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1、材料物理性能电学第1页，此课件共28页哦Tlog低温区 饱和区 本征区在在低温区低温区，施主杂质并未全部电离。随着温度的升高，电离施主增多，施主杂质并未全部电离。随着温度的升高，电离施主增多使导带电子浓度增加。与此同时，在该温度区内点阵振动尚较微弱，使导带电子浓度增加。与此同时，在该温度区内点阵振动尚较微弱，散射的主要机制为杂质电离，因而载流子的迁移率随温度的上升而增散射的主要机制为杂质电离，因而载流子的迁移率随温度的上升而增加，使电阻率下降。加，使电阻率下降。当升高到一定温度后杂质全部电离，称为当升高到一定温度后杂质全部电离，称为饱和区饱和区。由于。由于本征激发尚未开本征激发尚未开始，载流子
2、浓度基本上保持恒定始，载流子浓度基本上保持恒定。这时点阵振动的声子散射已起主。这时点阵振动的声子散射已起主要作用而使迁移率下降，因而导致电阻率随温度的升高而增高。要作用而使迁移率下降，因而导致电阻率随温度的升高而增高。温度进一步升高，进入温度进一步升高，进入本征区，本征区，由于本征由于本征激发，载流子随温度激发，载流子随温度而显著增加的作用已远远超过而显著增加的作用已远远超过声子散射的作用声子散射的作用，故又使电阻故又使电阻率重新下降。率重新下降。n型半导体电阻率第2页，此课件共28页哦绝缘体的电学性能绝缘体的电学性能绝绝缘缘体体：一一种种可可以以阻阻止止热热(热热绝绝缘缘体体）或或电电荷荷（
3、电电绝绝缘缘体体）流流动动的的物质。电阻率大于物质。电阻率大于10101010 m m。特特性性：在在外外电电场场作作用用下下绝绝缘缘体体内内部部电电场场不不为为零零，正正负负电电荷荷分分布布的的中中心心分分离离，从从而而产产生生电电偶偶极极矩矩，即即发发生生了了电电极极化化，即即电电介介质质表面产生感应电荷表面产生感应电荷(束缚电荷束缚电荷)电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。利利用用电电介介质质的的“介介电电”特特性性建建立立电电场场，可可以以贮贮存存电电能能(如如电电容容器器中中)。第3页，此课件共28页哦、电介质：在电场作用下，能建立
4、极化的一切物质。绝缘涂料是电介质中的一种。、电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。绝缘涂料是电介质中的一种。9、在外电场下，电介质表面产生感应电荷在外电场下，电介质表面产生感应电荷(束缚电荷束缚电荷)，称为电介质的，称为电介质的极化。极化。10、极化的基本形式：位移极化、松弛极化、转向极化、空间电荷极化，自发极、极化的基本形式：位移极化、松弛极化、转向极化、空间电荷极化，自发极化。化。11、介电常数：、介电常数：介电常数，表征电介质的极化性能。介电常数，表征电介质的极化性能。0-真空时介电常数，又称绝对介真空时介电常数，又称绝对介电常数。其值为电常数。其值为8.85418781710-1
5、2法法/米。米。r-相对介电常数，无量纲，通常简称为介电常数。相对介电常数，无量纲，通常简称为介电常数。气体的介电常数基本略大于气体的介电常数基本略大于1，液体的介电常数一般在，液体的介电常数一般在1.82.8，非极性固体介电常数一般，非极性固体介电常数一般在在2.02.5，极性固体，极性固体本文来自中洁网，如转载请注明出处并添加网站链接本文来自中洁网，如转载请注明出处并添加网站链接http:/ 评价绝缘材料的主要电学性能指标：评价绝缘材料的主要电学性能指标：(1)介介电电常常数数，(2)耐耐电电强强度度，(3)损损耗耗因因数数，(4)体体电电阻阻率率和和表表面面电电阻率阻率其中前三项属介电性
6、，后者属于导电性。其中前三项属介电性，后者属于导电性。第5页，此课件共28页哦电介质的介电常数平板电容器的电量平板电容器的电量Q Q与两侧的电压与两侧的电压U U和和电容量电容量C C成正比。成正比。Q=C UQ=C U当极板间为真空时，平板电容器的电当极板间为真空时，平板电容器的电容量容量C Co o与平板的面积与平板的面积S S、板间距离、板间距离d d的的关系为关系为:式式 中中，Co、0分分 别别 为为 真真 空空 下下 的的 电电 容容 和和介介 电电 常常 数数，0=8.8510-2Fm。C0=0S/d第6页，此课件共28页哦第7页，此课件共28页哦比例常数称为静态介电常数，代表了
7、极板间电介质的性能。带有电介质的电容C与无电介质(真空)的电容Co之比称为电介质的相对介电常数r，即r=C/C0 =/0当极板间存在电当极板间存在电介质时，则介质时，则C=S/d第8页，此课件共28页哦放放入入电电介介质质的的电电容容器器的的电电荷荷量量Q Q和和电电容容C C增增大大的的原原因因就就是是由由于于介介质质的的极极化化作作用用。越越大大，极极化化能能力力越越强强。从从电电介介质质中中存存储储能量的角度来看，电容器存储的能量能量的角度来看，电容器存储的能量W W为为U U为极板间电压，为极板间电压，E E为电场强度（为电场强度（=U/d)=U/d)，V(=sd)V(=sd)为电容器
8、的为电容器的体积。体积。介电常数介电常数 可理解为在单位电场强度下，单位体积中所存储的可理解为在单位电场强度下，单位体积中所存储的能量。能量。W=1/2CU2=1/2 S/d U2=1/2 S/d(Ed)2=1/2 VE2因此因此,=2W/VE2第9页，此课件共28页哦把电介质引入真空电容器，引起极板上电荷量增加，电容增大，这是由于在电场作用下，电介质中的电荷发生了再分布，靠近极板的介质表面上将产生表面束缚电荷，结果使介质出现宏观的偶极，这一现象称为电介质的极化第10页，此课件共28页哦电介质的四大基本常数电介常数是指以电极化的方式传递、存储或记录电的作用电导是电介质在电场作用下存在泄漏电流介
9、电损耗是电介质在电场作用下存在电能的损耗击穿是在强电场下可能导致电介质的破坏第11页，此课件共28页哦极化的概念在外电场的作用下，介电内质点（离子、原子、分子）或不同区域的正负电荷重心发生分离，形成内部电偶极距（偶极子）的过程介电性的本质:在外电场的作用下电介质发生极化电偶极距粒子极化率极化强度第12页，此课件共28页哦定义：定义：介质的极化强度介质的极化强度P P等于束缚电荷的面等于束缚电荷的面密度，而电容器两个极板电荷的差值（密度，而电容器两个极板电荷的差值（Q-Q-Q Q0 0），相当于电介质极化的束缚电荷数。），相当于电介质极化的束缚电荷数。故电极化强度故电极化强度 P=(Q-Qo)/
10、S=(r-1)QO /S而而Q Q0 0/S/S为无电介质的真空电容器电荷密度，且有为无电介质的真空电容器电荷密度，且有QO /S=0E由此可得由此可得P=0(r-1)E。可见，电介质的极化。可见，电介质的极化强度强度P不但随外电场强度不但随外电场强度E升高而增加，且取决升高而增加，且取决于材料的相对介电系数于材料的相对介电系数 r。第13页，此课件共28页哦令电容器板的电荷面密度为令电容器板的电荷面密度为D，称为电位移，称为电位移则则 D=Q/S=C U/S=(S/d)U/S=E=o r E=o r E-o E+o E =P+o E 第14页，此课件共28页哦令电容器板的电荷面密度为令电容器
11、板的电荷面密度为D，称为电位移，称为电位移则则 D=Q/S=C U/S=(S/d)U/S=E=o r E=o r E-o E+o E =P+o E 第15页，此课件共28页哦二、电介质的耐电强度(介电强度)当当施施加加于于电电介介质质上上的的电电场场强强度度或或电电压压增增大大到到一一定定程程度度时时，电电介介质质就就由由介介电电状状态态变变为为导导电电状状态态，这这一一突突变变现现象象称称为为电电介介质质的的击击穿穿。此此时时所所加加电电压压称称为为击击穿穿电电压压，用用Ub表表示示，发发生生击击穿穿时时的的电电场场强强度度称称为为击击穿穿电电场场强强度度，用用Eb表表示示，又又称称耐耐电电
12、强强度度（或或称称介介电电强度强度）。）。各种电介质都有一定的耐电强度各种电介质都有一定的耐电强度(介电强度介电强度)，即不允许外电场无限，即不允许外电场无限加大。在电极板之间填充电介质的目的就是要使极板间可承受加大。在电极板之间填充电介质的目的就是要使极板间可承受的电位差能比空气介质承受的更高些。的电位差能比空气介质承受的更高些。在在均匀电场下第16页，此课件共28页哦电介质的极化电介质可分为中性、偶极、离子三种类型：电介质可分为中性、偶极、离子三种类型：1.中性电介质中性电介质它它由由结结构构对对称称的的中中性性分分子子组组成成，其其分分子子内内部部的的正负电荷中心互相重合，因而电偶极矩正
13、负电荷中心互相重合，因而电偶极矩P=0。2.偶极电介质偶极电介质它它是是由由结结构构不不对对称称的的偶偶极极分分子子组组成成，其其分分子子内内部部的的正负电荷中心不重合，而显示出分子电矩正负电荷中心不重合，而显示出分子电矩P=qd。3.离子型电介质离子型电介质它它是是由由正正负负离离子子组组成成。一一对对电电荷荷极极性性相相反反的的离离子子可可看做一偶极子。看做一偶极子。(a)(b)中性分子与偶极分子电荷分布图电介质的极化：电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性电介质的极化：电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性位移现象和偶极子的取向位移现象和偶极子的取向(正端转向电场
14、负极、负端转向电场正极正端转向电场负极、负端转向电场正极)现象。现象。第17页，此课件共28页哦 介质极化的基本形式介质极化的基本形式电子式极化电子式极化在在电电场场作作用用下下，构构成成介介质质原原子子的的电电子子云云中中心心与与原原子子核核发发生生相相对对位位移移，形形成成感感应应电电矩矩而而使介质极化的现象。使介质极化的现象。电子位移极化的形成仅需电子位移极化的形成仅需10-1410-16s。电电子子位位移移极极化化是是完完全全弹弹性性的的，即即外外电电场场消消失失后后会会立立即即恢恢复复原原状状，且且不不消消耗耗任任何何能量。电子位移极化在所有电介质中都存在能量。电子位移极化在所有电介
15、质中都存在只有电子位移极化的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体只有电子位移极化的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。第18页，此课件共28页哦材料的表面极化电荷密度和极化强度定义第19页，此课件共28页哦离子式极化离子式极化在离子晶体中，处于点阵结点上的正负离子在电场作用下发生相对位移而引起极化，在离子晶体中，处于点阵结点上的正负离子在电场作用下发生相对位移而引起极化，这就是离子式极化。这就是离子式极化。(1)(1)离子弹性位移极化离子弹性位移极化 且极化过程也很快，且极化过程也很快，约约1010-12-121010-13-13 s s，也不消耗能量，也不消耗能量。(2)(2)
16、离子松弛式位移极化离子松弛式位移极化 需要时间约需要时间约10-210-210-5 s10-5 s，有极化滞后现象。，有极化滞后现象。第20页，此课件共28页哦偶极子极化偶极子极化偶极分子在有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，偶极分子在有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，因而呈现宏观电矩，形成极化。有沿外电场方向排列的趋势，因而呈现宏观电矩，形成极化。这种极化所需时间较长，约这种极化所需时间较长，约1010-2-21010-10-10s s,且极化是非弹性的，即撤去外电场后，偶极子不能恢复原状。且极化是非弹性的，即撤去外电场后，偶极子不能恢复原状。在极化过程中
17、要在极化过程中要消耗一定能量消耗一定能量。第21页，此课件共28页哦电偶极子（electricdipole）是两个相距很近的等量异号点电荷组成的系统。电偶极子的特征用电偶极距Plq描述，其中l是两点电荷之间的距离，l和P的方向规定由q指向q。电偶极子在外电场中受力矩作用而旋转，使其电偶极矩转向外电场方向。电偶极矩就是电偶极子在单位外电场下可能受到的最大力矩，故简称电矩。如果外电场不均匀，除受力矩外，电偶极子还要受到平移作用。电偶极子产生的电场是构成它的正、负点电荷产生的电场之和。第22页，此课件共28页哦电介质的主要特征是它的分子中电子被原子核束缚得很紧，即使在外电场作用下，电子一般只能相对于
18、原子核有一微观的位移，而不象导体中的电子那样，能够脱离所属原子作宏观运动。因而电介质在宏观上几乎没有自由电荷，其导电性很差，故亦称为绝缘体。并且，在外电场作用下达到静电平衡时，电介质内部的场强也可以不等于零。(详细解释)从分子由正、负电荷中心的分布来看，电介质可分为两类。一类电介质，如氯化氢(HCl)、水(H2O)、氨(NH3)、甲醇(CH3OH)等，分子内正、负电荷的中心不相重合其间有一定距离，这类分子称为有极分子(右图(b)。其电矩为(注：此处，的方向自负电荷中心指向正电荷中心，与同方向，称为分子电矩；整块的有极分子电介质，可以看成无数分子电矩的集合体(上图(a)。另一类电介质，如氦(He
19、)、氢(H2)、甲烷(CH4)等，分子内正、负电荷中心是重合的，因而，故分子电矩。这类分子称为无极分子(左图(b)。整块的无极分子电介质如左图(a)所示。当无极分子处在外电场中时，每个分子中的正、负电荷将分别受到相反方向的电场力、作用而被拉开，导致正、负电荷中心发生相对位移(右图(c)。对于整块的无极分子电介质来说(左下图所示)，在外电场作用下，由于每个分子都成为一个电偶极子其电矩方向都沿着外电场的方向，以致在和外电场垂直的电介质两侧表面上，分别出现正、负电荷。这两侧表面上分别出现的正电荷和负电荷是和介质分子连在一起的，不能在电介质中自由移动，也不能脱离电介质而独立存在，故称为束缚电荷或极化电
20、荷。在外电场作用下，电介质出现束缚电荷的这种现象，称为电介质的极化。(注1)当有极分子电介质在有外电场时，每个分子电矩都受到力偶矩作用(右图)，要转向外电场的方向(参阅10-06)。但由于分子热运动的干扰，并不能使各分子电矩都循外电场的方向整齐排列。外电场愈强，分子电矩的排列愈趋向于整齐。对整块电介质而言，在垂直于外电场方向的两个表面上也出现束缚电荷(左下图)。如果撤去外电场，由于分子热运动，分子电矩的排列又将变得杂乱无序，电介质又恢复电中性状态。(注2)上面所讲的两种电介质，其极化的微观过程虽然不同，但却有同样的宏观效果，即介质极化后，都使得其中所有分子电矩的矢量和，同时在介质上都要出现束缚
21、电荷；而且电场越强，电场对介质的极化作用越剧烈，介质上出现的束缚电荷也就越多。因此，在宏观上表征电介质的极化程度和讨论有电介质存在的电场时，就无需把这两类电介质区别开来，而可统一地进行论述第23页，此课件共28页哦(a)A HCl molecule possesses a permanent dipole moment p0.(b)In the absence of a field,thermal agitation of the molecules results in zero net averagedipole moment per molecule.(c)A dipole such a
22、s HCl placed in a field experiences a torque that tries to rotate it to align p0with the field E.(d)In the presence of an applied field,the dipoles try to rotate to align with the field against thermal agitation.There is now a net average dipole moment per molecule along the field.7.3.2。偶极子极化第24页，此课
23、件共28页哦空间电荷极化空间电荷极化在在一一部部分分电电介介质质中中存存在在着着可可移移动动的的离离子子，在在外外电电场场作作用用下下，正正离离子子将将向向负负电电极极侧侧移移动动并并积积累累，而而负负离离子子将将向向正正电电极极侧侧移移动动并并积积累累，这这种种正正、负负离离子子分分离离所所形形成成的的极极化化称称空空间间电电荷荷极极化化。这这种种极极化化所所需需时时间间最最长长，约约1010-2-2 s s。第25页，此课件共28页哦位移极化：位移极化：电子极化、离子极化及空间电荷极化都是正、负电荷在电场作用电子极化、离子极化及空间电荷极化都是正、负电荷在电场作用下发生相对位移而产生的故统
24、称为下发生相对位移而产生的故统称为位移极化位移极化。转向极化转向极化 偶极极化是由于偶极子在外电场作用下发生转向形成的。偶极极化是由于偶极子在外电场作用下发生转向形成的。根据电介质的极化形式，分为非极性材料根据电介质的极化形式，分为非极性材料只有位移极化的电介质，只有位移极化的电介质，极性材料极性材料有转向极化的电介质。有转向极化的电介质。第26页，此课件共28页哦四、电介质的介电损耗四、电介质的介电损耗 电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，或简称介质损耗。介质损耗是应用于交流电介质的损耗功率，或简称介质
25、损耗。介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。电场中电介质的重要品质指标之一。实际绝缘材料都不是完善的理想电介质，在外电场的作用下，实际绝缘材料都不是完善的理想电介质，在外电场的作用下，总总有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流，这种微小电流，这种微小电流称为称为漏导电流漏导电流，漏导电流流经介质时使介质发热而消耗了电，漏导电流流经介质时使介质发热而消耗了电能。这种因电导而引起的介质损耗称为能。这种因电导而引起的介质损耗称为“漏导损耗漏导损耗”。同时。同时一些介质在电场极化时也会产生损耗，因为除电子、离子弹一些介质在电场极化时也会产生损耗，
26、因为除电子、离子弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化(例如松弛极例如松弛极化、空间电荷极化等化、空间电荷极化等)在极化缓慢建立的过程中都会因克服阻力而在极化缓慢建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种损耗一般称为引起能量的损耗，这种损耗一般称为极化损耗极化损耗。第27页，此课件共28页哦五、电介质的电导绝缘材料似乎应该不导电，但实际上所有电介质都不可能是绝缘材料似乎应该不导电，但实际上所有电介质都不可能是理想的绝缘体，在外电场的作用下，介质中都会有一个很小理想的绝缘体，在外电场的作用下，介质中都会有一个很小的电流。这个电流是由电介质中的
27、的电流。这个电流是由电介质中的带电质点带电质点(正、负离子和正、负离子和离子空位、电子和空穴等载流子离子空位、电子和空穴等载流子)在电场的作用下做定向迁移在电场的作用下做定向迁移形成的形成的(又称泄漏电流又称泄漏电流)。其中，形成固体电导的载流子有两种：。其中，形成固体电导的载流子有两种：一种是一种是电子和空穴电子和空穴，另一种是，另一种是可移动可移动(接力式运动接力式运动)的正负离子的正负离子和离子空位和离子空位。前者形成的电导为。前者形成的电导为电子电导电子电导，后者形成的电导为，后者形成的电导为离子电导离子电导。这两种电导的机理有质的不同，特别是后者，传。这两种电导的机理有质的不同，特别是后者，传递的不单是电荷，而是构成物质的粒子。一般在低场强下，递的不单是电荷，而是构成物质的粒子。一般在低场强下，存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。第28页，此课件共28页哦