材料物理性能电学课件

1、材料物理性能电学三、温度对半导体电阻的影响 散射机制：散射机制：点阵振动的声子散射和电离杂质散射点阵振动的声子散射和电离杂质散射。声子散射：声子散射：由于点阵振动使原子间距发生变化而偏离理想周期由于点阵振动使原子间距发生变化而偏离理想周期排列，引起禁带宽度的空间起伏，从而使载流子的势能随空间排列，引起禁带宽度的空间起伏，从而使载流子的势能随空间变化，导致载流子的散射。变化，导致载流子的散射。温度越高振动越激烈，对载流子的温度越高振动越激烈，对载流子的散射越强，迁移率下降散射越强，迁移率下降。电离杂质对载流子的散射电离杂质对载流子的散射是由于随温度升高载流子热运动速度是由于随温度升高载流子热运动

2、速度加大，电离杂质的散射作用也就相应减弱，导致迁移率增加。加大，电离杂质的散射作用也就相应减弱，导致迁移率增加。材料物理性能电学Tlog低温区 饱和区 本征区在在低温区低温区，施主杂质并未全部电离。随着温度的升高，电离施，施主杂质并未全部电离。随着温度的升高，电离施主增多使导带电子浓度增加。与此同时，在该温度区内点阵振主增多使导带电子浓度增加。与此同时，在该温度区内点阵振动尚较微弱，散射的主要机制为杂质电离，因而载流子的迁移动尚较微弱，散射的主要机制为杂质电离，因而载流子的迁移率随温度的上升而增加，使电阻率下降。率随温度的上升而增加，使电阻率下降。当升高到一定温度后杂质全部电离，称为当升高到一

3、定温度后杂质全部电离，称为饱和区饱和区。由于。由于本征激本征激发尚未开始，载流子浓度基本上保持恒定发尚未开始，载流子浓度基本上保持恒定。这时点阵振动的声。这时点阵振动的声子散射已起主要作用而使迁移率下降，因而导致电阻率随温度子散射已起主要作用而使迁移率下降，因而导致电阻率随温度的升高而增高。的升高而增高。温度进一步升高，进入温度进一步升高，进入本本征区，由于本征征区，由于本征激发，载激发，载流子随温度而显著增加的流子随温度而显著增加的作用已远远超过声子散射作用已远远超过声子散射的作用的作用，故又使电阻率重故又使电阻率重新下降。新下降。 n型半导体电阻率材料物理性能电学绝缘体的电学性能绝缘体的电

4、学性能 绝缘体：一种可以阻止热绝缘体：一种可以阻止热( (热绝缘体）或电荷（电绝缘体）热绝缘体）或电荷（电绝缘体）流动的物质。电阻率大于流动的物质。电阻率大于10101010 m m。 特性：在外电场作用下绝缘体内部电场不为零，正负电荷分特性：在外电场作用下绝缘体内部电场不为零，正负电荷分布的中心分离，从而产生电偶极矩，即发生了电极化，即电布的中心分离，从而产生电偶极矩，即发生了电极化，即电介质表面产生感应电荷介质表面产生感应电荷( (束缚电荷束缚电荷) ) 电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。 利用电介质的利用电介质的“介电介电”特性建立电

5、场，可以贮存电能特性建立电场，可以贮存电能( (如电如电容器中容器中) )。材料物理性能电学、电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。绝缘涂料是电介质中的、电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。绝缘涂料是电介质中的一种。一种。9、在外电场下，电介质表面产生感应电荷在外电场下，电介质表面产生感应电荷(束缚电荷束缚电荷)，称为，称为电介质的极化。电介质的极化。10、极化的基本形式：位移极化、松弛极化、转向极化、空间电荷极化，、极化的基本形式：位移极化、松弛极化、转向极化、空间电荷极化，自发极化。自发极化。11、介电常数：、介电常数：介电常数，表征电介质的极化性能。介电常数，表征电介质的极

6、化性能。0-真空时介电真空时介电常数，又称绝对介电常数。其值为常数，又称绝对介电常数。其值为8.85418781710-12法法/米。米。r -相对介电相对介电常数，无量纲，通常简称为介电常数。气体的介电常数基本略大于常数，无量纲，通常简称为介电常数。气体的介电常数基本略大于1，液体，液体的介电常数一般在的介电常数一般在1.82.8，非极性固体介电常数一般在，非极性固体介电常数一般在2.02.5，极性固，极性固体体本文来自中洁网，如转载请注明出处并添加网站链接，违者必究。详细出处本文来自中洁网，如转载请注明出处并添加网站链接，违者必究。详细出处参考：参考：材料物理性能电学 评价绝缘材料的主要电

7、学性能指标：评价绝缘材料的主要电学性能指标：(1)介电常数，介电常数，(2)耐电强度，耐电强度，(3)损耗因数，损耗因数，(4)体电阻率和体电阻率和表面电阻率表面电阻率其中前三项属介电性，后者属于导电性。其中前三项属介电性，后者属于导电性。材料物理性能电学电介质的介电常数 平板电容器的电量平板电容器的电量Q Q与两侧的电压与两侧的电压U U和电容量和电容量C C成正比。成正比。 Q = C UQ = C U当极板间为真空时，平板电容器当极板间为真空时，平板电容器的电容量的电容量C Co o与平板的面积与平板的面积S S、板间、板间距离距离d d的关系为的关系为: :式中，式中，Co、 0分别为

8、真空下的电容和分别为真空下的电容和介电常数介电常数， 0=8.8510-2Fm。C0 = 0 S/d材料物理性能电学材料物理性能电学比例常数称为静态介电常数，代表了极板间电介质的性能。带有电介质的电容C与无电介质(真空)的电容Co之比称为电介质的相对介电常数r，即r=C/C0 = / 0当极板间存在当极板间存在电介质时，则电介质时，则C = S/d材料物理性能电学放入电介质的电容器的电荷量放入电介质的电容器的电荷量Q Q和电容和电容C C增大的原因就是增大的原因就是由于介质的极化作用。由于介质的极化作用。 越大，极化能力越强。从电介质越大，极化能力越强。从电介质中存储能量的角度来看，电容器存储

9、的能量中存储能量的角度来看，电容器存储的能量W W为为U U为极板间电压，为极板间电压，E E为电场强度（为电场强度（= U/d)= U/d)，V(= sd)V(= sd)为电为电容器的体积。容器的体积。介电常数介电常数 可理解为在单位电场强度下，单位体积中所可理解为在单位电场强度下，单位体积中所存储的能量。存储的能量。 W=1/2 CU2 =1/2 S/d U2= 1/2 S/d (Ed)2 = 1/2 VE2因此因此, = 2W/VE2材料物理性能电学把电介质引入真空电容器，引起极板上电荷量增加，电容增大，这是由于在电场作用下，电介质中的电荷发生了再分布，靠近极板的介质表面上将产生表面束缚

10、电荷，结果使介质出现宏观的偶极，这一现象称为电介质的极化材料物理性能电学电介质的四大基本常数电介常数是指以电极化的方式传递、存储或记录电的作用电导是电介质在电场作用下存在泄漏电流介电损耗是电介质在电场作用下存在电能的损耗击穿是在强电场下可能导致电介质的破坏材料物理性能电学极化的概念 在外电场的作用下，介电内质点（离子、原子、分子）或不同区域的正负电荷重心发生分离，形成内部电偶极距（偶极子）的过程 介电性的本质: 在外电场的作用下电介质发生极化 电偶极距 粒子极化率 极化强度材料物理性能电学定义：定义：介质的极化强度介质的极化强度P P等于束缚电等于束缚电荷的面密度，而电容器两个极板电荷荷的面密

11、度，而电容器两个极板电荷的差值（的差值（Q-QQ-Q0 0），相当于电介质极化），相当于电介质极化的束缚电荷数。故电极化强度的束缚电荷数。故电极化强度 P= (Q-Qo) /S =( r-1) QO / S而而Q Q0 0/S/S为无电介质的真空电容器电荷密度，为无电介质的真空电容器电荷密度，且有且有QO / S = 0E由此可得由此可得P= 0( r-1)E 。可见，电介质的极。可见，电介质的极化强度化强度P不但随外电场强度不但随外电场强度E升高而增加，且升高而增加，且取决于材料的相对介电系数取决于材料的相对介电系数 r。材料物理性能电学令电容器板的电荷面密度令电容器板的电荷面密度为为D，称

12、为电位移，称为电位移则则 D = Q/S = C U/S = ( S/d) U/S = E = o r E = o r E - o E + o E = P + o E 材料物理性能电学令电容器板的电荷面密度令电容器板的电荷面密度为为D，称为电位移，称为电位移则则 D = Q/S = C U/S = ( S/d) U/S = E = o r E = o r E - o E + o E = P + o E 材料物理性能电学二、电介质的耐电强度(介电强度) 当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由介电状态变为导电状态，这一突变现象

13、称为电介质就由介电状态变为导电状态，这一突变现象称为电介电介质的击穿质的击穿。此时所加电压称为。此时所加电压称为击穿电压击穿电压，用，用Ub表示，发生表示，发生击穿时的电场强度称为击穿时的电场强度称为击穿电场强度击穿电场强度，用，用Eb表示，又称表示，又称耐电耐电强度（或称介电强度强度（或称介电强度）。）。dUEbb各种电介质都有一定的耐电强度各种电介质都有一定的耐电强度(介电强度介电强度)，即不允许外电，即不允许外电场无限加大。在电极板之间填充电介质的目的就是要使极板场无限加大。在电极板之间填充电介质的目的就是要使极板间可承受的电位差能比空气介质承受的更高些。间可承受的电位差能比空气介质承受

14、的更高些。在在均匀电场下材料物理性能电学电介质的极化 电介质可分为中性、偶极、离子三种类型：电介质可分为中性、偶极、离子三种类型：1.中性电介质中性电介质它由结构对称的中性分子组成，其分子内部它由结构对称的中性分子组成，其分子内部的正负电荷中心互相重合，因而电偶极矩的正负电荷中心互相重合，因而电偶极矩P=0。2.偶极电介质偶极电介质它是由结构不对称的偶极分子组成，其分子它是由结构不对称的偶极分子组成，其分子内部的正负电荷中心不重合，而显示出分子内部的正负电荷中心不重合，而显示出分子电矩电矩P=qd。 3.离子型电介质离子型电介质它是由正负离子组成。一对电荷极性相反的它是由正负离子组成。一对电荷

15、极性相反的离子可看做一偶极子。离子可看做一偶极子。 (b)中性分子与偶极分子电荷分布图电介质的极化：电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷电介质的极化：电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性位移现象和偶极子的取向所发生的弹性位移现象和偶极子的取向( (正端转向电场负极、正端转向电场负极、负端转向电场正极负端转向电场正极) )现象。现象。材料物理性能电学 介质极化的基本形式介质极化的基本形式电子式极化电子式极化在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。成感应电矩而使介质极化

16、的现象。电子位移极化的形成仅需电子位移极化的形成仅需10-1410-16s。电子位移电子位移极化是完全弹性的，即外电场消失后会立即恢复原状，且不消耗极化是完全弹性的，即外电场消失后会立即恢复原状，且不消耗任何能量。电子位移极化在所有电介质中都存在任何能量。电子位移极化在所有电介质中都存在只有电子位移极化的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体只有电子位移极化的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。材料物理性能电学材料的表面极化电荷密度和极化强度定义材料物理性能电学离子式极化离子式极化在离子晶体中，处于点阵结点上的正负离子在电场作用下发生相对位移而在离子晶体中，处于点阵结点上的正负离子

17、在电场作用下发生相对位移而引起极化，这就是离子式极化。引起极化，这就是离子式极化。(1)(1)离子弹性位移极化离子弹性位移极化 且极化过程也很快，且极化过程也很快，约约1010-12-121010-13 -13 s s，也不消耗能量，也不消耗能量。(2)(2)离子松弛式位移极化离子松弛式位移极化 需要时间约需要时间约10-210-210-5 s10-5 s，有极化滞后现象。，有极化滞后现象。材料物理性能电学偶极子极化偶极子极化偶极分子在有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，偶极分子在有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用， 有沿外电场方向排列的趋势，因而呈现宏观电矩，形成极化。有沿外电场方向

18、排列的趋势，因而呈现宏观电矩，形成极化。 这种极化所需时间较长，约这种极化所需时间较长，约1010-2-21010-10-10s s, , 且极化是非弹性的，即撤去外电场后，偶极子不能恢复原状。且极化是非弹性的，即撤去外电场后，偶极子不能恢复原状。在极化过程中要在极化过程中要消耗一定能量消耗一定能量。材料物理性能电学 电偶极子（electric dipole）是两个相距很近的等量异号点电荷组成的系统。电偶极子的特征用电偶极距Plq描述，其中 l是两点电荷之间的距离，l和P的方向规定由q指向q。电偶极子在外电场中受力矩作用而旋转，使其电偶极矩转向外电场方向。电偶极矩就是电偶极子在单位外电场下可能

19、受到的最大力矩，故简称电矩。如果外电场不均匀，除受力矩外，电偶极子还要受到平移作用。电偶极子产生的电场是构成它的正、负点电荷产生的电场之和。材料物理性能电学 电介质的主要特征是它的分子中电子被原子核束缚得很紧，即使在外电场作用下，电子一般只能相对于原子核有一微观的位移，而不象导体中的电子那样，能够脱离所属原子作宏观运动。因而电介质在宏观上几乎没有自由电荷，其导电性很差，故亦称为绝缘体。并且，在外电场作用下达到静电平衡时，电介质内部的场强也可以不等于零。(详细解释) 从分子由正、负电荷中心的分布来看，电介质可分为两类。一类电介质，如氯化氢(HCl)、水(H2O)、氨(NH3)、甲醇(CH3OH)

20、等，分子内正、负电荷的中心不相重合其间有一定距离，这类分子称为有极分子(右图(b)。其电矩为 (注：此处， 的方向自负电荷中心指向正电荷中心， 与 同方向，称为分子电矩；整块的有极分子电介质， 可以看成无数分子电矩的集合体(上图(a)。另一类电介质，如氦(He)、氢(H2)、甲烷(CH4)等，分子内正、负电荷中心是重合的，因而 ，故分子电矩 。这类分子称为无极分子(左图(b)。整块的无极分子电介质如左图(a) 所示。 当无极分子处在外电场 中时，每个分子中的正、负电荷将分别受到相反方向的 电场力 、 作用而被拉开，导致正、负电荷中心发生相对位移 (右图(c)。对于整块的无极分子电介质来说(左下

21、图所示)，在外电场作用下，由于每个分子 都成为一个电偶极子其电矩方向都沿着外电场的方向，以致在和外电场垂直的电介质两侧表面上，分别出现正、负电荷。这两侧表面上分别出现的正电荷和负电荷是和介质分子连在一起的，不能在电介质中自由移动，也不能脱离电介质而独立存在，故称为束缚电荷或极化电荷。在外电场作用下，电介质出现束缚电荷的这种现象，称为电介质的极化。(注1)当有极分子电介质在有外电场 时，每个分子电矩都受到力偶矩作用(右图)， 要转向外电场的方向(参阅10-06)。但由于分子热运动的干扰，并不能使各分子电矩都循外电场的方向整齐排列。外电场愈强，分子电矩的排列愈趋向于整齐。对整块电介质而言，在垂直于

22、外电场方向的两个表面上也出现束缚电荷(左下图)。如果撤去外电场，由于分子热运动，分子电矩的排列又将变得杂乱无序，电介质又恢复电 中性状态。(注2)上面所讲的两种电介质，其极化的微观过程虽然不同，但却有同样的宏观效果，即介质极化后，都使得其中所有分子电矩的矢量和 ，同时在介质上都要出现束缚电荷；而且电场越强，电场对介质的极化作用越剧烈，介质上出现的束缚电荷也就越多。因此，在宏观上表征电介质的极化程度和讨论有电介质存在的电场时，就无需把这两类电介质区别开来，而可统一地进行论述材料物理性能电学(a) A HCl molecule possesses a permanent dipole moment

23、 p0.(b) In the absence of a field, thermal agitation of the molecules results in zero net averagedipole moment per molecule.(c) A dipole such as HCl placed in a field experiences a torque that tries to rotate it to align p0with the field E.(d) In the presence of an applied field, the dipoles try to

24、rotate to align with the field against thermal agitation. There is now a net average dipole moment per molecule along the field.7.3.2。偶极子极化材料物理性能电学空间电荷极化空间电荷极化在一部分电介质中存在着可移动的离子，在外电场作用下，正在一部分电介质中存在着可移动的离子，在外电场作用下，正离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动并离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动并积累，这种正、负离子分离所形成的极化称空间电荷极化。这积累，这种正

25、、负离子分离所形成的极化称空间电荷极化。这种极化所需时间最长，约种极化所需时间最长，约1010-2 -2 s s。材料物理性能电学位移极化：位移极化： 电子极化、离子极化及空间电荷极化都是正、负电荷在电电子极化、离子极化及空间电荷极化都是正、负电荷在电场作用下发生相对位移而产生的故统称为场作用下发生相对位移而产生的故统称为位移极化位移极化。转向极化转向极化 偶极极化是由于偶极子在外电场作用下发生转向形成的。偶极极化是由于偶极子在外电场作用下发生转向形成的。 根据电介质的极化形式，分为非极性材料根据电介质的极化形式，分为非极性材料只有位移极只有位移极化的电介质，极性材料化的电介质，极性材料有转向极化的电介质。有转向极化的电介质。 材料物理性能电学 电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，或简称介质损耗。介质损耗量称为电介质的损耗功率，或简称介质损耗。介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。 实际绝缘材料都不是完善的理想电介质，在外电场的作实际绝缘材料都不是完善的理想电介质，在外电场的作用下，用下，总有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流总有一些带电粒子会发