電介質(zhì)物理課件(2013-3)

2023/2/21第三章電介質(zhì)的電導(dǎo)

本章講解實際介質(zhì)在電場作用下的有限電導(dǎo)過程及微觀機(jī)理。

概述氣體介質(zhì)的電導(dǎo)液體介質(zhì)的電導(dǎo)固體介質(zhì)的電導(dǎo)2023/2/22§3-1概述一、載流子

離子從能帶理論可知，主要為弱聯(lián)系離子、本征離子

帶電的分子團(tuán)-膠粒液體介質(zhì)中的水珠

電子極少，在特殊條件下出現(xiàn)二、導(dǎo)電機(jī)構(gòu)離子電導(dǎo)由（晶格）結(jié)點上的離子產(chǎn)生的本征離子電導(dǎo)；由雜質(zhì)離子產(chǎn)生的雜質(zhì)離子電導(dǎo)。電泳電導(dǎo)帶電膠粒形成的基團(tuán)產(chǎn)生的電導(dǎo)。電子電導(dǎo)一般是由光輻照產(chǎn)生的電子形成電子電導(dǎo)。2023/2/23AL三、電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系2023/2/24欲提高介質(zhì)的絕緣性能，可以從兩個方面著手：減小電介質(zhì)的載流子數(shù),

降低遷移率。極化和電導(dǎo)的區(qū)別：離子微小位移——產(chǎn)生離子從一個電極位移至另一個電極——形成電導(dǎo)2023/2/25介質(zhì)的電導(dǎo)有:體積電導(dǎo):西門子/米（用s/m或者s/cm表示）表面電導(dǎo):西門子與電介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，與電介質(zhì)表面吸附的導(dǎo)電雜質(zhì)有關(guān)。2023/2/26§3-2氣體介質(zhì)的電導(dǎo)一、氣體介質(zhì)的電流-電壓關(guān)系（伏-安特性曲線）IIIIII氣體介質(zhì)的電流-電壓關(guān)系2023/2/27二、氣體介質(zhì)中的載流子濃度2023/2/28在電流很小時，載流子的濃度與無電場的載流子濃度相同。2023/2/29高電場區(qū)如電場很高，例如E>106V/cm，離子在電場中獲得很高的能量而產(chǎn)生新的碰撞和電離，使n隨E的增大指數(shù)增加，導(dǎo)致電流的指數(shù)增大。2023/2/210

氣體介質(zhì)多處于飽和電流區(qū)工作,氣體介質(zhì)飽和電流大小的估算是有實際意義的.如何估算?請同學(xué)考慮2023/2/211上次課內(nèi)容:

●電導(dǎo)率宏觀與微觀的關(guān)系

●提高介質(zhì)的絕緣性能的方法

●氣體介質(zhì)的電流-電壓關(guān)系

2023/2/212§3-3液體介質(zhì)的電導(dǎo)液體介質(zhì)結(jié)構(gòu)特點：具有固定的體積，較大的密度（近似固體，是氣體介質(zhì)的1000多倍),具有較大的流動性。常見的液體電介質(zhì)：礦物油——變壓器油、電容器油；植物油——蓖麻油、桐油；有機(jī)溶劑——苯、甲苯、四氯化碳；新型液體介質(zhì)——十二烷基苯、硅油、酯類油。液體電介質(zhì)的電導(dǎo)率：純液體介質(zhì)具有很低的電導(dǎo)率=10-13～10-15（cm）-1，含有雜質(zhì)的液體介質(zhì)的電導(dǎo)率=10-9～10-13（cm）-1。液體電介質(zhì)的電導(dǎo)種類：離子電導(dǎo)，電泳電導(dǎo)2023/2/213一、液體介質(zhì)的離子電導(dǎo)離子的來源:本征離子：液體本身的基本分子熱離解.

雜質(zhì)離子：外來雜質(zhì)分子離解，液體本身的基本分子老化的產(chǎn)物二、離子電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系2023/2/2142023/2/215本征雜質(zhì)液體介質(zhì)中雜質(zhì)離子電導(dǎo)與本征離子電導(dǎo)過程相同2023/2/216二、液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)1.載流子——膠粒來源：1）加樹脂（提高粘度、穩(wěn)定性）——懸浮離子；

2）過量的水——細(xì)小水珠。特點：1）膠粒為分子的聚集體，大小在10-6～10-10m；

2）膠粒為分散體系，作布朗熱運動；

3）膠粒為帶電體，帶電規(guī)律：膠粒的介電常數(shù)比液體大，帶正電膠粒的介電常數(shù)比液體小，帶負(fù)電2023/2/2172.華爾頓定律電場力F摩擦力f運動方向2023/2/218華爾頓定律適用范圍有限：①溫度范圍有限②不適合雜質(zhì)離子電導(dǎo)2023/2/2193.液體電導(dǎo)主要是雜質(zhì)和膠粒，這都不是液體介質(zhì)的本征特性?？梢酝ㄟ^在液體介質(zhì)中加硅膠和活性劑的精制方法來改善液體介質(zhì)的性能。液體的本征離子電導(dǎo)是不能去除的,是其本身特性.符合華爾頓定律.液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)注意兩點:

電導(dǎo)率與介電常數(shù)的平方成正比電泳電導(dǎo)對液體電導(dǎo)率的影響高于液體的離子性電導(dǎo)2023/2/220§3-4固體介質(zhì)的電導(dǎo)固體介質(zhì)按結(jié)構(gòu)可分為：晶體非晶體固體介質(zhì)的電導(dǎo)按導(dǎo)電載流子的種類可分為：離子電導(dǎo)在弱場中主要是離子電導(dǎo)電子電導(dǎo)某些物質(zhì)，例如鈦酸鋇，鈦酸鈣，鈦酸鍶等鈦酸鹽類，在常溫時，除離子電導(dǎo)外也呈現(xiàn)出電子電導(dǎo)的特性。固體介質(zhì)導(dǎo)電性質(zhì)的判斷：霍爾效應(yīng)―――判斷電子電導(dǎo)法拉第效應(yīng)―――判斷離子電導(dǎo)2023/2/221SNI-+PalmFBI霍耳效應(yīng)2023/2/222法拉第效應(yīng)：上次課內(nèi)容:●液體介質(zhì)的離子電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系

●華爾頓定律●液體介質(zhì)的電泳電導(dǎo)特點●

固體介質(zhì)的本征離子電導(dǎo)來源

2023/2/225參與電導(dǎo)的離子為本征和雜質(zhì)離子SchottkyFrenkel一、晶體介質(zhì)的離子電導(dǎo)2023/2/2262023/2/2272023/2/2282023/2/229本征雜質(zhì)低溫時主要由活化能低的雜質(zhì)離子引起電導(dǎo)；高溫時主要由活化能高的本征離子引起電導(dǎo)。2023/2/230二、無定形固體介質(zhì)的電導(dǎo)

玻璃為典型的無定形固體介質(zhì)，它沒有固定的活化能，活化能U為平均值。激活能大，電導(dǎo)率低2023/2/231LiNaKR2．含堿玻璃的電導(dǎo):雜質(zhì)：Na2O，K2O，Li2O（典型的弱束縛離子）形成斷鍵引入一價金屬離子的影響：1．結(jié)構(gòu)松散，使U下降，電導(dǎo)增加。2．缺陷離子數(shù)增加

，電導(dǎo)增加，也與R2O的濃度成正比2023/2/232KNa40%60%中和效應(yīng)：當(dāng)玻璃中堿金屬氧化物的總濃度較高，而用另一種堿金屬來部分取代（總濃度保持不變），可降低玻璃的電導(dǎo)率和損耗，這種效應(yīng)稱為“中和效應(yīng)”。壓抑效應(yīng)：在堿金屬氧化物玻璃中，加入二價堿土金屬氧化物（CaO、BaO等），由于二價堿土金屬可使玻璃結(jié)構(gòu)比單一含一價堿金屬時的結(jié)構(gòu)更緊密，并使勢壘增高，從而降低玻璃的電導(dǎo)率和損耗。3）降低玻璃的電導(dǎo)方法:2023/2/233三、固體介質(zhì)的表面電導(dǎo)2023/2/234絕緣電阻與體積、表面電阻的關(guān)系芯片電容器不同工藝斷面圖2023/2/236注：1測量電極2.高壓電極3.保護(hù)電極4.被測試樣三電極系統(tǒng)2023/2/237體積電流的測量表面電流的測量（M—主電極；H—對電極；G—保護(hù)電極。）體積電流和表面電流的測量2023/2/2381.表面吸附的水膜對表面電導(dǎo)的影響2.表面清潔度對表面電導(dǎo)的影響表面污染，特別是含有電解質(zhì)的污染，將會引起介質(zhì)表面導(dǎo)電水膜的電阻率下降，從而使表面電導(dǎo)率上升。3.分子結(jié)構(gòu)對表面電導(dǎo)的影響親水介質(zhì)疏水介質(zhì)親水介質(zhì)：浸潤角<90疏水介質(zhì)：浸潤角>90強(qiáng)極性對水分子的吸引力強(qiáng)，超過水分子之間的分子內(nèi)聚力，這類介質(zhì)表面所吸附的水分子容易形成連續(xù)的水膜，使表面電導(dǎo)增加。非極性對水分子的吸引力小于水分子之間的內(nèi)聚力，吸附水在介質(zhì)表面成為孤立的水滴，大氣濕度對表面電導(dǎo)的影響很小影響表面電導(dǎo)的因素：2023/2/239六、固體介質(zhì)的電子電導(dǎo)主要為：禁帶寬度（Eg）較小的電介質(zhì)和薄膜介質(zhì)。來源：金屬電極、熱電子發(fā)射、場致冷發(fā)射和碰撞電離。運動形式：能帶模型（EnergyBandModel）；跳躍模型（HoppingModel）；自由電子氣模型（FreeElectronGasModel）2023/2/2401.能帶模型ECmaxECEVEVminEFEg2023/2/2412023/2/242

當(dāng)Eg>3ev時，本征激發(fā)的電子和空穴濃度很低，故電子電導(dǎo)不明顯。但介質(zhì)中同樣存在類似半導(dǎo)體的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)形成淺能級。2023/2/2432.跳躍模型

各分子的電子越過分子間的勢壘，形成導(dǎo)電。越過勢壘的方式有：高電場下的隧道效應(yīng)；溫度引起的熱激發(fā)。aU2023/2/2443.自由電子氣模型

在強(qiáng)電場下，出現(xiàn)場致冷發(fā)射，電子通過電極注入方式引起——電荷注入型電流。ChildLaw2023/2/2451．試分析氣體介質(zhì)的載流子來源？解釋氣體介質(zhì)的j—E曲線？2．試分析液體介質(zhì)的載流子來源？并推導(dǎo)液體介質(zhì)中離子的平均遷移率公式。3．什么是華爾屯定律？闡述它的用途及應(yīng)用范圍？4．電泳電導(dǎo)的定義？