊穿有哪些區(qū)別？2．什么是本征電離擊穿理論？3．什么是雪崩擊穿理論？4．固體電介質電擊穿理論產生了哪些主要結論？5．通過實驗研究的結果表明固體電介質電擊穿有哪些規(guī)律？（掌握）返回編輯課件1.什么是固體電介質的電擊穿？固體電介質電擊穿與氣體電介質電擊穿有哪些區(qū)別？（掌握）如果導電電子在自由行程中從電場獲得的能量大于與晶格碰撞消耗的能量，它將可能積聚起碰撞電離所需的能量。這時，它與晶格原子或離子碰撞時，就能離解出新的電子，導至“雪崩”效應，使固體電介質發(fā)生電擊穿。與氣體區(qū)別(1)組成固體的原子(包括離子成分子)不像在氣體中那樣作任意的布朗運動。而只能在自己的平衡位置(晶格節(jié)點)附近作微小的熱振動。固體中相鄰粒子間的熱振動總互相關聯(lián)的，形成具有—系列頻率的晶格波。返回編輯課件1.什么是固體電介質的電擊穿？固體電介質電擊穿與氣體電介質電擊穿有哪些區(qū)別？（掌握）(2)固體原子的彼此接近改變了單個原子的核外電子分布，單個原于中的分立電子能級變成能帶，處在滿帶的電子相當于束縛電子，處于導帶中的電子則可以看成是具有有效質量為m*的自由電子，當滿帶電子得到足夠的能量而越過禁帶時，就分發(fā)生電離離，因此禁帶能量就相當于電子的電離能。（3）與氣體小電子和分子等的碰撞相類似的過程是固體中電子與晶格波的相互作田，在這種相互作用，可以是電子失去能量而被制動，也可以是電子從晶格波得到能量而進一加速，但在低場強度時，平均作用是電子的制動，晶格波得到電子給出的能量而被澈尖利更南的能縱上，只有外電場很強時，電子才可以獲得引起碰撞電離的能量。返回編輯課件2．什么是本征電離擊穿理論