第三章电介质电导和击穿详解

第三章电介质电导和击穿ppt课件当前1页，总共55页。3.1概述1．什么是电介质的电导？提高电介质的绝缘性能的基本方法是什么？（掌握）2．电介质电导类型有哪些？（掌握）3．什么叫电介质的击穿？它有哪些击穿形式？通常用那些参数评价（掌握）返回当前2页，总共55页。1．什么是电介质的电导？提高电介质的绝缘性能的基本方法是什么？（掌握）弱联系的带电质点在电场作用下作定向漂移，从而构成传导电流的过程称为电介质的电导。电介质电导的强弱（或者说电介质的绝缘性能）通常采用电导率或电阻率表示。一般地当，即可认为该电介质具有良好的绝缘性能。提高电介质的绝缘性能的基本方法是：（1）降低载流子浓度；（2）降低载流子的迁移率。返回下一页当前3页，总共55页。2．电介质电导类型有哪些？（掌握））电导类型有：离子电导，电子电导，电泳电导。离子电导：固体电介质的主要电导形式，是介质中带电荷的弱联系的正负离子（或离子空位）。电子电导：一般电介质物质的禁带较宽，电子（空穴）载流子极少，因而电子电导一般不是电介质电导的主要因素，只在特定条件下才表现得比较明显。电泳电导：是液体电导的主要形式，载流子是带电的分子团所形成的电导。返回当前4页，总共55页。3．什么叫电介质的击穿？它有哪些击穿形式？通常用那些参数评价（掌握）当外加电场增加到某一临界值时，电导率突然剧增，电介质丧失其固有的绝缘性能，变成导体，这种现象称为击穿。击穿的形式有：热击穿电击穿电化学击穿通常使用击穿电压、击穿电场强度、绝缘强度、介电强度、耐电强度、抗电强度等参数或术语评价。返回当前5页，总共55页。3.2气体电介质的电导和击穿1．气体电介质伏安特性曲线分为那三个部分？各部分的特征是什么？（掌握） 2．气体为何能导电？如何对其导电过程进行理论分析？（掌握）3．什么叫气体电介质击穿？气体电介质放电过程有那两种形式？（掌握）4．如何对均匀电场的击穿过程进行理论分析？（掌握）5．非均匀电场击穿过程有哪些特点？（掌握）返回当前6页，总共55页。1．气体电介质伏安特性曲线分为几个部分？各部分的特征是什么？（掌握）分为三部分：第I部分当电场很弱时，电流密度随电场强度的增加正比例地上升；第II部分电流密度不再因电场强度的增加而改变，达到饱和；第III部分返回当前7页，总共55页。2．气体为何能导电？如何对其导电过程进行理论分析？（掌握）（1）气体导电机理（2）气体电导过程的理论分析返回当前8页，总共55页。（1）气体导电机理气体能导电是因为气体中存在一定浓度的带电正负离子（载流子），载流子存在则是因为气体中随时随地进行着下述两个过程：电离过程：气体在光、热、辐射等作用下，电子从分子中分离出来使气体分子带正电，从而形成正离子载流子，这个过程称为电离。电离出来的电子又极容易被其他分子所捕获而形成负离子。描电离过程的速度大小用单位时间单位体积产生的正离子（或负离子）数n′描述返回当前9页，总共55页。复合过程：当产生的正负离子在热运动过程中相遇时又会复合而成中性分子，其复合速度Z用单位时间单位体积内被复合的正离子（或负离子）数表示。显然未加电场时，气体中载流子浓度决定于这两个过程的速度，当这两过程速度相等时，载流子浓度不随时间的变化而变化达到稳定状态。返回当前10页，总共55页。（2）气体电导过程的理论分析分析目的：通过理论模型的分析与处理，定量认识（或定性认识理解）气体伏安特性曲线形成的过程和机理提出假设：建立载流子守恒方程并分析求解讨论复合速度未加电场稳定状态下电离速度=复合速度载流子浓度当前11页，总共55页。加上电场稳定状态方程：当前12页，总共55页。令当前13页，总共55页。当电场很小时所以电流密度与电场强度呈线性增长当前14页，总共55页。当电场逐渐增加载流子浓度将随着电场的增加，逐渐下降，因此伏安特性曲线逐渐偏离线性关系当前15页，总共55页。当电场较大时所以电流密度达到饱和不随电场的变化而变化当前16页，总共55页。当前17页，总共55页。3．什么叫气体电介质击穿？气体电介质放电过程有那两种形式？（掌握）当电场上升到足够高时，载流子在电场中所获得足够高的能量，以致使得载流子在与气体分子碰撞时能够发生电离过程从而产生新的载流子，新的载流子与旧载流子一起在电场中积聚能量进行下一次的碰撞从而产生下一代载流子，如此载流子浓度不断增长下去，电流密度亦无限地增长下去，此时即发生气体电介质的击穿。气体电介质击穿又称放电。放电过程又分为自持放电和非自持放电。当前18页，总共55页。非自持放电：在电场强度达到击穿场强Em之前的某个场强E2，（称为起始游离场强，相应电压为起始游离电压）碰撞电离过程即开始发生了，即气体的放电过程开始了，但此时若将外界电离因素取消，气体的放电将逐渐减弱，直到最后停止，这种放电称为非自持放电。自持放电：当电场达到Em（称为击穿场强，相应电压称为击穿电压）点之后，即使将外界电离因素去掉，放电仍能继续维持，这样的放电过程称为自持放电，实际上也就达到了气体电介质击穿。当前19页，总共55页。4．如何对均匀电场的击穿过程进行理论分析？（掌握）（1）分析目的（2）物理过程及其模型的建立（3）巴申定律的建立（4）结果分析返回当前20页，总共55页。（1）分析目的通过理论模型分析，寻求气体电介质击穿场强与各种影响因素的定量关系，从而掌握气体电介质的击穿规律返回当前21页，总共55页。（2）物理过程及其模型的建立当电场达到游离场强之后，气体电介质中载流子的产生除了因外界因素（如光照等）使极板表面和气体发生电离而产生载流子外，还通过以下碰撞过程产生载流子1）电子碰撞电离过程：描述该过程的关键参数-----电子电离系数α：一个电子运动单位长度与气体质点碰撞所产生的电子数该过程的模型（假设）a．电子的动能小于气体的电离能，即使碰撞也不能电离b．电子的动能大于气体的电离能，每次碰撞都产生电离c．每次碰撞，不论是否电离，电子都失去全部动能返回当前22页，总共55页。2）正离子撞击气体的电离过程描述该过程的关键参数-----正离子电离系数β：一个正离子运动单位长度与气体质点碰撞所产生的电子数该过程的模型（假设）：相对电子碰撞电离小至可以忽略3）正离子碰撞阴极电离过程描述该过程的关键参数-----阴极电离系数γ：一个正离子碰撞阴极表面时从阴极溢出的电子数该过程的模型（假设）：是与电极材料表面状况有关的常数返回当前23页，总共55页。（3）巴申定律的建立①放电电流与击穿条件的确定②电离系数的确定③击穿电压的确定------巴申定律返回当前24页，总共55页。①放电电流与击穿条件的确定设任意时刻从阴极单位面积单位时间发射的电子数：经过t时间后，上述电子在电场作用下飘移到x处，同时由于碰撞电离使电子数增加到n，再经过dt时间后，电子数的增量为dn，则有返回当前25页，总共55页。返回当前26页，总共55页。②电离系数的确定返回设n0个电子从x=0处出发，经x距离之后只剩下n个从未碰撞的电子，又经过dx之后又减少dn个。设电子的自由行程为λ，当电子行进未碰撞而积聚能量达到电离能U的距离为x1，则当前27页，总共55页。③击穿电压的确定---------巴申定律返回

当前28页，总共55页。（4）结果分析返回①理论和实验结果相当吻合②随Pd的变化存在极小值③在压力较小时提高真空度或在压力较大时提高气体压力均可提高击穿电压④采用高抗电强度的气体（B大）也能提高击穿电压当前29页，总共55页。5．非均匀电场击穿过程有哪些特点？（掌握）（1）在均匀电场中，电晕（起始游离）电压与击穿电压非常接近；非均匀电场中当电晕出现后，在较宽的电场强度范围内逐渐演化为刷形放电直至飞弧击穿。（2）非均匀电场中，击穿电压与正负极相对位置有关，针尖为负极时高于针尖为正极时的击穿电压。返回当前30页，总共55页。（3）固体电介质表面电场不均匀（由于表面不均匀）导致局部表面空气被击穿。称为表面放电，表面放电的特点：①沿面放电电压低于气体的放电电压。②沿面放电电压与固体电介质的表面状态有关，如吸潮、污染等。③交流电压下的沿面放电电压比直流下的低。④沿面放电电压与电极的布置、形状有关返回当前31页，总共55页。3.3固体电介质的电导1．什么是本征离子电导？本征离子载流子有哪些类型？本征离子电导率规律有何特点？（掌握）2．什么是弱联系离子电导？其电导率与总离子电导率有何特点？（掌握）3．什么是电子电导？有何特点？（掌握）4．什么是表面电导？有哪些影响因素？（掌握）返回当前32页，总共55页。1．什么是本征离子电导？本征离子载流子有哪些类型？本征离子电导率规律有何特点？（掌握）（1）本征离子电导离子晶体点阵上的基本质点（离子）在热的激励下，离开点阵形成导电载流子，从而在电场作用下作定向漂移过程称为本征离子电导。（2）本征离子载流子类型弗伦克尔缺陷载流子：肖特基缺陷载流子：返回当前33页，总共55页。（3）本征离子电导率规律根据本征离子载流子的类型特征，分别建立相应模型，可导出各类型载流子浓度及其迁移率即可获得其电导率形如下式

A、B决定晶体结构的常数。由此可见，电导率与温度成指数增长关系返回当前34页，总共55页。2．什么是弱联系离子电导？其电导率与总离子电导率有何特点？（掌握）由杂质和位错所引起的离子活化能较小，并在一定温度下被活化而参与电导，这样的电导称为弱联系离子电导。弱联系离子电导率亦可以下述规律确定：总离子电导率一般地有：所以总电导率特点是：低温时，弱联系离子电导为主，高温时本征离子电导为主。返回当前35页，总共55页。3．什么是电子电导？有何特点？（掌握）通过电子的运动而产生的电导称为电子电导，电介质可以通过以下几种方式形成电子电导（1）本征激发：从价带跃迁到导带，随温度呈指数增长关系，一般电介质在常温下其电导率可忽略（2）隧道效应：当电场较强时，电子则可能通过隧道效应穿过势垒后到达导带或阳极而形成电子电导。包括的隧道效应有：阴极→导带价带→阳极。强电场作用下比较明显。（3）杂质电离：是实际电子电导的主流返回当前36页，总共55页。4．什么是表面电导？有何特点？（掌握）表面电导通常用表面电导率、表面电流密度来描述表面电流密度：单位宽度所通过的表面电流强度称为表面电流密度表面电导率：影响因素：除了电介质自身性质的影响外，主要受到以下两个方面的影响（1）环境湿度：这是最为敏感的因素（尤其是亲水性表面电介质），随空气湿度的增加，表面电导率上升。

返回当前37页，总共55页。（2）电介质表面状况表面状况主要是指表面亲水性：越低表面电导率越低光洁度：越高表面电导率越低清洁度：越高表面电导率越低多孔介质：相对密实介质电导率较高（表面积增大的缘故）返回当前38页，总共55页。3.4固体电介质的热击穿1．瓦格纳是如何揭示热击穿机理的（瓦格纳热击穿理论）？它有哪些不足？（了解）2．通过实验研究结果的分析可获得固体电介质热击穿哪些定性规律？（掌握）3．采取哪些措施可使固体电介质热击穿电压提高？（掌握）返回当前39页，总共55页。1．瓦格纳是如何揭示热击穿机理的（瓦格纳热击穿理论）？它有哪些不足？（了解）返回（1）提出的假定（模型）：电介质中有一处或几处的电阻比其周围电阻小得多，加上电压以后，电流就主要集中在这样一些通道内。（2）热击穿条件的确立设瓦格纳通道的有关参数为：通道横截面积S，通道长度为d，通道电导率为γ，通道平均温度为t，通道环境电介质温度为t0，通道与环境电介质的散热系数为β电热方程：散热方程：当前40页，总共55页。返回（3）击穿规律导出当前41页，总共55页。返回（4）结果分析①热击穿电压与电介质环境温度呈指数关系环境温度越高击穿电压越低

②瓦格纳热击穿电场强度在介质较厚时与厚度无关，在介质较薄时与厚度的平方根成反比③对一般电容器电介质，表达式中r、β难以通过实验的方法确定，因此无法定量计算击穿电压。当前42页，总共55页。返回2．通过实验研究结果的分析可获得固体电介质热击穿哪些定性规律？（掌握）（1）电介质厚度对击穿场强的影响由图可见，当厚度较小时，随厚度的增加，击穿场强迅速降低，当厚度较大时，厚度的增加对场强影响不大（击穿电压随厚度的增加而线性地增长）当前43页，总共55页。返回（2）温度对电介质热击穿电压的影响由图可见，随温度的增长，热击穿电压呈指数曲线下降（对数坐标图上线性关系），与电阻率随温度变化的定性关系一致当前44页，总共55页。返回（3）频率对热击穿电压的影响当频率增加，极化损耗增加，热击穿电压降低。当前45页，总共55页。3．采取哪些措施可使固体电介质热击穿电压提高？（掌握）返回选取电阻率大的电介质选取介质损耗小的电介质选取耐热和导热性能优良的电介质，采取强化散热措施如加大电极的散热面积，涂敷辐射系数大的颜色等当前46页，总共55页。3.5固体电介质的电击穿1.什么是固体电介质的电击穿？固体电介质电击穿与气体电介质电击穿有哪些区别？2．什么是本征电离击穿理论？3．什么是雪崩击穿理论？4．固体电介质电击穿理论产生了哪些主要结论？5．通过实验研究的结果表明固体电介质电击穿有哪些规律？（掌握）返回当前47页，总共55页。1.什么是固体电介质的电击穿？固体电介质电击穿与气体电介质电击穿有哪些区别？（掌握）如果导电电子在自由行程中从电场获得的能量大于与晶格碰撞消耗的能量，它将可能积聚起碰撞电离所需的能量。这时，它与晶格原子或离子碰撞时，就能离解出新的电子，导至“雪崩”效应，使固体电介质发生电击穿。与气体区别(1)组成固体的原子(包括离子成分子)不像在气体中那样作任意的布朗运动。而只能在自己的平衡位置(晶格节点)附近作微小的热振动。固体中相邻粒子间的热振动总互相关联的，形成具有—系列频率的晶格波。返回当前48页，总共55页。1.什么是固体电介质的电击穿？固体电介质电击穿与气体电介质电击穿有哪些区别？（掌握）(2)固体原子的彼此接近改变了单个原子的核外电子分布，单个原于中的分立电子能级变成能带，处在满带的电子相当于束缚电子，处于导带中的电子则可以看成是具有有效质量为m*的自由电子，当满带电子得到足够的能量而越过禁带时，就分发生电离离，因此禁带能量就相当于电子的电离能。（3）与气体小电子和分子等的碰撞相类似的过程是固体中电子与晶格波的相互作田，在这种相互作用，可以是电子失去能量而被制动，也可以是电子从晶格波得到能量而进一加速，但在低场强度时，平均作用是电子的制动，晶格波得到电子给出的能量而被澈尖利