雷清泉院士电介质中的空间电荷效应ppt课件
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第三篇静电场电介质PPT课件
C q U
1
1 1
1
C1
Ci
Cn
11
1
1
C C1
Ci
Cn
第28页/共37页
2 电容器并联
+
U- +-qq11
+q2 -q2
+qn -qn
q1 C1U q2 C2U
q3 C3U
n个电容器并联等效为一个大电容，这个大电容的上极板为所有这些小电容器的上极板
相拼接，下极板为所有这些小电容器的下极板相拼接。则该电容器总带电量
eˆ n1
1
0 1
Q
4R12
2
P2
eˆ n 2
1
0 2
Q
4R12
q 1 2 4R12
1
2
1
1
0Q
第15页/共37页
例3. 两块平行金属板原为真空，分别带有等量异号电荷 、 ，两板间电压为 ，
U 保持两板上电量不变，将板间一半空间充以相对介电常数
求板间电0压及电介质0 上下表面的束缚电荷面密度。0
的电介质。
r
解：设介质部分金属板电荷面密度 ，真
空部分 ；介质表面束缚电荷面密度
1
2
r
在介质部分取如图所示高斯面
D1 ds 1s D1 1
1 0
s
P D1 E1
1 0
2
s
D2 E2
2
E1
1 0 r
P
1
1
r
1
两部分板间电压相等（金属板是 等势体）
同理
D2 2
E2
2 0 第16页/共37页
F
只与几何因素和介质有关
雷清泉院士_电介质中的空间电荷效应
Jd (T )
dP dt
dP dT
Nd
3k
2
T2
E
TSC峰反转。
影响充电、放电、TSC、TSP的特性有人为因素、平衡时间、电极、环 境、试样条件（处理）、温度梯度、电化学效应、电磁干扰等。
哈尔滨理工大学
电介质中的空间电荷效
6．击穿特性 1）固体电介质 理论模型 (1) 电子击穿过程
n( x, t ) t
(T
)n( x, t ) E ( x, t )
x
Dn (T
) 2n(x,t)
x2
r(T )
p( x, t )n( x, t )
(T
)nt
(
x,
t
)
1
f
1 n(x,t)
t
nt (x, t)
E(x,t) x en(x,t)0
（1）迁移项、（2）扩散项、（3）复合项、（4）杂质电离项、（5）再俘获 （6）退陷项。
1）低能（非电离）电磁辐射，光（红外、可见、紫外）0-40eV。 2）高能（电离）辐射、原子或原子核过程产生的辐射，包括X射线、γ射线、
电子、重带电粒子（α粒子、质子）、重离子、中子、电子束、离子束等。
3）辐射的作用：电子、离子→电导，俘获，受激分子、激子、激子电离→电 导，发光→老化，自由基→化学反应、老化。
哈尔滨理工大学
电介质中的空间电荷效
7、 非线性光析变材料(-OEO材料) 通过光生载流子，在偏压电场或SC自身电场作用下，形成 (x) 空间调制
周期分布。 条件：光生载流子，光电导；电荷在外场或自建场中分离运动，形成周期
2019年9-7电介质.ppt
4
e
无外电场时 pe 0
f
pe
l
E外
f
0 加上外电场后 pe
极化电荷
极化电荷
+
+ + + + + +
E外
5
2.有极分子的取向极化
无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个 介质不带电。 在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力 矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致,这 种极化称有极分子的取向极化。
可见由于电容器内充满了相对电容率为15五电介质存在时的高斯定理自由电荷束缚电荷根据真空中的高斯定理而现在电场中有电介质高斯面内可能同时包含自由电荷和极化电荷这两种电荷高斯定理应表自由电荷对于任一闭合曲面电感应强度的通量等于该闭合曲面内所包围的自由电荷的代数和
§10-7
静电场中的电介质
一、电介质的极化 绝缘体都属于电介质。在这种物质中，不存在自 由电荷，但是在静电场的作用下，电介质的表面上 会出现电荷，称为极化电荷。电介质出现极化电荷 的现象，称为电介质极化。 在电介质分子中，分布在分子中的正、负电荷 “重心”不重合的称为有极分子介质，而正、负电 荷“重心”相重合的分子，称为无极分子介质。 无极分子例如， CO2 H2 N2 O2 He 有极分子例如， H2O HCl CO SO2
P lim
ΔV
p
i
i
ΔV
式中 Pi 是在电介质体元 内分子电偶极矩
的矢量和,极化强度的单位是[C/m2 ]、[库仑/米2]。 如果电介质内各处极化强度的大小和方向都相 同，就称为均匀极化。我们只讨论均匀极化的电 介质。
9
三、极化强度与极化电荷的关系 对于均匀极化的电介质，极化电荷只出现在介质 的表面上。在电介质内切出一个长度为l、底面积 为S的斜柱体，使极化强度P的方向与斜柱体的轴 线相平行，而与底面的外法线n的方向成角。 若把整个斜柱体看为一个 ΔS n “大电偶极子”，它的电矩 ' ' 的大小为Sl，所以，斜 P 柱体内分子电矩的矢量和的 l 大小可以表示为 p ( S )l
e
无外电场时 pe 0
f
pe
l
E外
f
0 加上外电场后 pe
极化电荷
极化电荷
+
+ + + + + +
E外
5
2.有极分子的取向极化
无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个 介质不带电。 在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力 矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致,这 种极化称有极分子的取向极化。
可见由于电容器内充满了相对电容率为15五电介质存在时的高斯定理自由电荷束缚电荷根据真空中的高斯定理而现在电场中有电介质高斯面内可能同时包含自由电荷和极化电荷这两种电荷高斯定理应表自由电荷对于任一闭合曲面电感应强度的通量等于该闭合曲面内所包围的自由电荷的代数和
§10-7
静电场中的电介质
一、电介质的极化 绝缘体都属于电介质。在这种物质中，不存在自 由电荷，但是在静电场的作用下，电介质的表面上 会出现电荷，称为极化电荷。电介质出现极化电荷 的现象，称为电介质极化。 在电介质分子中，分布在分子中的正、负电荷 “重心”不重合的称为有极分子介质，而正、负电 荷“重心”相重合的分子，称为无极分子介质。 无极分子例如， CO2 H2 N2 O2 He 有极分子例如， H2O HCl CO SO2
P lim
ΔV
p
i
i
ΔV
式中 Pi 是在电介质体元 内分子电偶极矩
的矢量和,极化强度的单位是[C/m2 ]、[库仑/米2]。 如果电介质内各处极化强度的大小和方向都相 同，就称为均匀极化。我们只讨论均匀极化的电 介质。
9
三、极化强度与极化电荷的关系 对于均匀极化的电介质，极化电荷只出现在介质 的表面上。在电介质内切出一个长度为l、底面积 为S的斜柱体，使极化强度P的方向与斜柱体的轴 线相平行，而与底面的外法线n的方向成角。 若把整个斜柱体看为一个 ΔS n “大电偶极子”，它的电矩 ' ' 的大小为Sl，所以，斜 P 柱体内分子电矩的矢量和的 l 大小可以表示为 p ( S )l
雷清泉院士电介质中的空间电荷效应
(24) (25) (26) (27) 哈尔滨理工大学
电介质中的空间电荷效应
应指出，若陷阱能级在禁带内呈分立或连续分布，则SCLC的理论将更为复杂。
图6 SCLC图形
哈尔滨理工大学
电介质中的空间电荷效应
3．充电与放电电流
电荷在SC自建场中运动产生放电电流，反常(向)放电电流与充电电流方向相同。
1）充电电流 Jc
n( x, t ) t
(T
)n( x, t ) E ( x, t )
x
Dn (T
) 2n(x,t)
x2
r(T )
p( x, t )n( x, t )
(T
)nt
(
x,
t
)
1
f
1 n(x,t)
t
nt (x, t)
(11)
E(x,t) x en(x,t)0
(12)
3、固体：定域态、陷阱、局域能级，代表干扰晶体周期性势场的物理及化学 结构缺陷（前者阱深0.5-1.5eV，后者可达3-8eV）、杂质在禁带内构成的 能级、表面态、表面偶极子态、体内偶极子态、体内分子离子态、杂质、 端链、支链、叠链、晶区-非晶区边界、断键、极化子态、局域密度涨落等。 杂质、添加剂、反应附产物，既可接受注入电荷，又可通过化学作用，增 加电荷注入。
光学信息处理及光学计算技术等。 问题：探索陷阱中心的化学本质，陷阱深度及密度同光析变效应的关系，
以及如何稳定陷阱结构等。
哈尔滨理工大学
8. PWM作用 (dV dt 1 20kV S)下SC形成
如图所示,低频正弦电压极化， 正、负半周，电极电荷极性反转。
PWM电压，由于电压突然反转， 导致特定符号的自由电荷再吸收，但 电荷符号与束缚电荷的相反，此时两 种类型电荷共存。松弛时间快的偶极 子对SC无贡献，慢的对SC有贡献， 形成“宏观”偶极子.极性反转时， 重复上述现象，最终造成表面电荷积 累，因此在表面存在三种电荷：自由 电荷、束缚电荷（极化）、阻挡电荷 ，源于PWM极性反转太快。
电介质中的空间电荷效应
应指出，若陷阱能级在禁带内呈分立或连续分布，则SCLC的理论将更为复杂。
图6 SCLC图形
哈尔滨理工大学
电介质中的空间电荷效应
3．充电与放电电流
电荷在SC自建场中运动产生放电电流，反常(向)放电电流与充电电流方向相同。
1）充电电流 Jc
n( x, t ) t
(T
)n( x, t ) E ( x, t )
x
Dn (T
) 2n(x,t)
x2
r(T )
p( x, t )n( x, t )
(T
)nt
(
x,
t
)
1
f
1 n(x,t)
t
nt (x, t)
(11)
E(x,t) x en(x,t)0
(12)
3、固体：定域态、陷阱、局域能级，代表干扰晶体周期性势场的物理及化学 结构缺陷（前者阱深0.5-1.5eV，后者可达3-8eV）、杂质在禁带内构成的 能级、表面态、表面偶极子态、体内偶极子态、体内分子离子态、杂质、 端链、支链、叠链、晶区-非晶区边界、断键、极化子态、局域密度涨落等。 杂质、添加剂、反应附产物，既可接受注入电荷，又可通过化学作用，增 加电荷注入。
光学信息处理及光学计算技术等。 问题：探索陷阱中心的化学本质，陷阱深度及密度同光析变效应的关系，
以及如何稳定陷阱结构等。
哈尔滨理工大学
8. PWM作用 (dV dt 1 20kV S)下SC形成
如图所示,低频正弦电压极化， 正、负半周，电极电荷极性反转。
PWM电压，由于电压突然反转， 导致特定符号的自由电荷再吸收，但 电荷符号与束缚电荷的相反，此时两 种类型电荷共存。松弛时间快的偶极 子对SC无贡献，慢的对SC有贡献， 形成“宏观”偶极子.极性反转时， 重复上述现象，最终造成表面电荷积 累，因此在表面存在三种电荷：自由 电荷、束缚电荷（极化）、阻挡电荷 ，源于PWM极性反转太快。
第八章电介质PPT
第八章
静电场中的导体和电介质
8.1 导体的静电平衡 一、导体的静电感应 无外电场时
1
导体的静电感应过程
E外
加上外电场后
2
导体的静电感应过程
E外
+
加上外电场后
3
导体的静电感应过程
E外
+
+
加上外电场后
4
导体的静电感应过程
E外
+ + +
+ +
加上外电场后
5
导体的静电感应过程
E外
+
+
+
加上外电场后
14
导体达到静平衡
+ + + + + + + + + + 感应电荷
E外
E感
E内 E外 E感 0
感应电荷
15
静电平衡条件： （1）导体内部任何一点处的电场强度为零； （2）导体表面处电场强度的方向，都与性质：
1、导体是等势体，导体表面是等势面。
避雷针的工作原理
24
二、导体壳和静电屏蔽
1、空腔内无带电体的情况
腔体内表面不带电量，
腔体外表面所带的电量为带电体所带总电量。 导体上电荷面密度的大小与该处表面的曲率有关。
q2
25
2、空腔内有带电体
腔体内表面所带的电量和腔内带电体所带的电量等 量异号，腔体外表面所带的电量由电荷守恒定律决定。
未引入q1时
E
E0
32
例2 已知R1 R2 R3 q Q
求 ①电荷及场强分布；球心的电势
q
q
②如用导线连接A、B，再作计算
静电场中的导体和电介质
8.1 导体的静电平衡 一、导体的静电感应 无外电场时
1
导体的静电感应过程
E外
加上外电场后
2
导体的静电感应过程
E外
+
加上外电场后
3
导体的静电感应过程
E外
+
+
加上外电场后
4
导体的静电感应过程
E外
+ + +
+ +
加上外电场后
5
导体的静电感应过程
E外
+
+
+
加上外电场后
14
导体达到静平衡
+ + + + + + + + + + 感应电荷
E外
E感
E内 E外 E感 0
感应电荷
15
静电平衡条件： （1）导体内部任何一点处的电场强度为零； （2）导体表面处电场强度的方向，都与性质：
1、导体是等势体，导体表面是等势面。
避雷针的工作原理
24
二、导体壳和静电屏蔽
1、空腔内无带电体的情况
腔体内表面不带电量，
腔体外表面所带的电量为带电体所带总电量。 导体上电荷面密度的大小与该处表面的曲率有关。
q2
25
2、空腔内有带电体
腔体内表面所带的电量和腔内带电体所带的电量等 量异号，腔体外表面所带的电量由电荷守恒定律决定。
未引入q1时
E
E0
32
例2 已知R1 R2 R3 q Q
求 ①电荷及场强分布；球心的电势
q
q
②如用导线连接A、B，再作计算
电介质1精心整理.ppt
1
V
1
r
V0
的常数，其大小随电介质的种类
和状态的不同而不同，是电介质的特征常数称为
电介质的相对介电常数
空气的相对介电常数1.00059(0oC，1atm）
上述实验表明：插入电介质后 两极板间电压减少，说明其间 电场减弱了。
E
1
r
E0
电场减弱的原因可用电介质与外电场 的相互影响精选，从微观结构上来解释。2
第五章 静电场中的电介质
3.1 电介质对电场的影响
• 电介质是由大量电中性 +Q –Q 的分子组成的绝缘体。 紧束缚的正负电荷在 外场中要发生变化。
+Q –Q
在外电场中电介质要受到电场 的影响，同时也影响外电场。
精选 静电计测电压
1
插入电介质前后两极板间的电压分别用V0、V表示，
它们的关系：
r是一个大于
精选
5
4 极化电荷
在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在 介质表面要出现电荷，这种电荷不能离开电介质到 其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。我们 称它为束缚电荷或极化电荷。它不象导体中的自由 电荷能用传导方法将其引走。
在外电场中，出现束缚电荷的现象叫做 电介质的极化。
E0
E0
精选
6
二、电极化强度 Polarization
四、电介质的极化规律
实验表明: P e 0E
e 称为电极化率或极化率 polarizability
在各向同性线性电介质 中它是一个纯数。
P ' E' E
精选
10
四、电位移矢量、有电介质时的高斯定律：
根据介质极化和 真空中高斯定律
E dS
雷清泉院士_电介质中的空间电荷效应64页PPT
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❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
雷清泉院士_电介质中的空间电荷效应 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景
第8章_雷电和静电PPT演示课件
基
电效应
础
知
热效应
识
机械效应
电磁效应
29
1. 电性质的破坏作用
(1)可能毁坏发电机、电力变压、断路器、绝缘子等 电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成 大规模停电；
(2) 绝缘损坏可引起短路，导致火灾或爆炸事故； (3) 二次放电的电火花也可能引起火灾或爆炸，二次
放电也能造成电击； (4) 绝缘损坏后，可能导致高压窜入低压，在大范围
三类防雷建筑：防直击雷
42
建 建筑物年预计雷击次数N计算
筑
物 1）建筑物年预计雷击次数N计算
防
N=KNgAe
K----校正系数一般取1； 旷野 K=2；
雷
金属屋面砖木K=1.7；河、湖、山坡下、电阻率较小，潮 湿建筑等K=1.5；
分 类
2）雷击大地年平均密度计算
Ng=0.024Td 1.3 Td-----年平均雷暴日（天/年）]
一类防雷建筑、二类防雷建筑、三类防雷建筑
物 2、建筑物防雷总要求 防 A、各类防雷建筑均应防直击雷；
B、一类防雷建筑、二类防雷建筑应防感应雷。
雷 C：应采用等电位连接
规 D：不是防雷建筑应采取防雷波侵入措施。 范 3、建筑物防雷措施
一类防雷建筑：防直击雷、感应雷、防雷电波侵入
二类防雷建筑：防直击雷、防雷电波侵入、感应雷
24
二、雷电参数
防
雷
雷暴日
电
雷电流幅值
部 分
雷电流陡度
雷电流陡度即雷电 流I随时间上升的
速度。
雷电冲击过电压
25
4．雷击冲击过电压 雷击时的冲击过电压很高，直击雷冲击过电压可 用下式表达：
前一部分决定于雷流的大小和雷电流通道的电 阻；后一部分决定于雷电流通道的电感。
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3、固体：定域态、陷阱、局域能级，代表干扰晶体周期性势场的物理及化学 结构缺陷（前者阱深0.5-1.5eV，后者可达3-8eV）、杂质在禁带内构成的 能级、表面态、表面偶极子态、体内偶极子态、体内分子离子态、杂质、 端链、支链、叠链、晶区-非晶区边界、断键、极化子态、局域密度涨落等。 杂质、添加剂、反应附产物，既可接受注入电荷，又可通过化学作用，增 加电荷注入。
2． 温度 TSC(热激电流)，热发光、热激表面电位衰减。
3． 压力 压激电流。
4． 光
光激放电流，光激表面电位衰减。
5． 电场 Poole-Frenkel效应；Onsager效应-激子电离。
6． 联合作用 TSC-TSL；等温与非等温衰减。
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五、空间电荷效应
1. 电场畸变
2E0
(17)
2E(x)0 (18)
异极电荷，阴极电场可增加。
性SC分布；周期场调制材料的光折射率（EO效应），形成位相光栅。 应用：全息实时存储、光象放大器、振荡器、相位共轭器、空间调制器、
光学信息处理及光学计算技术等。 问题：探索陷阱中心的化学本质，陷阱深度及密度同光析变效应的关系，
以及如何稳定陷阱结构等。
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8. PWM作用 (dV d t12k 0V S)下SC形成
2）电子碰撞电离
n~ex d p )~(ex 0 p de[xe p U iE i()]
(5)
3）从陷阱中释放
n~ntexpP(FEkT ) PF2s
(6)
4）隧道效应
n~AE 2ex pB ()
(7)
E
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电介质中的空间电荷效应
4．环境辐射效应 吸潮，物理及化学吸附，空间电磁环境，真空等。
如图所示,低频正弦电压极化， 正、负半周，电极电荷极性反转。
PWM电压，由于电压突然反转， 导致特定符号的自由电荷再吸收，但 电荷符号与束缚电荷的相反，此时两 种类型电荷共存。松弛时间快的偶极 子对SC无贡献，慢的对SC有贡献， 形成“宏观”偶极子.极性反转时， 重复上述现象，最终造成表面电荷积 累，因此在表面存在三种电荷：自由 电荷、束缚电荷（极化）、阻挡电荷 ，源于PWM极性反转太快。
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4、液体：电极附近的双电层 5、气体：雪崩，正离子 。
电介质中的空间电荷效应
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电介质中的空间电荷效应
二、SC的形成
1 接触 1） 电接触（M-I，M-S体系）
中性接触：mi ，无界面电荷；
欧姆接触：mi ，注入接触（电子）、电子积累层； mi ，注入接触（空穴）、空穴积累层；
阻挡接触：m i ，电子从 im，电子耗尽层，能带向上弯，阻
挡势垒。 2）化学与物理吸附，双（偶）电层，依据两相的电负性交换电荷。 3）摩擦，流动带电、机加、挤出、压制等。
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电介质中的空间电荷效应
2．电极发射 1） 热电子发射
JTA2 T ex pm (k)T
(高温区) (1)
1）低能（非电离）电磁辐射，光（红外、可见、紫外）0-40eV。 2）高能（电离）辐射、原子或原子核过程产生的辐射，包括X射线、γ射线、快
电子、重带电粒子（α粒子、质子）、重离子、中子、电子束、离子束等。
3）辐射的作用：电子、离子→电导，俘获，受激分子、激子、激子电离→电 导，发光→老化，自由基→化学反应、老化。
2） 场助热电子发射 JEJTexps (EkT ) s (e340)12 (中场区) (2)
3）Fowler-Nordheim发射 4）热助场电子发射
JEA'E2ex pE B () J0A'(T)E2expE B()
(高场区) (3) (中温区 ) (4)
3．体内SC
1）杂质离子移动形成异极性SC
电介质中的空间电荷效应
图2 正弦与PWM电压作用的极化模型
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三、 SC的极性和分布
1．按邻电极的符号，分为同极性与异极性电荷。
电介质中的空间电荷效应
图3 真空二极管中SC、电位及电场分布
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电介质中的空间电荷效应
2．空间（位置）：体、表、箱、薄层、δ 分布。 3． 时间：动力学过程、电极接触、电荷产生释放、扩散、受陷、退陷、复合等。
（1） 光电子效应， hm
激子生成， hEg
（2） 辐射感应电导，光驻极体
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电介质中的空间电荷效应
7、 非线性光析变材料(-OEO材料) 通过光生载流子，在偏压电场或SC自身电场作用下，形成 (x) 空间调制的
周期分布。 条件：光生载流子，光电导；电荷在外场或自建场中分离运动，形成周期
电介质中的
空间电荷效应
哈尔滨理工大学 雷清泉 陈庆国
一、概述
电介质中的空间电荷效应
1、定义：空间电荷（Space charge-SC）通常是指局部空间内存在的一种正或负 的净电荷。可呈点、线、面及体分布。在与半导体与绝缘体有关的许多情况 下都会出现空间电荷。
2、SC的类型：电子型、空穴型、离子型、偶极子型、极化子型和等离子体型。
(12)
（1）迁移项、（2）扩散项、（3）复合项、（4）杂质电离项、（5）再俘获项、 （6）退陷项。
哈尔滨理工大学
电介质中的空间电荷效应
4．能量：深陷阱（>1.5eV）、浅陷阱（<0.5eV）、复合中心、划界能级。
1）单一陷阱能级分布， (EEt)
(13)
n
2）多重离散陷阱能级分布， Et,i(EEt,i)
(14)
i1
3）
指数分布，
h(E)Hexp(E)
kT c
kT c
(15)
4） 离散分布， h(x)(2x H )12d texp (E [2E t2 tm )2]
(16)
t 离散函数的偏差，Etm 最高陷阱密度能级。
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电介质中的空间电荷效应
四、SC的释放
1． 时间 放电电流，表面电位衰减。
n (x ,t) t(T ) n (x ,t)E (x ,t) xD n(T ) 2 n (x ,t) x2 r(T )p (x ,t)n (x ,t)
1
1
(T )n t(x ,t) n (x ,t)n t(x ,t)
f
t
(11)
E(x,t)xe(nx,t)0