电介质的电导

电介质的电导第1页，共43页，2023年，2月20日，星期一§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——形成电导第2页，共43页，2023年，2月20日，星期一载流子的种类：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。abc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）第3页，共43页，2023年，2月20日，星期一物理性质半导体（Si、Ge）电介质（NaCl等）光吸收限m1.5<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=300KT=300KT=500K2.8101810-181自由载流子迁移率（m2/sV）10-4~1<10-8本征电导率（·m）-14.510-5~0.45<10-45<10-27有效质量比m*/m00.11杂质离子的非本征电导光频介电常数=n2162.5电离能（eV）510-32杂质浓度（m-3）1018~10241026电离杂质浓度（m-3）1018~1024<210-9<105非本征电导率（·m）-1<1.6105<10-35<210-22半导体与电介质物理性能对比第4页，共43页，2023年，2月20日，星期一二、电导率与迁移率的概念SVm第5页，共43页，2023年，2月20日，星期一结论：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。第6页，共43页，2023年，2月20日，星期一§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。第7页，共43页，2023年，2月20日，星期一二、气体介质的电流-电压关系（伏-安特性曲线）IIIIII第8页，共43页，2023年，2月20日，星期一说明在电流很小时，载流子的浓度与无电场的载流子浓度相同。第9页，共43页，2023年，2月20日，星期一第10页，共43页，2023年，2月20日，星期一通常所说的电导率均是指饱和区的电导率。第11页，共43页，2023年，2月20日，星期一高电场区如电场很高，例如E>106V/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。第12页，共43页，2023年，2月20日，星期一§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。第13页，共43页，2023年，2月20日，星期一一、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H2O——2H++O2-间接离解：先发生氧化组成新的物质，再离解。第14页，共43页，2023年，2月20日，星期一二、液体介质的离子电导第15页，共43页，2023年，2月20日，星期一本征杂质第16页，共43页，2023年，2月20日，星期一三、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10-6~10-10m；

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，带负电第17页，共43页，2023年，2月20日，星期一2.电泳电导的计算电场力F摩擦力f运动方向第18页，共43页，2023年，2月20日，星期一华尔顿定律第19页，共43页，2023年，2月20日，星期一3.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。第20页，共43页，2023年，2月20日，星期一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。第21页，共43页，2023年，2月20日，星期一§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第22页，共43页，2023年，2月20日，星期一二、固体介质导电性质的判断SNI-+PalmFBI1.电子电导的判定：霍耳效应第23页，共43页，2023年，2月20日，星期一法拉第效应：+-IIIIII第24页，共43页，2023年，2月20日，星期一三、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。SchottkyFrenkel第25页，共43页，2023年，2月20日，星期一第26页，共43页，2023年，2月20日，星期一第27页，共43页，2023年，2月20日，星期一第28页，共43页，2023年，2月20日，星期一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第29页，共43页，2023年，2月20日，星期一四、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，电导率低第30页，共43页，2023年，2月20日，星期一LiNaKR第31页，共43页，2023年，2月20日，星期一KNa40%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。第32页，共43页，2023年，2月20日，星期一五、固体介质的表面电导第33页，共43页，2023年，2月20日，星期一绝缘电阻与体积、表面电阻的关系第34页，共43页，2023年，2月20日，星期一注：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第35页，共43页，2023年，2月20日，星期一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第36页，共43页，2023年，2月20日，星期一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第37页，共43页，2023年，2月20日，星期一六、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（EnergyBandModel）；跳跃模型（HoppingModel）；自由电子气模型（FreeElectronGasModel）第38页，共43页，2023年，2月20日，星期一1.能带模型ECmaxECEVEVminEFEg第39页，共43页，2023年，2月20日，星期一第40页，共43页，2023年，2月20日，星期一ECmaxECEVEVminEFEg施主能级ECmaxECEVEVminEFEg受主能级当Eg>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