Ch13电介质

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第三章介电材料

1
极化
polarization
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量，用P表示，其单位为C/m2。 2 自发极化 spontaneous polarization
在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度。 3 介电常数 dielectric constant
目前，世界上存在200多种铁电体
铁电材料 ferro-electric materials
1920年Valasek(France) 酒石酸钾钠NaKC4H4O6· 2O 4H 所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”。其特点是不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外加电场的方向而改变。它的极化强度P与外施电场强度E的关系曲线如图所示，与铁磁材料的磁通密度与磁场强度的关系曲线（B-H曲线）极为相似。极化强度P滞后于电场强度E,称为电滞曲线。电滞曲线是铁电材料的特征。
这些材料可以是单晶、陶瓷、聚合物等。与铁元素没有直接关系 .
DRAM 铁电现象是在一种名为钙钛矿的材料中发现的，而钙钛矿材料的晶格点阵中的离子，是在某一方向上被分离成的正负离子，也就是在钙钛矿晶体内部产生了一个电耦极子。当给这种晶体加上一个电压时，这些耦极子就会在电场作用下排列。改变电压的方向，可使耦极子的方向反转。耦极子的这种可换向性，意味着它们可以在记忆芯片上表示一个“信息单元”。而且，即使在电压断开时，这些耦极子也会保持在原来的位置，使铁电存储器不用电就能保存数据。这与大多数计算机中使用的随机存取存储器的记忆芯片明显不同，后者需要用电才能保存数据。

第三章介电材料

主要用途
介电材料具有很高
的电阻系数，主要的应用是作为电的绝缘体与电容器。绝缘体：用来隔绝电荷在电路中的传导，如高压输电方面用的陶瓷碍子（bell）电容器：用来储存从电路中接收到的电荷的电子元件。
Market impact of FE “Smart Cards”
地铁票、行李标签、免接触的信用卡等
电畴
ferroelectric domain
铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，～10μm；
电畴与电畴之间的交界称为畴壁
两种：90°畴壁和180°畴壁
铁电晶体内自发极化一致的区域称为电畴。铁电体中一般包含着多个电畴。两个相邻电畴自发极化间的夹角可以为180˚或 90 ˚ ，分别称为180 ˚畴和90 ˚畴。
目前，世界上存在200多种铁电体
铁电材料 ferro-electric materials
1920年Valasek(France) 酒石酸钾钠NaKC4H4O6· 2O 4H 所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”。其特点是不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外加电场的方向而改变。它的极化强度P与外施电场强度E的关系曲线如图所示，与铁磁材料的磁通密度与磁场强度的关系曲线（B-H曲线）极为相似。极化强度P滞后于电场强度E,称为电滞曲线。电滞曲线是铁电材料的特征。
＞120℃，立方晶胞
6℃～120℃，四方晶胞 -90℃～6℃，斜方晶胞＜-90℃，三方晶胞
BaTiO3在室温附近（20℃）为铁电相，当温度高于居里温度（120℃），铁电相转变为顺电相。顺电相BaTiO3的结晶学原胞如图所示：

电容器介质直流、交流击穿电压值的对比研究

第３２卷第２期　电力电容器与无功补偿　。ｊ　‘　２０１　１年４月Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＆Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．２　

Ａｐｒ．２０１１　

电容器介质直流、交流击穿电压值的对比研究　李兆林，陈松，冯春林　（桂林电力电容器有限责任公司，广西桂林５４１００４）　

摘要：与交流电场不同，在直流电场下，除介质中的空间电荷效应增强之外，电场强度在串联　介质中的分配主要由体积电阻率的比值决定。电力电容器常用的液体介质、固体介质由于其　相对电容率和体积电阻率存在明显的区别，这给它们复合后在直流电场和交流５０　Ｈｚ电场的　使用上不可避免地带来影响。通过对电容器用液体介质、固体介质以及由他们组成的复合介　质在直流击穿电压和交流击穿电压的试验研究，获得对同种材料在不同电场下的特性差异初　步的认识，从而为直流电容器产品开发提供基础的参考数据。　关键词：电容器介质；直流电场；交流电场；等效值；直流电压；极性　中图分类号：ＴＭ５３１．４　文献标识码：Ａ文章编号：１６７４—１７５７（２０１１）０２－００３８－０５　

Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ＡＣ　ａｎｄ　ＤＣ　Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＬＩ　Ｚｈａｏ—ｌｉｎ，ＣＨＥＮ　Ｓｈｏｎｇ，ＦＥＮＧ　Ｃｈｕｎ－ｌｉｎ　（Ｇｕｉｌｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕｉｌｉｎ　５４１００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｒｉｅｓ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｉｎ　ＤＣ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｉｓ，ｕｎｌｉｋｅ　ｉｎ　ＡＣ　ｅ．　１ｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ，ｍａｉｎｌｙ　ｄｅｃｉｄｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅｉｒ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｒａｔｉｏ　ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ—ｃｈａｒｇｅ．Ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ａｎｄ　ｓｏｌｉｄ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｎｏｒｍａｌｌｙ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ，ｄｕｅ　ｔｏ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ．ｍａｋｅ　ｕｎａｖｏｉｄａｂｌｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＤＣ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ＡＣ　５０　Ｈｚ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅｉｒ　ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ，ｓｏｌｉｄ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ　ｕｎｄｅｒ　ＤＣ　ａｎｄ　ＡＣ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｖｏｌｔａｇｅ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｋｎｏｗ１一　ｅｄｇｅ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓａｍｅ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ＳＯ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｄａｔａ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ＤＣ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ；ＡＣ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｖａｌｕｅ；ＤＣ　ｖｏｌｔａｇｅ；ｐｏｌａｒｉｔｙ　

半导体highk介质

半导体highk介质半导体highk介质：突破半导体技术瓶颈的关键随着科技的不断进步，半导体技术在现代社会中扮演着至关重要的角色。

然而，随着电子设备的不断发展和功能的不断增强，传统的半导体材料面临着一系列的挑战。

其中之一就是电子绝缘层材料的性能限制。

为了克服这一问题，科学家们引入了半导体highk介质，这一技术的出现为半导体技术的发展带来了新的希望。

半导体highk介质是一种高介电常数的材料，用于替代传统的二氧化硅（SiO2）作为电子绝缘层材料。

传统的SiO2材料在绝缘层中起到了隔离电子的作用，但随着器件尺寸的不断缩小，SiO2材料的绝缘性能逐渐变差。

这是因为当绝缘层的厚度减小到纳米级别时，SiO2材料会出现隧穿效应，导致电子泄漏，从而影响器件的性能。

半导体highk介质的引入解决了这一问题。

高介电常数意味着这种材料在相同厚度下可以提供更好的绝缘性能。

这使得半导体器件可以在更小的尺寸下工作，从而实现更高的集成度和更低的功耗。

此外，半导体highk介质还具有较高的热稳定性和较低的介电损耗，使得器件在高温环境下能够更好地工作。

半导体highk介质的研究和应用已经取得了显著的进展。

目前，最常用的半导体highk介质是氧化铝（Al2O3）、氧化钇（Y2O3）和氧化铈（CeO2）等。

这些材料具有良好的绝缘性能和热稳定性，已经成功应用于各种半导体器件中，如晶体管、电容器和存储器等。

然而，半导体highk介质的应用仍然面临一些挑战。

首先，高介电常数的材料通常具有较高的介电损耗，这会导致信号传输的能量损失。

其次，高介电常数的材料在制备过程中往往需要较高的温度，这可能会对器件的性能和稳定性产生负面影响。

此外，半导体highk介质的制备工艺也需要进一步优化，以提高材料的质量和一致性。

为了克服这些挑战，科学家们正在不断探索新的半导体highk介质材料和制备工艺。

例如，研究人员正在研究具有更低介电损耗的高介电常数材料，以提高器件的性能。

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大学物理〈2〉讲义 LZX2011
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Ch.13 电介质

本章讨论存在电介质时的静电场分布规律。电介质即绝缘物质。
§13.1 电介质的极化

一、实验现象:
当孤立的带电电容器（电量不会变化）的两极板之间充满入某电介质时，板间电压
变小，则电容变大。

0
UU
，0QCCU
1、电容率：

0
1rCC
—— 相对介电常数（相对电容率）
随电介质的种类和状态的不同而不同，是电介质的一种特性常数。
0r


—— 绝对介电常数（电容率）

当带电板之间充满入电介质时：
0r
CC
2、电介质对电场的影响：
插入电介质后，00rrUQQUCC

UEd
，00UEd
0/rEE（1r


）

·结论：相同电量的电荷在介质内激发的场强是真空中的1/r倍。
二、电介质极化
一类介质的分子的正电中心和负电中心重合，没有电偶极矩，为非极性分子；
另一类介质的分子的正电中心和负电中心不重合，有分子电偶极矩，为极性分子。
但由于分子的无规则运动，宏观的介质无外场作用时不显示电性。
在有电场的情况下，介质中的正负电荷分别受到方向相反的作用力，因此正负电荷
间的距离拉开了，相当于产生了一个等效电偶极矩。
大学物理〈2〉讲义 LZX2011
2
1、等效电偶极子

电介质分子中正负电荷“重心”不重合时，它们相当于一对距离极近的等值异号点
电荷，设它们的重心距离为l，等效电偶极矩(电矩) ：pql。
2、电介质极化的分类
(1) 电子极化：[单原子分子]电子云在电场中的偏移。
(2) 离子极化：[非极性分子]正负电荷中心被拉开，形成感生电距。
(3) 取向极化：[极性分子]固有电偶极距在电场中具有一定取向性。
3、面极化（束缚）电荷
均匀极化的介质，只有面极化电荷存在于介质表面处；
内部总极化电荷为零；整体呈电中性。
电介质在外电场作用下，表面出现束缚电荷的现象称极
化现象。

§13.2 极化强度和极化电荷（自学）

§13.3(4) 介质中的电场和电位移矢量
介质内的电现象包含两个方面：
一方面，外电场0E使介质极化产生极化电荷分布；另一方面，这些极化电荷又激发
反向的附加电场E，两者相互制约。总电场：0EEE。

介质中的高斯定理：00dSqqES
极化电荷q受外加电场影响，求解复杂。我们要得到自由电荷0q与介质中的电场的
直接关系。
真空中的高斯定理可以写成：000SEdSq，又由 0/rEE

00r
S

EdSq






建立了介质中总电场E与自由电荷0q的关系。
定义电位移矢量：0rDEE
电位移矢量的高斯定理： 0SDdSq

l

q
q
大学物理〈2〉讲义 LZX2011

3
——在有电介质的电场中，通过任一闭合曲面的电位移通量等于该曲面内所包围的自由

电荷量的代数和。

§13.5 静电场的能量
一、静电势能
静电场是保守场，任一电荷在静电场中都具有势能（即电场力把电荷从所在点移到
无穷远处所做的功），叫静电势能。
带电量q的点电荷在电场中的静电势能：
WqV
单位：J，1 J= 1 C·V
常用 eV，1 eV=1.602×10-19 J
二、电荷系的静电能
设n个静止点电荷组成一个电荷系，将各点电荷从现有位置彼此分散到无穷远处，
他们之间的静电力做功的总和，为电荷系在原状态储存的静电能。
这种能量是电荷系内各电荷之间的作用力具有的能量，叫相互作用能（互能）。
点电荷在电场中的势能，是该点电荷与场源电荷之间的相互作用能。
推导：
① 将1q移至无穷远处，系统做功：

312411102131411()4n
n

qq
qqq

WqVrrrr

② 将2q移至无穷远处，系统做功：
3242212032422()4n
n

qq
qq

WqVrrr

…… ……
③ 将nq移走时，周围没有电场，系统不做功：0nW
④ 系统作的总功：
大学物理〈2〉讲义 LZX2011
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1231241102131411324122203242212012131123212132313223(0)4(00)4(000)4(0...(0...1(0...2......(n
n
n
n
n

n
nnnn

n
n
n

nnnWWWWqqqqqrrrrqqqqrrrqVVVVqVVVqVVqVqV3...012iiin
qVV





1
2
ii
i

WqV


iij
jiVV



为整个电荷系保持原样时，iq所在点的电势。

连续带电体的静电能：
设想把带电体分割成无限多的电荷元，把所有电荷元从现在的集合状态分散到无穷
远，电荷元之间的相互作用能就是该带电体的静电能。
1
d2WVq


对于带电体整体，静电能是它的自能。
三、电容器储存的静电能
电容器的能量就是两极板所带电荷的相互作用能。
根据：QCU

有：22111222QWQUCUC
四、静电场能
从场的观点看，静电能就是储存在电场中的能量。
·设想一个弹性的均匀带电球壳，总电量Q。由于电荷间的斥
力作用，球壳膨胀，电场力做功。某一时刻，半径为R，静电
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5
能为

2
00
11dd2248QQ

WVqqRR


当气球半径增加dR，电场对外做功，静电能减少：
2
2
0

dd8QWRR

同时电场消失的体积，2d4dRR，则此部分电场的能量为
2
2

22
00

dd()4dd8242EQQWRRRRR

·电场能量密度：20dd2eEWw
·某一空间内电场的总能量：20d2eEWw
·均匀电介质中电场能量密度：21122ewEDE

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第三章 介电材料

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