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电介质物理学的固体电介质

发布时间:2019-06-27 04:15 来源:未知 编辑:admin

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  电导率很小的电介质用来作为电绝缘材料,称为绝缘体。电介质能够经受而不致损坏的最大电场(约107~108V/m)称为击穿场强,这是绝缘性能好坏的一个重要标志。当外加电场超过此值时,电介质的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎,称为介电击穿。击穿的过程首先是在外电场不变情况下介质中的电流迅速增大。接着在介质中形成导电的沟道如图2所示。通常在两电极间有一个主沟道和许多分支。沟道中的固体已部分气化形成结构上的损坏。沟道取向与电介质微观结构、杂质、缺陷、外加电极形状等有关。

  介电击穿过程很复杂,除与物质本身性质有关外还与样品厚度、电极形状、环境温度、湿度和气压、所加电场波形等有关。实验数据很分散,各种理论模型只能分别在一定范围内说明问题。有三种类型的介电击穿。 又称本征击穿。电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量。若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量,则电子继续被加速而积累起相当大的动能,足以在电介质内部产生碰撞电离,形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升,最后导致击穿。1935年,A.R.希佩尔最先提出电子碰撞电离概念。后来,H.弗罗利希等人曾对击穿场强作过定量计算。开始击穿时电子所须具有的能量称为击穿判据。

  在不完整或掺杂单晶和一些非晶态电介质中,缺陷和杂质形成的浅位阱束缚的电子所需激活能要比禁带宽度小很多。受外电场加速的传导电子更容易使这部分电子被激活参与导电而引起击穿。

  电击穿的另一种机制是1934年C.曾讷提出来的内部冷发射模型。认为强外电场使能带发生倾斜。因而价带上的电子出现隧道效应。当场强为106V/cm数量级时,电子可通过隧道效应移动几百个原子的距离。在约10-12秒时间内导带就可以出现足够数量的电子而引起击穿。

  此外,在强电场下金属电极中的自由电子也可以注入于电介质而参与导电,称为外部冷发射。

  在研究碱族卤晶体的电击穿时,还提出了等离子体“电磁箍缩模型”。 电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应。例如离子导电的固体电介质中出现的电解、还原等。结果电介质结构发生了变化,或者是分离出来的物质在两电极间构成导电的通路。或者是介质表面和内部的气泡中放电形成有害物质如臭氧、一氧化碳等,使气泡壁腐蚀造成局部电导增加而出现局部击穿,并逐渐扩展成完全击穿。温度越高,电压作用时间越长,化学形成的击穿也越容易发生。

  以上各种击穿类型有时是某一种占主要,有时是几种原因的叠加。在击穿过程中也可出现不同类型的变化。研究电介质击穿有重要的科学意义和实用价值。它涉及材料的物质结构、杂质缺陷、能带结构、强场下的载流子输运过程、弛豫机制以及电子与声子、电子与电子间的相互作用等。在实用上,它关系到高电压输送与变换、高能粒子加速器、强激光与物质相互作用以及强场下半导体、电介质的大容量储能和大功率换能等。

  研究电介质宏观介电性质及其微观机制以及电介质的各种特殊效应的物理学分支学科。基本内容包括极化机构、标志介电性质的电容率与介质的微观结构以及与温度和外场频率间的关系、电介质的导热性和导电性、介质损耗、介质击穿机制等。此外,还有许多电介质具有的各种特殊效应。

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