材料物理性能電學(xué)

1、三、溫度對(duì)半導(dǎo)體電阻的影響 散射機(jī)制：點(diǎn)陣振動(dòng)的聲子散射和電離雜質(zhì)散射。聲子散射：由于點(diǎn)陣振動(dòng)使原子間距發(fā)生變化而偏離理想周期排列，引起禁帶寬度的空間起伏，從而使載流子的勢(shì)能隨空間變化，導(dǎo)致載流子的散射。溫度越高振動(dòng)越激烈，對(duì)載流子的散射越強(qiáng)，遷移率下降。電離雜質(zhì)對(duì)載流子的散射是由于隨溫度升高載流子熱運(yùn)動(dòng)速度加大，電離雜質(zhì)的散射作用也就相應(yīng)減弱，導(dǎo)致遷移率增加。1Tlog低溫區(qū) 飽和區(qū) 本征區(qū)在低溫區(qū)，施主雜質(zhì)并未全部電離。隨著溫度的升高，電離施主增多使導(dǎo)帶電子濃度增加。與此同時(shí)，在該溫度區(qū)內(nèi)點(diǎn)陣振動(dòng)尚較微弱，散射的主要機(jī)制為雜質(zhì)電離，因而載流子的遷移率隨溫度的上升而增加，使電阻率下降。當(dāng)升高

2、到一定溫度后雜質(zhì)全部電離，稱為飽和區(qū)。由于本征激發(fā)尚未開(kāi)始，載流子濃度基本上保持恒定。這時(shí)點(diǎn)陣振動(dòng)的聲子散射已起主要作用而使遷移率下降，因而導(dǎo)致電阻率隨溫度的升高而增高。溫度進(jìn)一步升高，進(jìn)入本征區(qū)，由于本征激發(fā)，載流子隨溫度而顯著增加的作用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)聲子散射的作用，故又使電阻率重新下降。 n型半導(dǎo)體電阻率2絕緣體的電學(xué)性能 絕緣體：一種可以阻止熱(熱絕緣體）或電荷（電絕緣體）流動(dòng)的物質(zhì)。電阻率大于1010m。特性：在外電場(chǎng)作用下絕緣體內(nèi)部電場(chǎng)不為零，正負(fù)電荷分布的中心分離，從而產(chǎn)生電偶極矩，即發(fā)生了電極化，即電介質(zhì)表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷(束縛電荷)電介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。利用電介

3、質(zhì)的“介電”特性建立電場(chǎng)，可以貯存電能(如電容器中)。3、電介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。絕緣涂料是電介質(zhì)中的一種。9、在外電場(chǎng)下，電介質(zhì)表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷(束縛電荷)，稱為電介質(zhì)的極化。10、極化的基本形式：位移極化、松弛極化、轉(zhuǎn)向極化、空間電荷極化，自發(fā)極化。11、介電常數(shù)：介電常數(shù)，表征電介質(zhì)的極化性能。0-真空時(shí)介電常數(shù)，又稱絕對(duì)介電常數(shù)。其值為8.85418781710-12法/米。r -相對(duì)介電常數(shù)，無(wú)量綱，通常簡(jiǎn)稱為介電常數(shù)。氣體的介電常數(shù)基本略大于1，液體的介電常數(shù)一般在1.82.8，非極性固體介電常數(shù)一般在2.02.5，極性固體本文來(lái)自中潔網(wǎng)，如轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處并添加

4、網(wǎng)站鏈接，違者必究。詳細(xì)出處參考：4 評(píng)價(jià)絕緣材料的主要電學(xué)性能指標(biāo)：(1)介電常數(shù)，(2)耐電強(qiáng)度，(3)損耗因數(shù)，(4)體電阻率和表面電阻率其中前三項(xiàng)屬介電性，后者屬于導(dǎo)電性。5電介質(zhì)的介電常數(shù) 平板電容器的電量Q與兩側(cè)的電壓U和電容量C成正比。 Q = C U當(dāng)極板間為真空時(shí)，平板電容器的電容量Co與平板的面積S、板間距離d的關(guān)系為:式中，Co、0分別為真空下的電容和介電常數(shù)，0=8.8510-2Fm。C0 = 0 S/d67比例常數(shù)稱為靜態(tài)介電常數(shù)，代表了極板間電介質(zhì)的性能。帶有電介質(zhì)的電容C與無(wú)電介質(zhì)(真空)的電容Co之比稱為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r，即r=C/C0 = / 0當(dāng)極板間

5、存在電介質(zhì)時(shí)，則C = S/d8放入電介質(zhì)的電容器的電荷量Q和電容C增大的原因就是由于介質(zhì)的極化作用。越大，極化能力越強(qiáng)。從電介質(zhì)中存儲(chǔ)能量的角度來(lái)看，電容器存儲(chǔ)的能量W為U為極板間電壓，E為電場(chǎng)強(qiáng)度（= U/d)，V(= sd)為電容器的體積。介電常數(shù)可理解為在單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，單位體積中所存儲(chǔ)的能量。 W=1/2 CU2 =1/2 S/d U2= 1/2 S/d (Ed)2 = 1/2 VE2因此, = 2W/VE29把電介質(zhì)引入真空電容器，引起極板上電荷量增加，電容增大，這是由于在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的電荷發(fā)生了再分布，靠近極板的介質(zhì)表面上將產(chǎn)生表面束縛電荷，結(jié)果使介質(zhì)出現(xiàn)宏觀的偶極，這一

6、現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化10電介質(zhì)的四大基本常數(shù)電介常數(shù)是指以電極化的方式傳遞、存儲(chǔ)或記錄電的作用電導(dǎo)是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在泄漏電流介電損耗是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在電能的損耗擊穿是在強(qiáng)電場(chǎng)下可能導(dǎo)致電介質(zhì)的破壞11極化的概念在外電場(chǎng)的作用下，介電內(nèi)質(zhì)點(diǎn)（離子、原子、分子）或不同區(qū)域的正負(fù)電荷重心發(fā)生分離，形成內(nèi)部電偶極距（偶極子）的過(guò)程介電性的本質(zhì): 在外電場(chǎng)的作用下電介質(zhì)發(fā)生極化電偶極距 粒子極化率極化強(qiáng)度12定義：介質(zhì)的極化強(qiáng)度P等于束縛電荷的面密度，而電容器兩個(gè)極板電荷的差值（Q-Q0），相當(dāng)于電介質(zhì)極化的束縛電荷數(shù)。故電極化強(qiáng)度 P= (Q-Qo) /S =(r-1) QO / S而Q0

7、/S為無(wú)電介質(zhì)的真空電容器電荷密度，且有QO / S = 0E由此可得P=0(r-1)E 。可見(jiàn)，電介質(zhì)的極化強(qiáng)度P不但隨外電場(chǎng)強(qiáng)度E升高而增加，且取決于材料的相對(duì)介電系數(shù)r。13令電容器板的電荷面密度為D，稱為電位移則 D = Q/S = C U/S = (S/d) U/S = E = o r E = o r E - o E + o E = P + o E 14令電容器板的電荷面密度為D，稱為電位移則 D = Q/S = C U/S = (S/d) U/S = E = o r E = o r E - o E + o E = P + o E 15二、電介質(zhì)的耐電強(qiáng)度(介電強(qiáng)度) 當(dāng)施加于電介質(zhì)

8、上的電場(chǎng)強(qiáng)度或電壓增大到一定程度時(shí)，電介質(zhì)就由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這一突變現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿。此時(shí)所加電壓稱為擊穿電壓，用Ub表示，發(fā)生擊穿時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度稱為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，用Eb表示，又稱耐電強(qiáng)度（或稱介電強(qiáng)度）。各種電介質(zhì)都有一定的耐電強(qiáng)度(介電強(qiáng)度)，即不允許外電場(chǎng)無(wú)限加大。在電極板之間填充電介質(zhì)的目的就是要使極板間可承受的電位差能比空氣介質(zhì)承受的更高些。在均勻電場(chǎng)下16電介質(zhì)的極化 電介質(zhì)可分為中性、偶極、離子三種類型：1.中性電介質(zhì)它由結(jié)構(gòu)對(duì)稱的中性分子組成，其分子內(nèi)部的正負(fù)電荷中心互相重合，因而電偶極矩P=0。2.偶極電介質(zhì)它是由結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的偶極分子組成，其分子內(nèi)部的正負(fù)電荷中心不

9、重合，而顯示出分子電矩P=qd。 3.離子型電介質(zhì)它是由正負(fù)離子組成。一對(duì)電荷極性相反的離子可看做一偶極子。 (b)中性分子與偶極分子電荷分布圖電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部的束縛電荷所發(fā)生的彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向(正端轉(zhuǎn)向電場(chǎng)負(fù)極、負(fù)端轉(zhuǎn)向電場(chǎng)正極)現(xiàn)象。17 介質(zhì)極化的基本形式電子式極化在電場(chǎng)作用下，構(gòu)成介質(zhì)原子的電子云中心與原子核發(fā)生相對(duì)位移，形成感應(yīng)電矩而使介質(zhì)極化的現(xiàn)象。電子位移極化的形成僅需10-1410-16s。電子位移極化是完全彈性的，即外電場(chǎng)消失后會(huì)立即恢復(fù)原狀，且不消耗任何能量。電子位移極化在所有電介質(zhì)中都存在只有電子位移極化的電介質(zhì)只有中性的氣體、液體和少

10、數(shù)非極性固體。18材料的表面極化電荷密度和極化強(qiáng)度定義19離子式極化在離子晶體中，處于點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的正負(fù)離子在電場(chǎng)作用下發(fā)生相對(duì)位移而引起極化，這就是離子式極化。(1)離子彈性位移極化 且極化過(guò)程也很快，約10-1210-13 s，也不消耗能量。(2)離子松弛式位移極化 需要時(shí)間約10-210-5 s，有極化滯后現(xiàn)象。20偶極子極化偶極分子在有外電場(chǎng)時(shí)，由于偶極子要受到轉(zhuǎn)矩的作用， 有沿外電場(chǎng)方向排列的趨勢(shì)，因而呈現(xiàn)宏觀電矩，形成極化。 這種極化所需時(shí)間較長(zhǎng)，約10-210-10s, 且極化是非彈性的，即撤去外電場(chǎng)后，偶極子不能恢復(fù)原狀。在極化過(guò)程中要消耗一定能量。21電偶極子（electric

11、dipole）是兩個(gè)相距很近的等量異號(hào)點(diǎn)電荷組成的系統(tǒng)。電偶極子的特征用電偶極距Plq描述，其中l(wèi)是兩點(diǎn)電荷之間的距離，l和P的方向規(guī)定由q指向q。電偶極子在外電場(chǎng)中受力矩作用而旋轉(zhuǎn)，使其電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。電偶極矩就是電偶極子在單位外電場(chǎng)下可能受到的最大力矩，故簡(jiǎn)稱電矩。如果外電場(chǎng)不均勻，除受力矩外，電偶極子還要受到平移作用。電偶極子產(chǎn)生的電場(chǎng)是構(gòu)成它的正、負(fù)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)之和。22 電介質(zhì)的主要特征是它的分子中電子被原子核束縛得很緊，即使在外電場(chǎng)作用下，電子一般只能相對(duì)于原子核有一微觀的位移，而不象導(dǎo)體中的電子那樣，能夠脫離所屬原子作宏觀運(yùn)動(dòng)。因而電介質(zhì)在宏觀上幾乎沒(méi)有自由電荷，其導(dǎo)

12、電性很差，故亦稱為絕緣體。并且，在外電場(chǎng)作用下達(dá)到靜電平衡時(shí)，電介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)也可以不等于零。(詳細(xì)解釋) 從分子由正、負(fù)電荷中心的分布來(lái)看，電介質(zhì)可分為兩類。一類電介質(zhì)，如氯化氫(HCl)、水(H2O)、氨(NH3)、甲醇(CH3OH)等，分子內(nèi)正、負(fù)電荷的中心不相重合其間有一定距離，這類分子稱為有極分子(右圖(b)。其電矩為 (注：此處， 的方向自負(fù)電荷中心指向正電荷中心， 與 同方向，稱為分子電矩；整塊的有極分子電介質(zhì)， 可以看成無(wú)數(shù)分子電矩的集合體(上圖(a)。另一類電介質(zhì)，如氦(He)、氫(H2)、甲烷(CH4)等，分子內(nèi)正、負(fù)電荷中心是重合的，因而 ，故分子電矩 。這類分子稱為無(wú)極

13、分子(左圖(b)。整塊的無(wú)極分子電介質(zhì)如左圖(a) 所示。 當(dāng)無(wú)極分子處在外電場(chǎng) 中時(shí)，每個(gè)分子中的正、負(fù)電荷將分別受到相反方向的 電場(chǎng)力 、 作用而被拉開(kāi)，導(dǎo)致正、負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移 (右圖(c)。對(duì)于整塊的無(wú)極分子電介質(zhì)來(lái)說(shuō)(左下圖所示)，在外電場(chǎng)作用下，由于每個(gè)分子 都成為一個(gè)電偶極子其電矩方向都沿著外電場(chǎng)的方向，以致在和外電場(chǎng)垂直的電介質(zhì)兩側(cè)表面上，分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷。這兩側(cè)表面上分別出現(xiàn)的正電荷和負(fù)電荷是和介質(zhì)分子連在一起的，不能在電介質(zhì)中自由移動(dòng)，也不能脫離電介質(zhì)而獨(dú)立存在，故稱為束縛電荷或極化電荷。在外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)出現(xiàn)束縛電荷的這種現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。(注1)當(dāng)有極

14、分子電介質(zhì)在有外電場(chǎng) 時(shí)，每個(gè)分子電矩都受到力偶矩作用(右圖)， 要轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)的方向(參閱10-06)。但由于分子熱運(yùn)動(dòng)的干擾，并不能使各分子電矩都循外電場(chǎng)的方向整齊排列。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，分子電矩的排列愈趨向于整齊。對(duì)整塊電介質(zhì)而言，在垂直于外電場(chǎng)方向的兩個(gè)表面上也出現(xiàn)束縛電荷(左下圖)。如果撤去外電場(chǎng)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)，分子電矩的排列又將變得雜亂無(wú)序，電介質(zhì)又恢復(fù)電 中性狀態(tài)。(注2)上面所講的兩種電介質(zhì)，其極化的微觀過(guò)程雖然不同，但卻有同樣的宏觀效果，即介質(zhì)極化后，都使得其中所有分子電矩的矢量和 ，同時(shí)在介質(zhì)上都要出現(xiàn)束縛電荷；而且電場(chǎng)越強(qiáng)，電場(chǎng)對(duì)介質(zhì)的極化作用越劇烈，介質(zhì)上出現(xiàn)的束縛電荷也就越

15、多。因此，在宏觀上表征電介質(zhì)的極化程度和討論有電介質(zhì)存在的電場(chǎng)時(shí)，就無(wú)需把這兩類電介質(zhì)區(qū)別開(kāi)來(lái)，而可統(tǒng)一地進(jìn)行論述23(a) A HCl molecule possesses a permanent dipole moment p0.(b) In the absence of a field, thermal agitation of the molecules results in zero net averagedipole moment per molecule.(c) A dipole such as HCl placed in a field experiences a torque

16、 that tries to rotate it to align p0with the field E.(d) In the presence of an applied field, the dipoles try to rotate to align with the field against thermal agitation. There is now a net average dipole moment per molecule along the field.7.3.2。偶極子極化24空間電荷極化在一部分電介質(zhì)中存在著可移動(dòng)的離子，在外電場(chǎng)作用下，正離子將向負(fù)電極側(cè)移動(dòng)并積累

17、，而負(fù)離子將向正電極側(cè)移動(dòng)并積累，這種正、負(fù)離子分離所形成的極化稱空間電荷極化。這種極化所需時(shí)間最長(zhǎng)，約10-2 s。25位移極化：電子極化、離子極化及空間電荷極化都是正、負(fù)電荷在電場(chǎng)作用下發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生的故統(tǒng)稱為位移極化。轉(zhuǎn)向極化 偶極極化是由于偶極子在外電場(chǎng)作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向形成的。根據(jù)電介質(zhì)的極化形式，分為非極性材料只有位移極化的電介質(zhì)，極性材料有轉(zhuǎn)向極化的電介質(zhì)。 26四、電介質(zhì)的介電損耗 電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，在單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質(zhì)的損耗功率，或簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗是應(yīng)用于交流電場(chǎng)中電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。實(shí)際絕緣材料都不是完善的理想電介質(zhì)，在外電場(chǎng)的作用下，總有一些帶電粒子會(huì)發(fā)生移動(dòng)而引起微弱的電流，這種微小電流稱為漏導(dǎo)電流，漏導(dǎo)電流流經(jīng)介質(zhì)時(shí)使介質(zhì)發(fā)熱而消耗了電能。這種因電導(dǎo)而引起的介質(zhì)損耗稱為“漏導(dǎo)損耗”。同時(shí)一些介質(zhì)在電場(chǎng)極化時(shí)也會(huì)產(chǎn)生損耗，因?yàn)槌娮?、離子彈性位移極化基本上不消耗能量外，其他緩慢極化(例如松弛極化、空間電荷極化等)在極化緩慢建立的過(guò)程中都會(huì)因克服阻力而引起能量的損耗，這種損耗一般稱為極化損