电介质与介电特性电导PPT讲稿

则 nf = nf’ ， 有
F
nf u f
kT ln
(N
nf
(N N ' )! )!(N ' n f )![(n f !)2 ]
根据平衡态条件可求得弗兰凯尔缺陷浓度
通常
nf
nf
[(N
nf
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nf
1
)]2
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N
nf
，
N'
n
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则有
nf
nf
'
( NN
1
')2
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e 2kT
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通常 N >> ns ，则有
u s
ns Ne kT
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离子晶体的离子电导
本征载流子浓度，由晶体结构的紧密程度和离子半径的大
小决定。导电离子半径大，晶体结构紧密，则形成肖特基 缺陷，由离子空位产生电导；反之则形成弗兰凯尔缺陷， 由点阵空间的填隙离子及点阵上的离子空位形成离子电导 和空位电导。
电介质与介电特性电导课件
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概述——共性问题
1.概述——共性问题
现象：在外电场作用下，电介质中载流子沿电场方向迁移 形成泄漏电流的物理现象——电介质的电导。 表征：用电阻率或电导率分别表示单位长度和单位截面 积材料的电阻和电导。是表征材料导电性的宏观参数，与 材料的几何尺寸无关。单位：Ω.m 或 S/m 电导率：通过材料的电流密度与电场强度之比。
绝缘（常压）
导体（极高压力）
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概述——共性问题
电子（空穴）载流子是通过热激发、光激发、电极注 入等方式产生。从能带理论来看，电介质的禁带宽度较 大，常温下热激发载流子很少，在光照或强场电极注入 的情况下才有明显的电子电导。
弱电场作用下，固体和液体电介质中的载流子主要是 离子，离子的来源可能是组成介质的分子离解或是杂质 的离解，前者为本征离子后者为杂质离子。
参与介质导电的载流子并非介质中的全部离子，而是 与主体结构联系较弱或易于迁移的部分活化离子。这些 活化离子的产生和在电场作用下的定向迁移都与质点的 热运动有关，所以也有“热离子电导”之称。
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离子晶体的离子电导
2.离子晶体的离子电导
离子晶体是正负离子以离子键相结合，并有周期性。 离子晶体中绝大部分离子都处于晶格点阵的格点上作热
则电流密度：
j
I S
Q St
qn0
E
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概述——共性问题 ▪ 在外电场作用下，载流子的宏观平均迁移速度与电场强度之
间成比例关系： E
式中为载流子的迁移率，表示载流子在单位电场强度作用 下所获得的宏观平均速度，单位为（m2/V·s） 代入上式可得介质电导率
qn0
此式是表征电介质导电性能的宏观参数与其微观参数n0、、
F U TS
系统的熵S与系统的微观状态数W遵从 ：
S k ln W 式中k为玻尔兹曼常数。
系统的内能U及微观状态数W均与缺陷浓度n有关，当 系统处于平衡状态下应有
(F / n)T 0
由此就可确定离子晶体中的缺陷浓度。
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离子晶体的离子电导
弗兰凯尔缺陷浓度：
设：晶体点阵上格点浓度为N；
晶体点阵间位置的浓度为N’；
离子晶体中如含有半径较小的离 子，由于热激发这些离子有可能从晶 格点位置跃迁到点阵间形成填隙离子， 同时在点阵上产生一个空位。这种填 隙离子和离子空位，同时成对产生的 缺陷。
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肖特基（Shottky）缺陷：
离子半径较大，难以进入点阵间 形成稳定的填隙离子；离子将达到 晶体的表面构成新的晶格点阵，晶 格内只留下空位而无填隙离子，形 成单一的离子空位缺陷。
晶体点阵上的离子空位浓度为nf； 晶体点阵间的填隙离子浓度nf’ ； uf 为晶体点阵上离子到达点阵间形成填隙离子和空位所 需的能量。
此时微观状态数：
Wf
(N N ' )!
(N n f )!(N ' n' f )!n f !n' f !
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离子晶体的离子电导
如离开点阵上格点的离子都跃迁到点阵间成为填隙离子，
载流子在电场作用下的迁移具有热跃迁的性质。如由于热
离子晶体的离子电导
由于热运动，离子晶体中的缺陷不断的产生又不断地复 合消失。在一定温度下，缺陷的产生和复合处于动态平衡， 缺陷的浓度保持一恒定值。根据热力学和统计力学，可以 计算出在一定温度下平衡状态离子缺陷的浓度值——离子 晶体中的载流子浓度。
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离子晶体的离子电导
2. 2 晶体中的缺陷浓度
根据热力学定律，体系自由能F与体系内能 U和熵S有：
10-8~10-2
有机半导体、蒽、CuO 、Si、 Ge
10-2~108
Ni、Cu、Ag
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概述——共性问题 物质的导电性与其凝聚状态及组成结构有关：
电介质电导 固体电导 液体电导 气体电导
气态 液态 金属 绝缘体 导体 锗 绝缘体 导体 碳 NaCl
固态
导体
导体（常温）
绝缘体（0 K）
导体(非晶和片状晶态) 绝缘体(正四面体)
q 的一般关系式，也是研究各种物质电导性质最基本的普适 关系式。
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Байду номын сангаас
1.2 电导的分类
按导电载流子种类分：
电介质电导
概述——共性问题
电子电导
离子电导
胶粒电导
根据常温常压下电导率的大小分：
绝缘体 半导体 导体
电导率范围/（S/m）
材料
10-16~10-8
聚乙烯、各种高分子聚合物、聚氯乙 烯、云母、变压器油、碱玻璃
运动，并不直接参与导电。 参与导电的载流子，是由于热激发从格点上跃迁到点阵
间的填隙离子和点阵上失去了离子的点阵空位，从而构 成离子电导和离子空位电导。 讨论介质电导主要是研究载流子的产生、浓度和迁移。
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离子晶体的离子电导
2. 1 晶体中缺陷的产生
离子晶体中载流子的形成与晶体中缺陷的产生有关，晶 体中的缺陷主要有两类： 弗兰凯尔（Frenkel）缺陷：
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离子晶体的离子电导
肖特基缺陷浓度：
设：晶体点阵上的离子空位浓度为ns； 晶体点阵上的离子浓度N ；
us 为点阵上离子离开格点到达晶体表面所需的能量。 此时晶体的微观状态数：
Ws
(N ns )! N!ns!
则
F
nsus
kT
(N ln[
ns
)! ]
( N!ns !)
根据平衡态条件可求得肖特基缺陷浓度：
j
E
在线性电介质中为常数。
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概述——共性问题
1.1 一般关系式
▪ 如果介质中的载流子(自由电荷)密度n0、 载流子在电场作用下平均迁移速度、和 载流子的电荷q
▪ 设电介质在均匀电场E作用下，在t时间之内 通过截面积S的总电荷量 Q qn0 Sl
l= t 为载流子在t时间之内沿电场方向迁移的距离