电介质物理课件(2013-1)

2020/3/221电介质物理学ThePhysicsofDielectrics电子科技大学微电子与固体电子学院钟朝位2020/3/2221.概述2.恒定电场中电介质的极化3.交变电场中电介质的损耗4.电介质的电导5.强电场下电介质的击穿2020/3/223概述1.电介质物理的发展2.电介质与导体的区别3.电介质的定义4.电介质的分类5.电介质的应用2020/3/22419世纪开始对电介质电特性研究20世纪初电气设备采用天然材料20世纪中出现了合成高分子材料现代由于电子科学技术发展，对介质材料提出了更高要求，介质材料不仅包括绝缘电介质，而且包括各种电子功能材料。1.电介质物理的发展2020/3/225BaTiO3PZT电容器介质换能器器光开关2020/3/226湿敏材料气敏材料光敏材料压敏材料热敏材料2020/3/227电子设备向小型化轻量化多功能化发展,科学技术发展，对介质材料提出了更高要求，具体体现在:小型化:2020/3/228轻量化:2020/3/229高频化:2020/3/2210低成本化:内电极端电极端电极内电极内电极内电极引出端内电极引出端电介质PdAg-NiCu2020/3/2211２３４５６７８９隐蔽式报警雷达飞机驾驶仓中的盒式存储器电子对抗指挥系统接收机反潜艇系统中存储器主任务（指挥飞机和战斗）存储器任务数据记录仪导弹中的存储器外存储器固态飞行记录仪１抗电磁干扰化:2020/3/2212目前在计算机系统中普通使用的半导体随机存储器有两个主要缺点：1.所存储的信息必须在通电时才能保持，一旦掉电，所有信息便会消失；2.抗电磁干扰能力弱，对射线辐射非常敏感，这对空间和军事应用十分不利。2020/3/22132020/3/2214典型的铁电存储器能经受大于5Mrad·cm-2的高能X射线和强度为1011rad·cm-2·S-1的X射线辐射或者能量为1Mev的1014cm-2的中子流辐射，性能极少退化。铁电存储器能够承受无论总的积分辐射剂量还是辐射剂量率都很高的X射线以及荷电离子的粒子流和电子束流的辐照。2020/3/2215电介质物理学科是在20世纪20年代至30年代形成的。标志性事件:电气及电子工程师学会(IEEE)在1920年开始召开国际绝缘介质会议,此后又建立了相应的分会(IEEEDielectricandElectricalInsulationSociety)。美国建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。前苏联列宁格勒工学院开设了电气绝缘与电缆技术专业,莫斯科工学院开设了电介质与半导体专业。2020/3/2216德国德拜（Debye)教授在20世纪30年代由于在电介质极化、损耗与其分子结构关系方面的杰出研究而获得了诺贝尔奖,奠定了电介质物理学科的基础。随着电气和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。2020/3/2217我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定。陈季丹先生是我国电介质物理学教学的先驱和奠基人。1955年他在上海交通大学首先开设了电介质物理课程,随后，西安交通大学、电子科技大学、山东大学、中山大学、四川大学、南京大学、同济大学、中科院物理所、中科院硅酸盐所等对我国电介质物理学的发展作出了重要的贡献，为我国培养了大量的绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。中国物理学会电介质物理专业委员会委员和中国电工技术学会工程电介质专业委员会是本领域最重要的两个学术机构。2020/3/22181).物质本身的结构区别2.电介质与导体的区别＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋金属金属导体具有带负电的自由电子和带正电的晶体点阵,这是金属导体在电结构方面的重要特征,例如铜约为8×1022cm-3导体:2020/3/2219＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋这些大量的自由电子，在导体处于一种什么样的状态呢？当导体未带电或未受到外电场作用时:这些自由电子在金属导体内作无规则热运动,使得其内部的自由电子负电荷与晶格离子正电荷,平均说来，在空间上是等量分布的，因此导体的任何部分都呈电中性。2020/3/2220如果将金属导体放在外电场中，会出现什么情况呢？＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋外E在外电场作用下中，金属导体中的自由电子将沿外电场反向作定向运动，这样自由电子是必在导体的一端堆积起来,使导体的一端因多余电子而带负电，而另一端因缺少电子而带正电.2020/3/2221介质：构成介质的分子在结构方面的特征是电子与原子核之间有很大的库仑力,这种库仑力使电子被原子核束缚着，处于束缚状态的电子（非有自由电子）,在外电场的作用下电子只能相对于核作微小的位移.电介质是以感应而非传导的方式来传递电的作用和影响.2020/3/2222导体：内部电场为0，电场终于导体表面并与表面垂直2).电场特性方面的区别2020/3/22232020/3/2224电介质：内部存在电场，有介质的电场总是小于真空时的电场平板电容器中的电场:条件：极板之间距离（d）≤极板的线度（L）,保证电场均匀，否则畸变。dLAB截面截面)(电荷面密度AE1S1S1S侧面F高斯定律:在任何静电场中,通过任一闭合面的电通量等于这个闭合面所包围的自由电荷的代数和.2020/3/2225设：电荷的面密度为+，使平板与圆柱形相交，圆柱形底面积为S1，侧面为F，求带电荷产生的电场强度。应用高斯定律QqDdsniis1111SDSDSArAEED0D2ArE02220rAE2BE高斯定律:在任何静电场中,通过任一闭合面的电通量等于这个闭合面所包围的自由电荷的代数和.2020/3/2226AEAEAEBEBEBE0E0EBAEEE按场强的叠加原理：在任一点的场强E，是每一平板各自所产生场强EA和EB的矢量和。平板电容器中所引起的任一点处的电场，与它从这点到两平板的距离无关。2020/3/2227若为真空：0,1BArEEE说明：有介质的电场总是小于真空时的电场，∵介质极化的结果相对介电系数1。平板电容器介质中的电场:均匀介质——介质在远离击穿电场作用下，介质用一个基本参数就能表示的（,）不均匀介质——不能用一个参数表示（1，2）2020/3/2228应用媒质分界处的电力线的折射定律：通过第一个圆柱底面积的位移通量Dn1S1，通过第二个圆柱底面积的位移通量Dn2S2，因为分界面上没有自由电荷，所以总位移通量等于0.由此可得：21nnDDED换为电场强度：E1r2r1nD2nD02211SDSDnn2020/3/2229说明：在不均匀介质中电场强度与介电系数成反比。12211221EEEErrnn或通过界面的电位移相等，连续的通过介质其大小、方向都不变。2020/3/22303).能带结构上的区别（a）电介质（b）半导体（c）导体E价带导带Eg禁带Eg:3.5~8eVEg:0.7~3.5eV电介质：能级的基态被占满，基态与第一激发态间的禁带很宽，以至电子从正常态激发到导带所需的能量，足以使电介质受到破坏。2020/3/2231导体：属于电子电导——电子半导体：满带中的电子在光、热作用下激发到导带上去，出现了自由电子和空穴——自由电子、空穴绝缘体（介质）：属离子性电导——正、负离子。4).载流子种类的区别2020/3/22325)．体积电阻率的区别lS导体电阻率：10-6～10-3·cm半导体电阻率：10-3～108·cm绝缘体电阻率：109～1022·cmSlRvlSRvv2020/3/22336).电阻率与温度关系的区别绝缘体半导体导体)(CT2020/3/22343.电介质的定义法拉第定义:能被电力线所直通或横贯地作用着的那种物质称为电介质国际电工委员会定义:电介质是一种物质,它的能级图中基态被占满,基态与第一激发态之间被这样宽的禁带隔开,以致电子从正常态激发到相对于导带的态所必需的能量,大到可使电介质受到破坏苏联科学院定义:电介质是这样一种物质,在电场作用下具有极化能力,并在其中能长期存在电场为其主要特性的物质中国定义:以在电场作用下具有极化能力,且能在其中长期地存在电场为其主要性能的物质叫电介质2020/3/2235材料介电常数ε空气（或真空）1.0水80.4陶瓷金刚石5.5～6.6Al2O3(多晶体)≈9.0SiO23.7～3.8TiO2110NaCl5.9BaTiO33000部分材料的介电常数2020/3/2236材料介电常数ε云母5.4～8.7派热克斯玻璃4.0～6.0滑石（2SiO2·MgO）5.5～7.5镁橄榄石（2MgO·SiO2）6.2堇青石（2MgO·Al2O3·5SiO2）4.5～5.4聚合物酚醛树脂（电木）5.0硅橡胶2.8环氧树脂3.5部分材料的介电常数2020/3/2237材料介电常数ε尼龙6,64.0聚碳酸酯3.0聚苯乙烯2.5高密度聚乙烯2.3聚四氟乙烯2.0聚氯乙烯3.2部分材料的介电常数2020/3/2238电介质的分类可以按凝固状态、组成特性、电荷分布特性以及P-E来分：1）按凝固状态可分：气体电介质：真空、充气（氮、氩、氟里昂）液体电介质：矿物油、苏伏油、蓖麻油固体电介质：树脂漆、塑料、云母、石英、陶瓷等2）按组成特性分：有机电介质(矿物油,纸,高分子聚合物)无机电介质(玻璃,陶瓷等)3）据电荷的分布特性①非极性（中性）电介质：分子内部的正负电荷重心重合，电偶极矩=04.电介质的分类2020/3/2239如单原子分子（He,Ne,Ar,Kr,Xe），相同原子组成的双原子（H2,N2,Cl2）对称结构的多原子分子（CO2，C6H6(苯)CCl4等）②极性电介质：其分子的正负电荷中心不重合，分子具有偶极矩,按偶极矩的大小分：0.5德拜的弱极性介质1.5德拜为强极性介质0.51.5德拜为中极性介质③离子式电介质：是由正、负离子构成，具有较大的偶极矩，由于离子之间的静电联系很强，具有很高的机械强度，此时没有个别的分子，存在于介质的是离子了。2020/3/22404)按极化强度与电场强度的关系P-E为线性介质（位移极化）P-E为非线性介质——自发极化的高介铁电等线性介质非线性介质2020/3/22415)按形态来分块状，膜状，一维零维2020/3/2242电介质早期的应用仅作为分隔电流的绝缘材料，随着科学技术的发展，电介质已远不足仅作为绝缘材料来应用了。“上天下地离不开由介质”，除绝缘外储能元件极化特性电容器介质换能元件压电特性压电点火传感元件热电、热释电特性夜视仪等光倍频元件非线性光学特性激光调制上其折射率可以通过外加电场而灵敏场改变人体生命驻极体用于外科接骨手术，它可以帮助折骨的愈合和生长，电介质的研究，存在促进生命科学的发展，人们发现树木、骨骼、筋、等都有压电效应，据说人体的尾椎骨形成一对偶极子。5.电介质的应用2020/3/2243《电介质物理学》殷之文科学出版社出版《电介质理论》李景德等科学出版社出版《电介质物理基础》孙目珍华南理工大学出版社《电介质物理》姚喜西安交通大学出版社《电介质理论基础》孟中岩国防工业出版社《电介质物理学》陈季丹机械工业出版《电介质物理学》金维芳机械工业出版参考资料:2020/3/2244第一章恒定电场中电介质的极化§1.1介电系数与介质极化一、介电系数在静电学中引入电介质介电系数的物理概念是从库仑定律开始的。1．库仑定律定义为：两个固定距离的点电荷在真空中和在介质中相互作用力的比值。202104/rqqfr1q2q在真空中：2020/3/2245f0/f＝由于＞1,f0＞f，表示介质对点电荷之间作用力的影响程度。20214/rqqf1r2在介质中：2020/3/22462．也可用电容量变化来定义介电系数真空SddSC00SddSC0有：C/C0＝表示有介质时的电容量比真空时的电容量增大的倍数。2020/