固体电介质的电导..

固体电介质的电导按导电载流子种类可分为离 子电导和电子电导两种，前者以离子为载流子，而 后者以自由电子为载流子。在弱电场中，主要是离 子电导
3.2.1 固体电介质的离子电导 3.2.2 固体电介质的电子电导 3.2.3 固体电介质的表面电导
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3.2.1 固体电介质的离子电导
固体电介质按其结构可分为晶体和非晶体两 大类。对于晶体，特别是离子晶体的离子电导机
Si O2
B2O3
玻璃结构中的金属离子一般是一价碱金属离 子（如 Na , K 等）和二价碱土金属离子（如 Ca 2+ , Ba 2 ,Pb2 等）。这些金属离子是玻璃导电载流子 的主要来源，因此玻璃的电导率与其组成成分及 含量密切相关。
3. 有机电介质中的离子电导
非极性有机介质中不存在本征离子，导电载流
2. 电介质中的电子跳跃电导
常用的绝缘高分子介质材料多由非晶体或非
晶体与晶体相共存所构成。
图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型 (a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图
由原子周期性排列所形成能带仅能在各个局部区 域中存在，在不规则的原子分布区能带间断，在具有 非晶态结构的区域电子不能像在晶体导带中那样自由 运动，电子从一个小晶区的导带迁移到相邻小晶区的 导带要克服一势垒（见图3-5）。
固体电介质在强电场下，主要是电子电导，这 在禁带宽度较小的介质和薄层介质中更为明显。
电介质中导电电子的来源包括来自电极和介质 体内的热电子发射，场致冷发射及碰撞电离，而其 导电机制则有自由电子气模型、能带模型和电子跳 跃模型等。
1. 晶体电介质的电子电导
根据晶体结构的能带模型，离子晶体和分子晶 体中的电子多处于价带之中，只有极少量的电子由 于热激发作用跃迁到导带，成为参与导电的载流子， 并在价带中出现空穴载流子。导带上的电子数和价 带上的空穴数主要取决于温度和晶体的禁带宽度 ug 及费米能级 。 uE 一般取下式来估计具有不同禁带宽度 u g的晶 体材料在不同温度下的电子和空穴本征浓度。
j AT 2 exp[ ( D e 3 E / 4 0 r ) / kT ] (3-20)
因此，肖特基效应电流密度对数lnj与 E 是线性关系.
理研究得比较多，现已比较清楚。然而在绝缘技
术中使用极其广泛的高分子非晶体材料，其电导
机理尚未完全搞清楚。
1. 晶体无机电介质的离子电导
晶体介质的离子来源有两种： 本征离子电导
弱束缚离子电导
2. 非晶体无机电介质的离子电导
无机玻璃是一种典型的非晶体无机电介质， 它的微观结构是由共价键相结合的 或 组 成主结构网，其中含有离子键结合的金属离子。
图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型 (a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图
此时电子的迁移可通过热电子跃迁或隧道效 应通过势垒。在电场强度不十分强（ V/m） 的情况下，隧道效应不明显，主要是局部能带的 导带上电子在热振动的作用下，跃过势垒相邻的 E 10 微晶带跃迁而形成电子跳跃电导。
n 4.8310
2 i 21T
3/ 2
e

ug 2 kT
(1 / m3 )
(3-17)
晶体电子电导电流密度：
j en e E
(3-18)
电介质晶体本征电子浓度极低，因此本征电子 导电可以忽略，电子电导只能在强光激发或强场电 离以及电极效应引入大量电子时才能明显存在。而 半导体的本征电导却很明显不可忽略，然而实用的 半导体材料亦多为掺杂半导体，它们的电导主要由 杂质或电极注入等因素所决定。
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图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型 (a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图
来自百度文库
3. 热电子发射电流
金属电极中具有大量的自由电子，但由于金属 表面的影响，在电子离开金属时必须克服一势垒 D （相对于金属中的费米能级）。金属中的电子能量 大多处于费米能级以下，只有少部分电子由于热的 作用具有较高的能量，当其能量 u 超过 D u F 时，才可能超过势垒 D 脱离金属向介质或真空中发 射，并引起发射电流。显然，此发射电流与温度有 关，它随着温度的升高而增加，故称为热电子发射 电流。
从金属向介质（真空相同）内发射电子时，由 于两者界面处有电位势垒存在，电流受到限制。在 没有电场作用时，由热能而使电子从金属发射的热 电子电流密度，由理查森—杜什曼（RichardsonDushman）式知 (3-19) j AT 2 e / kT
D
式中
4m ek2 A h3
D u xo u F
子来源于杂质。通常纯净的非极性有机介质的电导
16 17 10 ~ 10 S/m。 率极低，如聚苯乙烯在室温下
在工程上，为了改善这类介质的力学、物理和 老化性能，往往要引入极性的增塑剂、填料、抗氧 化剂、抗电场老化稳定剂等添加物，这类添加物的 引入将造成有机材料电导率的增加。
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3.2.2 固体电介质的电子电导
3.2 固体电介质的电导
任何电介质都不可能是理想的绝缘体，它们内
部总是或多或少地具有一些带电粒子（载流子），
例如可以迁移的正、负离子以及电子、空穴和带电
的分子团。在外电场的作用下，某些联系较弱的载
流子会产生定向漂移而形成传导电流（电导电流或 泄漏电流）。表征电介质导电性能的主要物理量即 为电导率 或其倒数―电阻率 。
其中m ——电子质量； D ——金属的功函数； u xo——沿x轴方向逸出金属的电子在x方向所应具 有的最低能量。
当外施电场E时，电场将使电子逸出金属的势垒 降低，电子容易发射，这一现象就是如图3-6所示的 肖特基（Schottky）效应。
图3-6 肖特基效应势垒图
当电子从金属电极发射时，如图3－6右下角附 图所示的金属表面感应正电荷，这时，电子受到感 应正电荷的作用力F（x），可以看成是以金属为对 称面，电子与其对称位置的等量正电荷之间的静电 引力（镜像法），从而可得热电子发射电流密度与 外电场E的关系式为