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6、电介质物理6.1概述 电介质是在电场作用下含有极化能力并在其中长久存在电场一个物质。电介质对电场响应特性不同于金属导体。金属特点是电子共有化，体内有自由载流子，这么就决定了金属含有良好导电性，它们以传导方式来传递电作用和影响。然而，在电介质体内，普通情况下，只含有被束缚电荷，在电场作用下将不能以传导方式而只是以感应方式，即以其中正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合电极化方式来传递和统计电影响。1第1页第1页 介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺乏功效材料，在工程应用中，常在需要将电路中含有不同电位导体彼此隔开地方使用，就是利用介质绝缘特性，也就是应用材料介电性能。这一类材料总称为电介质。比较常见介电材料是电容器介质材料、压电材料等。绝缘材料和介电材料都是高电阻率材料，但二者是有区分，好介电材料一定是好绝缘材料，但好绝缘材料就不一定是好介电材料了。电介质物理主要研究：电介质极化、电导、损耗、击穿特性。2第2页第2页6.1.2电介质分类电介质分类（1）按物质构成特性）按物质构成特性：无机电介质（如云母、玻璃、陶瓷等）有机电介质（如矿物油、纸、有机高分子聚 合物等）（2）按物质汇集态）按物质汇集态：气体介质（空气）液体介质（电容器油）固体介质（涤纶薄膜）（3）按物质原子排列有序化）按物质原子排列有序化：晶体电介质（石英晶体）长程有序 非晶态电介质（玻璃塑料）短程有序3第3页第3页（4）工程应用）工程应用：极性电介质（纤维素、聚氯乙烯薄膜）中性电介质（变压器油、聚四氟乙烯薄膜）（5）按均匀度）按均匀度：均匀电介质（聚苯乙烯）非均匀电介质（电容器纸聚苯乙烯薄膜复合介质）分类研究电介质，有助于将电介质性能研究，统一在某一个物质共同属性基础之上，以便总结出宏观介电性能与微观材料结构、构成之间互相关联规律。4第4页第4页 6.1.3 电介质四大基本常数电介质四大基本常数（1）介电常数（电极化）介电常数（电极化）指以电极化方式传递、存储或统计电作用。（2）电导电导指电介质在电场作用下存在泄漏电流。（3）介电损耗介电损耗指电介质在电场作用下存在电能损耗。（4）击穿击穿指在强电场下也许造成电介质破坏。四个基本特性各有其基本理论。5第5页第5页 6.1.4电介质理论电介质理论 电介质理论包括电介质理论包括：（1）电极化响应理论）电极化响应理论 （2）电介质中电荷转移、电导和电击穿理论）电介质中电荷转移、电导和电击穿理论 （3）唯象理论）唯象理论：（用电介质特性函数描述）从物理学角度叙述与介电相关各种效应，建立统一唯象理论热力学唯象理论（建立各种宏观物理量之间关系）。（4）微观理论）微观理论：主要简介晶格振动和声子统计方面知识。（5）铁电理论）铁电理论：在下一章中讲。6第6页第6页 电极化响应理论包括电极化响应理论包括：（a）恒定电场中电介质电极化，电极化微观机制；（b）洛伦兹有效场；（c）变动电场中电介质行为（即介电损耗）；（d）介电驰豫；（e）谐振吸取和色散；（f）电极化非线性效应等。7第7页第7页 6.2电介质极化电介质极化 材料可按其对外电场响应方式分为两类，一类以电荷长程迁移即传导方式对外电场作出响应，这类材料称为导电材料导电材料。另一类以感应方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩改变，这类材料称为介电材料。在普通物理和电工学中已经理解到电容意义，它是当两个邻近导体加上电压后含有存储电荷能力量度，即：C=Q/V8第8页第8页 一个平板真空电容器电容为 式中：Q0电容器极板上感应产生电荷；V施加在电容器两极板上电压；q单位面积电荷；0真空介电常数，8.8510-12 E极板间电场强度；d平板间距；A极板面积。从上式能够得到：9第9页第9页 令 Q0/A=D0，代表极板上表面电荷密度；V/d=E，代表极板间电场强度。则 D0=0 E 法拉第（M.Faraday）发觉，当一个材料插入两平板之间后，平板电容器电容增长。增长后电容为 C=r C0 =r0 A/d=A/d 式中：r相对介电常数；介电材料电容率，或称介电常数称介电常数。同理：D =E10第10页第10页 即 D=D0+Q/A Q极板上增长感应电荷 Q/A=P 称为极化强度 则：P =0（r1）E 由此可见由此可见：（1）电介质相对介电常数是介质分子中分子极化程度宏观量度。（2）电介质在电场作用下极化程度愈高，其相对介电常数便愈大。11第11页第11页 介电系数是综合反应介质内部电极化行为一介电系数是综合反应介质内部电极化行为一个主要宏观物理量。普通电介质值都在个主要宏观物理量。普通电介质值都在10下列，下列，金红石可达金红石可达110，而铁电材料值可达到，而铁电材料值可达到104数量级。数量级。高介电材料是制造电容器主要材料，可大大缩小高介电材料是制造电容器主要材料，可大大缩小电容器体积。陶瓷、玻璃、聚合物都是惯用电介电容器体积。陶瓷、玻璃、聚合物都是惯用电介质，表质，表6-1中列出了一些玻璃、陶瓷和聚合物在中列出了一些玻璃、陶瓷和聚合物在室温下相对介电常数。需要阐明是，外加电场频室温下相对介电常数。需要阐明是，外加电场频率对一些电介质介电常数是有影响，尤其是陶瓷率对一些电介质介电常数是有影响，尤其是陶瓷类电介质。类电介质。12第12页第12页13第13页第13页14第14页第14页 电介质极化有电介质极化有3种主要基本过程种主要基本过程：（极化机：（极化机制）制）（1）材料中原子核外电子云畸变产生电子极化（电子位移极化）；（2）分子中正、负离子相对位移造成离子极化（离子位移极化）；（3）分子固有电矩在外电场作用下转动造成转向极化。6.2.1电子位移极化电子位移极化 在外电场作用下，原子外围电子轨道相对于原子核发生位移，原子中正、负电荷重心产生相对位移。这种极化称为电子位移极化电子位移极化。15第15页第15页 在没有外电场作用时候，构成电介质分子或原子所在没有外电场作用时候，构成电介质分子或原子所带正负电荷中心重叠，即电矩等于零，对外呈中性。在带正负电荷中心重叠，即电矩等于零，对外呈中性。在电场作用下，正、负电荷中心产生相对位移（电子云发电场作用下，正、负电荷中心产生相对位移（电子云发生了改变而使正、负电荷中心分离物理过程），中性分生了改变而使正、负电荷中心分离物理过程），中性分子则转化为偶极子，从而产生了电子位移极化或电子形子则转化为偶极子，从而产生了电子位移极化或电子形变极化，如图变极化，如图6.1所表示。所表示。图图6.1 电子云位移极化示意图电子云位移极化示意图(a)E=0 (b)E016第16页第16页电子位移极化性质含有一个弹性束缚电荷在逼迫电子位移极化性质含有一个弹性束缚电荷在逼迫振动中表现出来特性。依据典型弹性振动理论能振动中表现出来特性。依据典型弹性振动理论能够计算出电子在交变电场中极化率为：够计算出电子在交变电场中极化率为：（6-1）当当趋近于零时，可得到静态极化率趋近于零时，可得到静态极化率 （6-2）17第17页第17页 由式（由式（6-1）和式（）和式（6-2）可见，电子极化率依赖于）可见，电子极化率依赖于交变电场频率，极化率与频率关系反应了极化惯性。静交变电场频率，极化率与频率关系反应了极化惯性。静态极化率可由共振吸取光频（紫光）测出。在光频范围态极化率可由共振吸取光频（紫光）测出。在光频范围内，电子对极化奉献总是存在，而其它极化机构由于惯内，电子对极化奉献总是存在，而其它极化机构由于惯性跟不上电场改变，因而此时介电常数几乎完全来自电性跟不上电场改变，因而此时介电常数几乎完全来自电子极化率奉献。子极化率奉献。利用玻尔原子模型，可详细估算出利用玻尔原子模型，可详细估算出e 大小：大小：（6-3）式中式中0为真空介电常数，为真空介电常数，R为原子（离子）半径。可见，为原子（离子）半径。可见，电子极化率大小与原子（离子）半径相关。电子极化率大小与原子（离子）半径相关。18第18页第18页 以以最最简简朴朴氢氢原原子子为为例例，氢氢原原子子电电子子极极化化率率为为7.5210-41。式式（6-3）不不适适合合用用于于较较复复杂杂原原子子，但但是是能能够够必必定定，当当电电子子轨轨道道半半径径增增大大时时，电电子子位位移移极极化化率率会会随随之之不不久久增增大大。在在元元素素周周期期表表中中，对对于于同同一一族族原原子子，电电子子位位移移极极化化率率自自上上而而下下依依次次增增大大；在在同同一一周周期期中中元元素素，原原子子电电子子位位移移极极化化率率自自左左向向右右能能够够增增大大也也能能够够减减少少，这这是是由由于于即即使使轨轨道道上上电电子子数数目目增增多多，但但是是轨轨道道半半径径却却也也许许减减小小，结结果要看哪个效应占优势。果要看哪个效应占优势。19第19页第19页 电子位移极化存在于一切气体、液体及固体电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中，含有下列特点：介质中，含有下列特点：（1）形成极化所需时间极短（因电子质量极）形成极化所需时间极短（因电子质量极小），约小），约10-15s，故其不随频率改变；，故其不随频率改变；（2）含有弹性，撤去外场正负电荷中心重叠，）含有弹性，撤去外场正负电荷中心重叠，没有能量损耗；没有能量损耗；（3）温度对其影响不大，温度升高，略为下）温度对其影响不大，温度升高，略为下降，含有不大负温度系数。降，含有不大负温度系数。20第20页第20页6.2.2离子位移极化离子位移极化 在离子晶体和玻璃等无机电介质中，正、负离子处在离子晶体和玻璃等无机电介质中，正、负离子处于平衡状态，其偶极矩矢量和为零。但这些离子，在电于平衡状态，其偶极矩矢量和为零。但这些离子，在电场作用下，除了离子内部产生电子位移极化外，离子本场作用下，除了离子内部产生电子位移极化外，离子本身将发生可逆弹性位移。正离子沿电场方向移动负离子身将发生可逆弹性位移。正离子沿电场方向移动负离子沿反电场方向移动，正、负离子发生相对位移，形成感沿反电场方向移动，正、负离子发生相对位移，形成感应偶极矩。这就是离子位移极化。应偶极矩。这就是离子位移极化。也能够理解为离子也能够理解为离子晶体在电场作用下离子间键合被拉长，比如碱卤化物晶晶体在电场作用下离子间键合被拉长，比如碱卤化物晶体就是如此。图体就是如此。图6.2所表示是位移极化简化模型。所表示是位移极化简化模型。21第21页第21页图图6.2 离子极化示意图离子极化示意图 22第22页第22页 与电子位移极化类似，在交变电场作用下，与电子位移极化类似，在交变电场作用下，由正、负离子位移可导出离子位移极化率由正、负离子位移可导出离子位移极化率 （6-4）可见，离子位移极化和电子位移极化表示式类似，可见，离子位移极化和电子位移极化表示式类似，都含有弹性偶极子极化性质。都含有弹性偶极子极化性质。0可由晶格振动红可由晶格振动红外吸取频率测量出来。这里两种离子相对运动，外吸取频率测量出来。这里两种离子相对运动，就是晶格振动光学波。就是晶格振动光学波。23第23页第23页以离子晶体极化为例，每对离子平均位移极化率以离子晶体极化为例，每对离子平均位移极化率为：为：（6-5）式（式（6-5）中，）中，为晶格常数，为晶格常数，A为马德隆常数，为马德隆常数，n为电子层斥力指数，对离子晶体为电子层斥力指数，对离子晶体n=711，因此，因此离子位移极化率数量级约为离子位移极化率数量级约为10-40。24第24页第24页 离子位移极化主要存在于含有离子晶体中，离子位移极化主要存在于含有离子晶体中，如云母、陶瓷材料等，它含有下列特点：如云母、陶瓷材料等，它含有下列特点：（1）形成极化所需时间极短，约）形成极化所需时间极短，约10-13s，故普通，故普通能够认为与频率无关；能够认为与频率无关；（2）属弹性极化，几乎没有能量损耗；）属弹性极化，几乎没有能量损耗；（3）温度升高时离子间结合力减少，使极化程）温度升高时离子间结合力减少，使极化程度增长，但离子密度随温度升高而减小，使极化度增长，但离子密度随温度升高而减小，使极化程度减少，通常前一个原因影响较大，故普通含程度减少，通常前一个原因影响较大，故普通含有正温度系数。即温度升高，极化程度有增强趋有正温度系数。即温度升高，极化程度有增强趋势。势。25第25页第25页 6.2.3固有电矩转向极化固有电矩转向极化 电电介介质质中中电电偶偶极极子子产产生生有有两两种种机机制制：一一是是产产生生于于“感感应应电电矩矩”，二二是是产产生生于于“固固有有电电矩矩”。前前者者是是在在电电场场作作用用下下，才才会会产产生生，如如电电子子位位移移极极化化和和离离子子位位移移极极化化；后后者者存存在在于于极极性性电电介介质质中中，本本身身分分子子中中存存在在不不对对称称性性，含含有有非非零零恒恒定定偶偶极极矩矩，没没有有外外电电场场作作用用时时，在在固固体体中中杂杂乱乱无无章章地地排排列列，宏宏观观上上显显示示不不出出它它带带电电特特性性；假假如如将将该该系系统统放放入入外外电电场场中中，固固有有电电矩矩将将沿沿电电场场方方向向取取向向过过程程被被称称为取向极化或转向极化。为取向极化或转向极化。26第26页第26页取向极化过程中，热运动（温度作用）和外电场取向极化过程中，热运动（温度作用）和外电场是使偶极子运动两个矛盾方面，偶极子沿外电场是使偶极子运动两个矛盾方面，偶极子沿外电场方向有序化将减少系统能量，但热运动破坏这种方向有序化将减少系统能量，但热运动破坏这种有序化，在两者平衡条件下，能够得到偶极子取有序化，在两者平衡条件下，能够得到偶极子取向极化率为：向极化率为：（6-6）式中，式中，p0为无电场时偶极子固有电矩，为无电场时偶极子固有电矩，k为玻尔为玻尔兹曼常数，兹曼常数，T为热力学温度。为热力学温度。27第27页第27页对于一个典型偶极子，对于一个典型偶极子，p0 e10-10，因此取向极化率，因此取向极化率约为约为2 10-38，比电子位移极化率要高两个数量级。固有，比电子位移极化率要高两个数量级。固有电矩取向极化含有下列特点：电矩取向极化含有下列特点：（1）极化是非弹性；）极化是非弹性；（2）形成极化需要时间较长，为）形成极化需要时间较长，为10-1010-2s，故其与，故其与频率有较大关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因频率有较大关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其减小；而其减小；（3）温度对极性介质有很大影响，温度高时，分子热）温度对极性介质有很大影响，温度高时，分子热运动猛烈，阻碍它们沿电场方向取向，使极化削弱，故运动猛烈，阻碍它们沿电场方向取向，使极化削弱，故极性气体介质常含有负温度系数，但对极性液体、固体极性气体介质常含有负温度系数，但对极性液体、固体在低温下先随温度升高而增长，当热运动变得较强烈时，在低温下先随温度升高而增长，当热运动变得较强烈时，又随温度上升而减小。又随温度上升而减小。28第28页第28页 取向极化机理能够应用于离子晶体介质中，取向极化机理能够应用于离子晶体介质中，带有正、负电荷成正确晶格缺点所构成离子晶体带有正、负电荷成正确晶格缺点所构成离子晶体中中“偶极子偶极子”，在外电场作用下也可发生取向极，在外电场作用下也可发生取向极化。化。在气体、液体和抱负完整晶体中，经常存在在气体、液体和抱负完整晶体中，经常存在微观极化机制是电子位移极化、离子位移极化和微观极化机制是电子位移极化、离子位移极化和固有电矩取向极化。在非晶态固体、聚合物高分固有电矩取向极化。在非晶态固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整晶体中，还会存在其它更为子、陶瓷以及不完整晶体中，还会存在其它更为复杂微观极化机制。比如：松弛极化、空间电荷复杂微观极化机制。比如：松弛极化、空间电荷极化和自发极化等。极化和自发极化等。29第29页第29页30第30页第30页图图6.4各种极化频率范围及其对介电常数奉献各种极化频率范围及其对介电常数奉献 31第31页第31页 6.3变动电场中电介质行为及介质损耗变动电场中电介质行为及介质损耗 6.3.1 复介电常数复介电常数在变动电场下，上面讲静态介电常数不再合用，在变动电场下，上面讲静态介电常数不再合用，而出现动态介电常数而出现动态介电常数复介电常数，下面以平板复介电常数，下面以平板电容器为例阐明复介电常数。电容器为例阐明复介电常数。一个在真空中容量为一个在真空中容量为 平行平板电容器，平行平板电容器，假如在其两个极板上施加角频率为假如在其两个极板上施加角频率为正弦交变电正弦交变电压压 ，则在电极上出现电荷，则在电极上出现电荷 ，并且与外电压同相位。并且与外电压同相位。32第32页第32页该电容上电流为：该电容上电流为：（6-7）式中，式中，虚因子，表示虚因子，表示I与与V有有90相位差，相位差，如图如图6.5所表示。所表示。33第33页第33页当两极间充以非极性完全绝缘材料时，当两极间充以非极性完全绝缘材料时，则电，则电流变为：流变为：（6-8）它比它比I0大，但与外电压仍相差大，但与外电压仍相差90相位。相位。假如试样材料是弱导电性，或是极性，或兼有此两种特假如试样材料是弱导电性，或是极性，或兼有此两种特性，那么电容器不再是抱负，电流与电压相位不正好相性，那么电容器不再是抱负，电流与电压相位不正好相差差90。这是由于存在一个与电压相位相同很小电导分。这是由于存在一个与电压相位相同很小电导分量量GV，它起源于电荷运动。假如这些电荷是自由，则，它起源于电荷运动。假如这些电荷是自由，则电导电导G事实上与外电压频率无关；假如这些电荷是被符事实上与外电压频率无关；假如这些电荷是被符号相反电荷所束缚，如振动偶极子情况，则号相反电荷所束缚，如振动偶极子情况，则G为频率函为频率函数。数。34第34页第34页这时，能够把实际电容器电流这时，能够把实际电容器电流I分解为两个电流分量分解为两个电流分量I1和和I2，见图，见图6.5，其中，其中，I1相位角超前于电压相位角超前于电压90，这部分电，这部分电流不损耗功率，称为无功电流；流不损耗功率，称为无功电流；I2与电压同相位，该电与电压同相位，该电流是损耗功率，故称为有功电流。这两个电流分量与电流是损耗功率，故称为有功电流。这两个电流分量与电压之间关系能够用下面式子表示：压之间关系能够用下面式子表示：（6-9）式中式中G称为介质电导，这个电导并不一定代表由于载流称为介质电导，这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产生直流电导，而是代表介质中存在有损耗机子迁移而产生直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，使电容器上能量部分地消耗为热物理过程。制，使电容器上能量部分地消耗为热物理过程。35第35页第35页把把,（其中，（其中，S为极板面积，为极板面积，d为介质厚度，为介质厚度，为电导率）代入式（为电导率）代入式（6-9），即可），即可求得电流密度与材料电导率求得电流密度与材料电导率、介电系数、介电系数 之间之间关系：关系：（6-10）式中，第一项式中，第一项 称为位移电流密度，称为位移电流密度，第二项第二项 称为传导电流密度。称为传导电流密度。36第36页第36页由 定义复介电常数 ，即 （6-11）式中为绝对介电常数。由于电导（或损耗）不完全由自由电荷产生，也由束缚电荷产生，那么电导率本身就是一个依赖于频率复变量，因此 实部不是严格地等于，虚部也不是精确地等于 。37第37页第37页复介电常数最普遍地表示式是：复介电常数最普遍地表示式是：（6-12）这里这里 是依赖于频率量。是依赖于频率量。损耗角损耗角由下式定义：由下式定义：（6-13）则电导率为则电导率为 （6-14）式中，式中，仅与介质相关，称为介质损耗因仅与介质相关，称为介质损耗因子，其大小能够作为绝缘材料判据。子，其大小能够作为绝缘材料判据。38第38页第38页 6.3.2变动电场中介质损耗：变动电场中介质损耗：（1）在交变电压作用下（角频率=2f），抱负电容器中电流超前于电压一个相角/2，也就是电容器中介质不吸取功率，没有损耗。（2）同理，充填抱负电介质电容器在交变电压作用下（角频率=2f），其电流也超前于电压一个相角/2，也就是电容器中介质也不吸取功率，没有损耗。（3）在实际中，电介质平板电容器总电流包括了三个部分：由抱负电容充电所造成电流Ic；电容器真实电介质极化建立电流Iac；电容器真实电介质漏电电流Idc。总电流超前电压（90）度，其中称为损耗角。39第39页第39页 6.4 极化驰豫极化驰豫 只有电子位移极化能够认为是瞬时完毕，其它都需时间，这样在交流电场作用下，电介质极化就存在频率响应问题。通常把电介质完毕极化所需要时间称为驰豫时间驰豫时间（也叫松弛时间）。极化驰豫极化驰豫就是电介质完毕极化所需时间。6.5动态介电常数动态介电常数 主要研究动态介电常数与电场频率和驰豫时间关系。40第40页第40页 （1）与频率与频率关系关系 a）当外电场频率很低，介质各种极化机制都能跟上电场改变，此时不存在极化损耗，相对介电常数r最大。介质损耗主要由电介质漏电引起，损耗功率P与频率无关。b）当外电场频率增长至某一值时，驰豫极化跟不上电场改变，r减小，在这一频率范围内，随升高，tan（损耗角斜率）增大，且P 增大。c）当频率提很高，tan达到最大值，P也达最大。41第41页第41页（2）与驰豫时间与驰豫时间关系关系 a）当温度很低时，较大。在低温度范围内，随温度上升，减小，tan（损耗角斜率）增大，且P增大 。b）当温度较高时，较小。随温度上升，减小，tan（损耗角斜率）减小，且P减小 。c）温度连续升高达很高时，离子热振动能很大，离子迁移受热振动阻碍增大，极化削弱，电导急剧上升，故tan也增大。42第42页第42页 6.6固体电介质电导与击穿固体电介质电导与击穿 6.6.1固体电介质电导固体电介质电导 如图所表示，实际电容器电流如图所表示，实际电容器电流I超前于电超前于电 压相角恒小于压相角恒小于/2，故可将电流，故可将电流I分为两个分量，分为两个分量，I1正好超前电压正好超前电压/2（这部分电流不损耗功率，（这部分电流不损耗功率，称为称为无功电流无功电流）。而）。而I2 则与电压同相（这部分则与电压同相（这部分 电流消耗功率，称为电流消耗功率，称为有有 功电流功电流）可写成：可写成：I2=g V 式中式中g称为介质电导。称为介质电导。图图6.4 电容器中介质损耗对电电容器中介质损耗对电 流与电压位相关系影响流与电压位相关系影响43第43页第43页 这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产生直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，生直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，使电容器上能量部分地消耗为热物理过程。使电容器上能量部分地消耗为热物理过程。44第44页第44页 尽管电介质从其本意来看应当是完全不导电，或者说，其电阻率应当是无限大。然而事实上所有电介质在直流 电压作用下总会有微弱 电流流过（漏电电流漏电电流）同体电介质漏导电流I 包括了两个构成部分，流过电介质体内电流 Iv和沿着电介质表面流 动电流Is，并有 I=Iv+Is，如图6.8所表示。图6.8 固体电介质 漏导电流Iv和Is45第45页第45页 电介质表面电导与材料性质、表面状态、周围环境等相关。测量固体电介质体积电导和表面电导时，需要将体积漏电电流和表面漏电电流分离开来。在实际测量时，采用一个附加电极来分离Iv和Is。在恒定电压作用下，流过固体电介质电流是时间函数。假如直接采用测得电流来计算电导率和电阻率，则其值也是时间函数，增长了问题复杂性。当电压施加到材料上时，46第46页第46页 流过材料电流很快上升，然后或快或慢地逐步下降，最终达到一个稳定值，不再随时间而变。电流达到稳定时间因材料不同而不同，普通少于1min，有时长 达数小时或几天。在普通情况下，需要考虑以下几个电流：（1）介质极化快速响应部分引发充电电流。这一电流在恒定电压作用下按照时间常数快速衰减，因此对材料电导过程研究影响不大。47第47页第47页（2）介质极化缓慢响应部分引起充电电流。在许多情况下，这一电流按照指数函数下降，其缓慢极化时间常数比前一个电流要大得多。在超慢极化过程中，载流子中断在介质内部，以空间电荷形式贴存在电介质中。（3）吸取电流。是一个充电时随时间缓慢衰减，而在放电时并不可逆电流。吸取电流把充电时流入电荷吸取到了介质内部。（4）不随时间而变得漏电电流。只有这一电流才真实反应了贯穿电介质内部导电过程。48第48页第48页 固体电介质电导可分成三种固体电介质电导可分成三种：（1）电子电导电子电导。这种电导是由自由电子和空穴引起。载。这种电导是由自由电子和空穴引起。载流子来自光电效应、电极注入、施主或受主掺杂。流子来自光电效应、电极注入、施主或受主掺杂。（2）离子电导离子电导。这种电导载流子是材料本身本征离子或。这种电导载流子是材料本身本征离子或杂质离子及其空格子；杂质离子及其空格子；（3）表面电导表面电导。前两种电导都是指电介质体积电导，它。前两种电导都是指电介质体积电导，它是电介质一个物理特性参数，主要取决于电介质本身构是电介质一个物理特性参数，主要取决于电介质本身构成、结构、杂质含量及电介质所处工作条件（如温度、成、结构、杂质含量及电介质所处工作条件（如温度、气压、辐射等），这种体积电导电流流经整个电介质。气压、辐射等），这种体积电导电流流经整个电介质。除此之外，假如流经固体电介质表面电导电流就成为表除此之外，假如流经固体电介质表面电导电流就成为表面电导电流。面电导电流。49第49页第49页 实际固体电介质材料电导是复杂，往往各种实际固体电介质材料电导是复杂，往往各种类型电导同时并存或转化。材料电导及其规律与类型电导同时并存或转化。材料电导及其规律与材料化学构成、结构、杂质及环境有很大关系。材料化学构成、结构、杂质及环境有很大关系。50第50页第50页6.6.1.2电子电导电子电导 电子电导其载流子是电子和空穴，在电介质电子电导其载流子是电子和空穴，在电介质中，价电子将能带填满成满带，尚有完全空着导中，价电子将能带填满成满带，尚有完全空着导带，满带与导带之间由禁带隔开。外电场作用只带，满带与导带之间由禁带隔开。外电场作用只能使电子从能带中一个能级跃迁到另一个能级，能使电子从能带中一个能级跃迁到另一个能级，不足以使它越过禁带到导带，因此这种形式电导不足以使它越过禁带到导带，因此这种形式电导表现得比较微弱，只有在一定得条件下才明显。表现得比较微弱，只有在一定得条件下才明显。51第51页第51页 如在某一温度下，由于电子热运动，可将一部分电如在某一温度下，由于电子热运动，可将一部分电子由满带激发到导带上去，同时出现空穴载流子。这样子由满带激发到导带上去，同时出现空穴载流子。这样在外电场作用下，就使得晶体电介质含有一定电导。然在外电场作用下，就使得晶体电介质含有一定电导。然而，在常温下激发到导带上去电子是极其微弱，尤其是而，在常温下激发到导带上去电子是极其微弱，尤其是在固体电介质中，从满带激发到导带上去电子微乎其微，在固体电介质中，从满带激发到导带上去电子微乎其微，能够忽略不计。能够忽略不计。但在实际晶体电介质中，由于杂质存在，以及晶体但在实际晶体电介质中，由于杂质存在，以及晶体中缺点、位错等，在禁带中将引入中间能级中缺点、位错等，在禁带中将引入中间能级杂质能级，杂质能级，靠近于导带。它们在热激发作用下，容易产生导电载流靠近于导带。它们在热激发作用下，容易产生导电载流子。又如含钛陶瓷以银作电极时，高温下将发生下列反子。又如含钛陶瓷以银作电极时，高温下将发生下列反应：应：52第52页第52页 （6-12）（6-13）高温时，银将失去电子变成银离子，四价钛高温时，银将失去电子变成银离子，四价钛离子还原成三价钛离子，三价钛离子是不那么稳离子还原成三价钛离子，三价钛离子是不那么稳定，容易失去一个电子又变回四价钛离子。在电定，容易失去一个电子又变回四价钛离子。在电场作用下，银离子顺电场方向移动，电子逆电场场作用下，银离子顺电场方向移动，电子逆电场方向移动，在电介质中形成电子电导。方向移动，在电介质中形成电子电导。53第53页第53页 另外，当电子能量低于阻碍它运动势垒高度不很大，而势垒厚度又比较薄（约几十纳米）时，在强电场作用下，电子就也许由隧道效应而穿过势垒后到达导带或阳极，构成隧道电流。金属电极中具有大量电子，也也许向电介质中发射（或注入），如热电子发射，也可认为电介质提供导电载流子。54第54页第54页 但是以上各种机构提供电子，在电场不太强但是以上各种机构提供电子，在电场不太强时，数量很少，固体电介质电子电流是极其微弱。时，数量很少，固体电介质电子电流是极其微弱。伴随外加电场增长，杂质能级上电子、隧道效应伴随外加电场增长，杂质能级上电子、隧道效应以及热电子发射等原因作用加大了，电子电流才以及热电子发射等原因作用加大了，电子电流才相应地增长。因此固体电介质中电子电导比离子相应地增长。因此固体电介质中电子电导比离子电导要复杂得多。大部分固体电介质得电子电导电导要复杂得多。大部分固体电介质得电子电导率温度关系遵循指数规律：率温度关系遵循指数规律：（6-14）55第55页第55页 因为导电电子（或空穴）也是从各种不同电离中心经过热激发而产生，而且，对于过渡元素金属氧化物，通常它活化能都比较小，载流子数又多，因此，在低温和室温下，电子电导常起主要作用，许多金属氧化物实际上是氧化物半导体原因也在于此，这类金属氧化物在传感器方面应用就是很好例子。56第56页第56页 6.6.1.3 固体电介质离子电导 离子电导其载流子是正、负离子或离子空位，这是固体电介质中最主要导电形式。它与电子电导机理有质不同，传递不单是电荷，而是组成物质粒子。在弱电场中主要是离子电导，不过对于一些材料，如钛酸钡、钛酸钙和钛酸锶等钛酸盐类，在常温下除了离子导电以外还会展现出电子电导特性。固体电介质按其结构可分成晶体和非晶体两大类，下面主要讨论晶体和非晶体无机电介质和高分子非晶材料高聚物离子电导。57第57页第57页 （1）无机晶体材料电介质离子电导）无机晶体材料电介质离子电导 对于无机材料电介质，导电离子起源主要有对于无机材料电介质，导电离子起源主要有两种：本征（或固有）离子和弱联系离子。两种：本征（或固有）离子和弱联系离子。晶体离子电导分为两类，一类是源于晶体点晶体离子电导分为两类，一类是源于晶体点阵中基本离子运动，称为离子固有电导或本征电阵中基本离子运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺点形成，即是由离子本身伴导，这种电导是热缺点形成，即是由离子本身伴随热振动加剧而离开晶格阵点形成，因此在高温随热振动加剧而离开晶格阵点形成，因此在高温时比较明显，因此通常称为高温电导。时比较明显，因此通常称为高温电导。58第58页第58页 少数离子热运动离开本来位置，假如进入点少数离子热运动离开本来位置，假如进入点阵间形成填隙离子，同时产生空位缺点称为弗伦阵间形成填隙离子，同时产生空位缺点称为弗伦克尔缺点；假如到达晶体表面，晶体内部只留下克尔缺点；假如到达晶体表面，晶体内部只留下离子空穴，这种缺点称为肖脱基缺点。显然，离离子空穴，这种缺点称为肖脱基缺点。显然，离子晶体本征电导载流子浓度与晶体结构紧密程度子晶体本征电导载流子浓度与晶体结构紧密程度和离子半径大小相关。离子晶体电导率与温度改和离子半径大小相关。离子晶体电导率与温度改变规律与电子电导类似，满足指数规律。变规律与电子电导类似，满足指数规律。59第59页第59页 另另一一类类称称为为弱弱联联系系离离子子电电导导，是是与与晶晶格格点点阵阵联联系系较较弱弱离离子子活活化化而而形形成成导导电电载载流流子子，主主要要是是杂杂质质离离子子和和晶晶体体位位错错与与宏宏观观缺缺点点处处离离子子引引起起电电导导，它它往往往往决决定定了了晶晶体体低低温温电电导导。假假如如这这种种电电导导源源于于结结合合力力较较弱弱杂杂质质离离子子运运动动造造成成，称称为为杂杂质质电电导导。这这种种电电导导在在非非离离子子晶晶体体中中是是电电导导主主要要成成份份。在在离离子子晶晶体体中中低低温温热热缺缺点点数数目目很很少少情情况况下下是是低低温温电电导导主要成份。主要成份。60第60页第60页因此在离子晶体中，考虑到它本征电导和弱联系因此在离子晶体中，考虑到它本征电导和弱联系电导时，电导时，随温度改变关系式能够写成：随温度改变关系式能够写成：（6-15）第一项表示本征离子电导，第二项表示弱联系离第一项表示本征离子电导，第二项表示弱联系离子电导。由于弱联系离子浓度比本征离子浓度小子电导。由于弱联系离子浓度比本征离子浓度小诸多，普通诸多，普通 。求对数后，由。求对数后，由 作图，能够求得势垒作图，能够求得势垒U。61第61页第61页 （2）无机玻璃态电介质离子电导纯净玻璃电导普通较小，但如含有少许碱金属离子就会使电导大大增加，基本上表现为离子电导。玻璃体结构比晶体疏松，碱金属离子能够穿过大于其原子大小距离而迁移，同时克服一些位垒。玻璃与晶体不同，玻璃中碱金属离子能阱不是单一数值，有高有低，这些位垒体积平均值就是载流子活化能。62第62页第62页 在碱金属氧化物含量不大情况下，电导率与在碱金属氧化物含量不大情况下，电导率与碱金属离子浓度有直线关系。到一定程度时，电碱金属离子浓度有直线关系。到一定程度时，电导率指数增长。这是由于碱金属离子首先填充在导率指数增长。这是由于碱金属离子首先填充在玻璃结构松散处，此时碱金属离子增长只是增长玻璃结构松散处，此时碱金属离子增长只是增长电导载流子数。当孔隙被填满之后继续增长碱金电导载流子数。当孔隙被填满之后继续增长碱金属离子，就开始破坏本来结构紧密部位，使整个属离子，就开始破坏本来结构紧密部位，使整个玻璃体结构进一步松散，因而活化能减少，导电玻璃体结构进一步松散，因而活化能减少，导电率指数式上升。率指数式上升。63第63页第63页 在生产实际中发觉，利用双碱效应和压碱效在生产实际中发觉，利用双碱效应和压碱效应，能够减少玻璃电导率，甚至能够使玻璃电导应，能够减少玻璃电导率，甚至能够使玻璃电导率减少率减少4-5个数量级。个数量级。双碱效应双碱效应是指当玻璃中碱金属离子总浓度较是指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时（占玻璃构成大时（占玻璃构成25-30%），碱金属离子总浓），碱金属离子总浓度相同情况下，含两种碱金属离子比含一个碱金度相同情况下，含两种碱金属离子比含一个碱金属离子玻璃电导率要小。当两种碱金属浓度百分属离子玻璃电导率要小。当两种碱金属浓度百分比适当初，电导率能够降到很低。比适当初，电导率能够降到很低。压碱效应压碱效应是指是指含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤其是重金属含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤其是重金属氧化物，使玻璃电导率减少。相应阳离子半径越氧化物，使玻璃电导率减少。相应阳离子半径越大，这种效应越强。大，这种效应越强。64第64页第64页 无机材料中玻璃相，往往也含有复杂组成，普通玻璃相电导率比晶体相高，因此对介质材料应尽也许降低玻璃相电导。无机电介质材料普通是由晶相颗粒、玻璃相、晶界和气孔等组成复杂显微结构多晶多相体，因此其电导理论计算较为复杂，通常简化为包含各向电导率和体积分数对数混合法则。不过，实际无机电介质材料中，各组成相之间往往产生相互作用，引发特殊物理效应，不符合混合法则。65第65页第65页 （3）高分子高聚物电介质离子电导）高分子高聚物电介质离子电导 在高聚物分子结构中，原子最外层电子是以共价键在高聚物分子结构中，原子最外层电子是以共价键与相邻原子键接。因此，完整结构纯高聚物材料，在弱与相邻原子键接。因此，完整结构纯高聚物材料，在弱电场作用下理应没有电流通过（含有特定结构高聚物例电场作用下理应没有电流通过（含有特定结构高聚物例外）。理论计算结果表明，作为绝缘体高聚物，其电导外）。理论计算结果表明，作为绝缘体高聚物，其电导率仅有率仅有 ，而实际高聚物电导率往往比它，而实际高聚物电导率往往比它大几种数量级，因此，高聚物绝缘体中载流子主要来自大几种数量级，因此，高聚物绝缘体