《电介质的电导》PPT课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,,*,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,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§3-1,电导的概念,一、载流子,,电介质中——离子电导为主离子微小位移——产生极化,,离子从一个电极位移至另一个电极——形成电导,,,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a,,b,,c,,导带,,价带,,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）,,,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=300K,T=300K,T=500K,,,2.8,10,18,10,-18,1,,自由载流子迁移率（m,2,/sV）,10,-4,~1,<10,-8,,,本征电导率（,,·m,）,-1,4.5,10,-5,~0.45,< 10,-45,<10,-27,,有效质量比m,*,/m,0,0.1,1,,杂质离子的非本征电导,光频介电常数,=n,2,16,2.5,,,电离能（eV）,5,10,-3,2,,,杂质浓度（m,-3,）,10,18,~10,24,10,26,,,电离杂质浓度（m,-3,）,10,18,~10,24,<2,10,-9,<10,5,,非本征电导率（,,·m,）,-1,<1.6,10,5,<,10,-35,<2,10,-22,半导体与电介质物理性能对比,,二、电导率,与迁移率的概念,S,,V,m,,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）,,I,,II,,III,,,,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>10,6,V/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）,-1,一、液体介质的载流子,,离子,,本征离子,,杂质离子,,胶粒——水（或悬浮状水珠）,,离子的来源：,,热离解产生,,直接离解：如H,2,O——2H,+,+O,2-,间接离解：先发生氧化组成新的物质，再离解。

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,-10,m；,,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,,,2. 电泳电导的计算,,电场力F,,摩擦力f,,运动方向,,,华尔顿定律,,,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，因此可认为本征离子的性质与液体分子基本相同，即：,注：该关系式只适用于液 体的本征离子，杂质离子不能适用§3-4,固体介质的电导,一、固体介质的载流子,,,,离子：杂质离子和本征离子,,电子,,二、固体介质导电性质的判断,,,S,,N,,I,-,,,,+,Palm,F,,B,,I,,1.电子电导的判定：,,,霍耳效应,,法拉第效应：,+,,-,,I II III,,,三、晶体中的离子电导,,,参与电导的离子为缺陷和杂质等弱联系离子。

Schottky,,Frenkel,,,,,,本征,,杂质,,低温时主要由活化能低的杂质离子引起电导；,,高温时主要由活化能高的本征离子引起电导可由实验来确定活化能U=KB,,四、无定形固体介质的电导,,玻璃为典型的无定形固体介质，它没有固定的活化能，活化能U为平均值激活能大，电导率低,,,Li,,Na,,K,,R,,,K,,Na,,40%,,60%,,3）降低玻璃的电导,,,中和效应,：当玻璃中碱金属氧化物的总浓度较高，而用另一种碱金属来部分取代（总浓度保持不变），可降低玻璃的电导率和损耗，这种效应称为“中和效应”压抑效应,：在碱金属氧化物玻璃中，加入二价碱土金属氧化物（CaO、BaO等），由于二价碱土金属可使玻璃结构比单一含一价碱金属时的结构更紧密，并使势垒增高，从而降低玻璃的电导率和损耗五、固体介质的表面电导,,,绝缘电阻与体积、表面电阻的关系,,注：1测量电极 2.高压电极 3.保护电极 4.被测试样,,三电极系统,,体积电流的测量 表面电流的测量,,（M—主电极； H—对电极； G—保护电极。

图、体积电流和表面电流的测量,,影响表面电导的因素：,,,,1.水对表面电导的影响,,2.多孔结构的影响,,3.表面清洁度的影响,,4.表面粗糙的影响,,亲水,介质：浸润角,<90,,疏水介质：,浸润角,>90,,六、固体介质的电子电导,,主要为：禁带宽度（,Eg,）,较小的电介质和薄膜介质来源：金属电极、热电子发射、场致冷发射和碰撞电离运动形式：能带模型（,Energy Band Model）；,,,跳跃模型（,Hopping Model）；,,,自由电子气模型（,Free Electron Gas Model）,,1. 能带模型,,E,Cmax,,,,E,C,E,V,,,E,Vmin,E,F,E,g,,,E,Cmax,,,,E,C,E,V,,,E,Vmin,E,F,E,g,施主能级,E,Cmax,,,,E,C,E,V,,,E,Vmin,E,F,E,g,受主能级,当E,g,>3ev时，本征激发的电子和空穴浓度很低，故电子电导不明显但介质中同样存在类似半导体的杂质，这些杂质形成浅能级2. 跳跃模型,,各分子的电子越过分子间的势垒，形成导电越过势垒的方式有：高电场下的隧道效应；温度引起的热激发。

a,,U,,,3. 自由电子气模型,,在强电场下，出现场致冷发射，电子通过电极注入方式引起——电荷注入型电流Child Law,,。