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1、介 电 特 性 Oct.22, 2010 包 定 华 中山大学理工学院 E-mail: stsbdh 1 介电常数、介电损耗 介电频谱、温谱 介电材料的主要物理性质及测 量 介电材料的应用简介 主要内容 2 介电常数、介电损耗 3 表征材料导电性的大小 电学性质 1. 电导率 4 电学性质 欧姆定律 欧姆定律微分形式 决定电导率的基本参数 载流子(n, 个/m3)：电子、空穴、正离子、负离子 载流子迁移率 (载流子在单位电场中的迁移速度) =/E m2/(v.s) 电流密度（单位时间通过单位截面积的电荷量） Jnqv 电导率 =J/E=nqvE =nq 5 理解材料的电导现象，必须明确几个问题
2、： 1）参与迁移的是哪种载流子有关载流子的类别 2）载流子的数量有多大-有关载流子浓度、载流子的产生过程 3）载流子迁移速度的大小-有关载流子输运过程 电导机制： 1）离子电导：一些电介质、绝缘材料 2）电子电导：半导体、导电、超导 电学性质 6 电介质电容、介电常数 真空电容 Co=Qo/V os/d 电介质电容 CQ/V=r os/d 相对介电常数 r = C / C0 电学性质 介电常数是表征电 介质的最基本的参 量。是衡量电介质 在电场下的极化行 为或储存电荷能力 的参数。 2. 介电常数 7 在实际应用中，通常用损耗角正切表示电介质在交变电场 下的损耗 电学性质 3. 3. 介电损耗
3、介电损耗 电介质在电场作用下,电导和部分极化过程会将一部分 电能转变为其它形式的能（如热能），即发生电能的损 耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫 介质损耗。 (由电导和极化过程引起) 单位体积的介质损耗功率： 8 4. 电介质的击穿 - 绝缘强度 电介质的击穿 一般外电场不太强时，电介质只被极化，不 影响其绝缘性能。 当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中 心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电 材料。当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质 失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。 外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为 导电状态
4、的现象。 电学性质 9 介电强度：相应的临界电场强度 热击穿 热击穿的本质： 处于电场中的介质，由于介质损耗而受热； 当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡 状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏。 击穿电场强度 E=V/h V击穿电压；h 材料厚度 击穿电压电介质（或电容器）击穿时两极板的电压 10 电击穿 固体介质电击穿的碰撞电离理论： 在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在一些 电子，这些电子被加速，获得动能； 高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格； 上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳 定的电导； 当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振
5、动能量时，电 子动能越来越大； 大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新 电子，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态，发生击穿 。载流子数目迅速增加。 11 电介质：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电 阻率大于1010cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式 呈现其电学性能的物质。 电介质的主要性能： 介电常数 介电损耗 介电强度 12 2 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 性随电场方向改变的现象，称为电介质的极化。 3 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
6、 有序排列而产生的极化，称为自发极化。 1 介电常数 dielectric constant 表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数， 用表示，无量纲。 13 电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P表示， 极化强度P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表示为 ： 极化强度的单位为库仑/米2 (C/m2) V 宏观上无限小微 观上无限大的体积 元 pi 每个分子的电偶 极矩 P=lim pi V 电偶极矩 14 电偶极矩 ：=ql（单位：库仑 米） 电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方 向与外电场的方向一致。 介质的极化强度P：P= /V单位介质体积内的电偶极 矩总和。或束
7、缚电荷的面密度。 -q+q l E 偶极子 15 电介质的极化 材料可按其对外电场的响应方式区分为两类： 导电材料：以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应 导体中的自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。 电介质：以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生 电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质，这种现象称 为电介质的极化。 在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷以共价键或离 子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷。在电场作 用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定 向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电 场作用下, 电介质内部感
8、生偶极矩的现象，称为电介质的极化。 16 电介质分为非极性电介质和极性电介质两大类。 非极性电介质由非极性分子组成，在无外电场时分子的 正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在外电场作 用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶极矩。 极性电介质由极性分子组成，即使在无外场时每个分子 的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩，它与铁电性 有密切关系。 17 基本概念 真空 平行板电容器 介电材料 电场 电位移 极化强度 金属板表面的(正的与负的)自由电荷 介电材料表面的束缚电 荷 真空介电常数(8.8510-12As/Vm) 相对介电常数 电容 18 电电位移矢量 真空电电位 移 材料极化 强度
9、 极化率 相对对介电电 常数 非极化极化 介电电性质质 适用于： 电电 机械 热热 极化 极化响应 19 极化类型 电子极化 电子云与原子核的相对位移诱导电偶极 子 离子极化 阴、阳离子的相对位移诱导电偶极子 转向极化 固有电偶极子的指向在外场中转向 空间电荷极化 在绝缘体界面移动载流子形成的极化 电介质的极化 20 电子极化 电子极化由电子云构成的负电 荷中心(-Ze0)在外电场中相对 于带正电的原子荷(+Ze0)的位 移引起的 电电位移 诱导偶极子 微观极化率 电极化率： 原子/分子密度 21 离子极化是由离子晶体中阳离子( Q)与阴离子(-Q)的位移引起的 电电位移 诱导诱导 偶极子 微
10、观极化率 电极化率： 原子/分子密度离子电荷 Ki描述了晶格的反 作用力，Ki取决于 晶格参数(离子间 距，晶体结构，束 缚能.) 离子极化 22 取向极化 电偶极矩pi 分子电偶极矩pi 电极化强度P 平均微观极化率aor 线性近似 电极化率cor 23 24 介电损耗的形式 电介质在电场作用下，内部通过的电流包括： 1）电容电流：由样品的几何电容充电引起电流（位移电流）； 2）介质极化的建立引起电流：与极化弛豫有关； 3）介质的电导（漏导）造成的电流：与自由电荷有关。 能量损耗：极化弛豫损耗、电导损耗、振动损耗 介电损耗 25 损耗因子 在真空中的平行平板式电容器两极板上加交变电压V=Vo
11、eit， 电容上的电流与外电压相差90o的位相。 由 Q=CoV V=Q/Co=Idt/Co I=CodV/dt 电容上的电流： Io=iCoV 两极板间充入非极性完全绝缘的材料， 电容上的电流：I=iCV= irCoV= rIo 26 如果介质有微弱的导电，则其中有一个与外加电压相位相同的小电 流（I= iCV+GV）通过 V iCV 设电导G仅由自由电荷产生，则: G=S/d , 由于电容: C=l S/d 则电流密度: j=(il + )E= *E= il* E 复电导率* 的定义： *= il + 复介电常数的定义： l*= * / i= l - i / 损耗角的定义：tg=损耗项/电
12、容项=/ l 得： = l tg （ l tg 仅与介质有关） 损耗因子：l tg （其大小作为绝缘材料的判据） 复电导率* 的定义： *= il + 复介电常数的定义： l*= * / i= l - i / 损耗角的定义：tg=损耗项/电容项=/ l 得： = l tg （ l tg 仅与介质有关） 损耗因子：l tg （其大小作为绝缘材料的判据） 复电导率* 的定义： *= il + 复介电常数的定义： l*= * / i= l - i / 损耗角的定义：tg=损耗项/电容项=/ l 得： = l tg （ l tg 仅与介质有关） 损耗因子：l tg （其大小作为绝缘材料的判据） 复电导
13、率* 的定义： *= il + 复介电常数的定义： l*= * / i= l - i / 损耗角的定义：tg=损耗项/电容项=/ l 得： = l tg （ l tg 仅与介质有关） 损耗因子：l tg （其大小作为绝缘材料的判据） 27 时间 介电弛豫 理想电介质 实际电介质 VQ I VQ I 电荷累积与电流特性 28 极化强度随时间变化的速率与其最终数值和某时刻实际 值之差有以下关系： d(Pt Po)/dt=(PPo) (PtPo)/ PtPo=(PPo) (1e-t/ ) 时间 P 理想 实际 Po P 29 考虑自由电荷与束缚电荷的弛豫对介电常数的影 响，复介电常数普通表达式： l
14、*= l - i l 则：tg=l/ l 有： = ltg = ltg= l （ = l介质的等效电导率） 30 空间电荷极化 转向极化 离子极化 电子极化 色散 损耗 等效电路 微波红外紫外 驰豫 空间电荷极化 转向极化 共振 离子极化 电子极化 相对介电常数的频率相关性 31 电子极化 转向极化 共振与驰豫 32 介电频谱、温谱 33 34 德拜公式： r()=+ (0) - /(1+i ) r = + (0) - /(1+ 22) （ r()实部） r = (0) - /(1+ 22) （ r()虚部） tg=r/ r 其中： (0) -低或静态的相对介电常数 - 时的相对介电常数 德拜
15、研究了电介质的介电常数r、反映介电损耗的r 、所加电场的角频率及松弛时间间的关系。 35 =1， r最大，大于或小于1 时，r都小， 即：松弛时间和所加电场的频率相比，较大时，偶极子来不 及转向， r就小；松弛时间比所加电场的频率还要迅速， r也小。 36 37 38 39 损耗的原因：由于共振使电流与电压同位相。 40 1 复介电常数与频率的关系 41 42 43 44 45 2 复介电常数与温度的关系 由于随温度变化剧烈，因而复介电常数与温度密切相关。并且严格 地讲，s和也与温度有关。光频介电常数是弹性位移极化贡献的介电 常数，可表示为： 设EeE，则上式近似可表示为： 因为e和 i与温度无关，因此随温度变化主要是由于单位体积 中极化离子数n0随温度变化引起的，即由电介质密度变化引起的。由于材 料密度在一定范围内与温度成线性关系，且变化不大，因此随温度升 高略微线性下降。 静态介电常数s可表示为： 46 47
