固体电介质电导.ppt

* * 3.2 固体电介质的电导 任何电介质都不可能是理想的绝缘体，它们内部总是或多或少地具有一些带电粒子（载流子），例如可以迁移的正、负离子以及电子、空穴和带电的分子团。在外电场的作用下，某些联系较弱的载流子会产生定向漂移而形成传导电流（电导电流或泄漏电流）。表征电介质导电性能的主要物理量即为电导率 或其倒数―电阻率 。 3.2.1 固体电介质的离子电导 3.2.2 固体电介质的电子电导 3.2.3 固体电介质的表面电导 固体电介质的电导按导电载流子种类可分为离子电导和电子电导两种，前者以离子为载流子，而后者以自由电子为载流子。在弱电场中，主要是离子电导 返回 3.2.1 固体电介质的离子电导 固体电介质按其结构可分为晶体和非晶体两大类。对于晶体，特别是离子晶体的离子电导机理研究得比较多，现已比较清楚。然而在绝缘技术中使用极其广泛的高分子非晶体材料，其电导机理尚未完全搞清楚。 1. 晶体无机电介质的离子电导 本征离子电导 弱束缚离子电导 晶体介质的离子来源有两种： 2. 非晶体无机电介质的离子电导 无机玻璃是一种典型的非晶体无机电介质，它的微观结构是由共价键相结合的 或 组成主结构网，其中含有离子键结合的金属离子。 玻璃结构中的金属离子一般是一价碱金属离子（如 等）和二价碱土金属离子（如 等）。这些金属离子是玻璃导电载流子的主要来源，因此玻璃的电导率与其组成成分及含量密切相关。 3. 有机电介质中的离子电导 非极性有机介质中不存在本征离子，导电载流子来源于杂质。通常纯净的非极性有机介质的电导率极低，如聚苯乙烯在室温下 。 在工程上，为了改善这类介质的力学、物理和老化性能，往往要引入极性的增塑剂、填料、抗氧化剂、抗电场老化稳定剂等添加物，这类添加物的引入将造成有机材料电导率的增加。 返回 3.2.2 固体电介质的电子电导 固体电介质在强电场下，主要是电子电导，这在禁带宽度较小的介质和薄层介质中更为明显。 电介质中导电电子的来源包括来自电极和介质体内的热电子发射，场致冷发射及碰撞电离，而其导电机制则有自由电子气模型、能带模型和电子跳跃模型等。 1. 晶体电介质的电子电导 根据晶体结构的能带模型，离子晶体和分子晶体中的电子多处于价带之中，只有极少量的电子由于热激发作用跃迁到导带，成为参与导电的载流子，并在价带中出现空穴载流子。导带上的电子数和价带上的空穴数主要取决于温度和晶体的禁带宽度 及费米能级 。 一般取下式来估计具有不同禁带宽度 的晶体材料在不同温度下的电子和空穴本征浓度。 (3-17) 晶体电子电导电流密度： 电介质晶体本征电子浓度极低，因此本征电子导电可以忽略，电子电导只能在强光激发或强场电离以及电极效应引入大量电子时才能明显存在。而半导体的本征电导却很明显不可忽略，然而实用的半导体材料亦多为掺杂半导体，它们的电导主要由杂质或电极注入等因素所决定。 (3-18) 2. 电介质中的电子跳跃电导 图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型 (a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图 常用的绝缘高分子介质材料多由非晶体或非晶体与晶体相共存所构成。 图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型 (a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图 由原子周期性排列所形成能带仅能在各个局部区域中存在，在不规则的原子分布区能带间断，在具有非晶态结构的区域电子不能像在晶体导带中那样自由运动，电子从一个小晶区的导带迁移到相邻小晶区的导带要克服一势垒（见图3-5）。 图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型 (a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图 此时电子的迁移可通过热电子跃迁或隧道效应通过势垒。在电场强度不十分强（ V/m）的情况下，隧道效应不明显，主要是局部能带的导带上电子在热振动的作用下，跃过势垒相邻的微晶带跃迁而形成电子跳跃电导。 3. 热电子发射电流 金属电极中具有大量的自由电子，但由于金属表面的影响，在电子离开金属时必须克服一势垒 （相对于金属中的费米能级）。金属中的电子能量大多处于费米能级以下，只有少部分电子由于热的作用具有较高的能量，当其能量 超过 时，才可能超过势垒 脱离金属向介质或真空中发射，并引起发射电流。显然，此发射电流与温度有关，它随着温度的升高而增加，故称为热电子发射电流。 从金属向介质（真空相