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1、第七章电介质材料 光电工程学院微电子教学部冯世娟27.2 电介质在静电场中的极化 n1 电介质的极化现象q 导体q电介质n在无外加电场作用时,分子热运动使得偶极矩排列混乱,因而在各个方向上的分子偶极矩矢量和为零。n而在外加电场作用下,偶极分子将沿电场方向偏转定向,这是整个电介质对外感生出宏观偶极矩。 传导电流 位移电流电介质的极化:电介质的极化:电介质在电场作用下内部感应偶极矩的现象。电介质在电场作用下内部感应偶极矩的现象。37.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制 p电子极化p离子极化p偶极子转向极化p自发极化p空间电荷极化极极化化形形式式位移极化:是一种弹性的、瞬时完成的极化,不
2、消耗能量 弛豫极化:与热运动有关,完成这种极化需要一定的时间,并且是非弹性的,因而消耗一定的能量47.2 电介质在静电场中的极化n2 电介质极化机制q几种物质的介电常数n2极化形式光频下低频下金刚石5.665.68电子位移极化NaCl2.255.9电子、离子位移极化H2O1.7780.4电子、离子位移极化、偶极子转向极化57.3 电介质的动态极化 n1 电介质的极化过程 电介质极化的建立和消失都有一个响应过程,需要一定的时间。 在变化电场作用下的极化响应大致有三种情况: 如果电场的变化很慢,相对于极化建立的时间,像在静电场中的那样,则极化完全来得及响应,则不需要考虑响应过程,可以按照与在静电场
3、中的情形进行分析;如果电场的变化很快,以至于极化完全跟不上,就没有极化的发生;如果电场的变化与极化建立的时间可以比拟,则极化对电场的响应受极化建立过程的影响很大,因而会产生比较复杂的介电现象。 67.3 电介质的动态极化n1 电介质的极化过程电子位移极化、离子位移极化建立的时间极短,通常被称为瞬时极化或快极化; 而对于偶极子转向极化及离子松弛极化等,因其建立的时间较长,故称之为慢极化或弛豫极化。 瞬间极化强度,与时间无关。 松弛极化强度,与时间的关系比较复杂 77.3 电介质的动态极化n1 电介质的极化过程q极化强度与电场强度的关系 为静态介电常数,为光频介电常数。 介电常数随电场频率的改变而
4、变化,且介电常数的温度关系与在恒定电场下的情形也不一样;在极化过程中,存在能量的损耗,损耗掉的那部分能量转化为热能,使电介质的温度升高,这种损耗称为极化损耗,极化损耗的大小与电场的频率有密切的关系。 87.3 电介质的动态极化n2 复数介电常数 考虑一个平板电容器,加一个交变电场,其电场强度为 当极化跟不上电场变化时,D和E之间便会有一定的相位差 引入一个表征在交变电场下复电场E与复电位移D间关系的参数,复数介电常数复数介电常数 97.3 电介质的动态极化n2 复数介电常数 电流密度 纯位移电流密度或无功电流密度,与复数介电常数的实部成正比 , 与介质的静态相对介电常数的物理意义相同 有功电流
5、密度,与虚部成正比, 表示介质中的能量损耗的大小 在实际应用中,介质中的能量损耗称为介电损耗 称为介质损耗角正切,常用来定量描述电介质的损耗 107.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q电导损耗电导损耗q松弛极化损耗松弛极化损耗q谐振损耗(色散与吸收)谐振损耗(色散与吸收)电介质在外电场的作用下,将一部分电能转变成热能的物理过程,称为电介质的损耗,其结果是电介质发热,温度上升。 介电损耗不仅会引起线路上的附加衰减,而且会使电路中的元器件发热,工作环境温度升高,可能破坏其正常工作的环境。一般来说,产生介质损耗的主要原因有如下几个方面: 117.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q电导损耗 在电场
6、的作用下,电介质中存在的一些弱联系的导电载流子作定向移动,形成传导电流。这部分传导电流中的能量以热的形式消耗掉,称之为电导损耗。图7.12 电容器值存在电导损耗时的等效电路图 127.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q松弛极化损耗 热离子松弛极化、偶极子转向极化等所需建立的时间比较长,为10-210-8s,甚至更长。当外电场频率比较高,如高频或超高频,偶极子转向极化等跟不上电场周期的变化,产生松弛现象,致使电介质的极化强度P滞后于外加电场强度E,并且电介质的介电系数也随之下降;当外电场频率足够高,偶极子转向极化将完全跟不上电场周期性变化时,介电系数下降至零,这时电介质的介电系数只由位移极化提
7、供,而趋于光频介电系数,这一过程也消耗部分能量,而且在高频和超高频中,这类损耗将起主要作用,甚至比电导损耗还大。这种损耗就称为松弛极化损耗。137.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q谐振损耗(色散与吸收) 谐振损耗来源于原子、离子、电子在振动或转动时所产生的共振效应。这种效应发生在红外到紫外的光频范围。 频率高于X射线的电磁场不可能在原子内激起任何振动,电介质材料不会产生极化现象。此频率下的电介质的介电系数等于真空的介电系数。 若电磁场的频率低于内层电子的谐振频率,则内层电子可以随电磁场而振动,对材料的极化有贡献,相对介电系数大于1。 若电磁场的频率低于外电子壳层的电子(外层电子)的谐振频率
8、,其谐振频率范围为从紫外到近红外光谱范围,此类电子也将参与极化。 147.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q谐振损耗(色散与吸收) 在紫外到近红外区,只可能出现电子谐振极化,在远红外区则会出现原子或离子谐振极化,在光频范围内不可能出现偶极子转向极化和松弛极化。157.3 电介质的动态极化n3 介电损耗q谐振损耗(色散与吸收) 图7.13 介电常数及介电损耗随频率的变化 电子或离子的谐振极化谐振色散谐振色散偶极子转向极化和松弛极化松弛色散松弛色散 色散现象的同时伴随着能量损耗。色散现象的同时伴随着能量损耗。其损耗因数随频率的变化称为吸收其损耗因数随频率的变化称为吸收 在介电系数发生色散的频率范
9、围,无论是哪种极化,其损耗因数都是明显地变大且出现峰值。 随着电场频率的升高,电介质的介电系随着电场频率的升高,电介质的介电系数要降低。这种介电系数随频率变化的数要降低。这种介电系数随频率变化的现象称为色散现象。现象称为色散现象。 167.3 电介质的动态极化n4 极化弛豫与德拜方程q极化弛豫现象 图7.14 极化弛豫现象 电介质在不同平衡态之间的过渡即弛豫过程。 吸收电流介质在交变电场中,由于慢极化跟不上电场的变化,表现出极化的滞后性。系统需要经过一定时间才能达到平衡状态。以实际介质电容器为例177.3 电介质的动态极化n4 极化弛豫与德拜方程q德拜方程 图7.15 缓慢极化电容器的等效电路
10、图 对于驰豫过程,Debye首先提出并建立了复介电常数与频率间的关系式,主要适用于极性液体和固体介质。由平板电容器的等效电路 得到流经电容C的充电电流密度 和流经电容Ca的充电电流密度 187.3 电介质的动态极化n4 极化弛豫与德拜方程q德拜方程 当0时,197.3 电介质的动态极化q德拜方程以上三式称为德拜方程,或是德拜弛豫方程。 恒定电场下 光频下 207.3 电介质的动态极化n5 复数介电常数与频率和温度的关系 q与频率的关系 当在0之间时,介电常数随频率的增加而降低,从静态值降至光频值;损耗因子随频率的增加而出现极大值。217.3 电介质的动态极化q与频率的关系 此时,德拜方程 在这
11、一频率区域,介电常数发生剧烈变化,同时出现极化的能量耗散,这种现象称为弥散现象,这一频率区域称为弥散区域。 227.3 电介质的动态极化q与频率的关系 tan在频率较高时才达到极值 德拜方程在tan与频率的关系中也出现极大值 237.3 电介质的动态极化q与频率关系的解释1) 当外加电场频率很低,即趋于0时,介质的各种极化都能跟上外加电场的变化,此时不存在极化损耗,介电常数达最大值。介电损耗主要由漏导引起, tg只是介质在频率不等于零的交变电场中的物理参数。2) 当外加电场频率逐渐升高时,松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化,松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小,因而,r随升高而减少。tg出现
12、极大值,P也增大。3) 当很高时,介电常数仅由位移极化决定,在这一频率范围内,随的升高,r,tg0,P 变化较小。247.3 电介质的动态极化n5 复数介电常数与频率和温度的关系 q与温度的关系n 1) s、 与温度T的关系 、 主要是单位体积内的极化粒子数n0随温度的变化引起的,也即是因为介质的密度发生变化而引起的。光频介电常数随温度的上升呈线性下降。 257.3 电介质的动态极化q与温度的关系n 2)与温度T的关系 弛豫时间与温度呈指数关系,可简化表示成 267.3 电介质的动态极化q与温度的关系n3) 复介电常数 与温度T的关系 q与温度的关系n3) 复介电常数 与温度T的关系 当温度很
13、低时,很大 反之,在高温区 出现极大值。Tm通过极值时对应的弛豫时间m 表征tan的极值温度比复介电常数的极值温度要低。 277.3 电介质的动态极化q与温度关系的解释在一定频率下,当温度很低时,极化粒子热运动能量很小,几乎处于“冻结”的状态,因此取向极化缓慢,时间很长,来不及随外加电场发生变化,弛豫极化难以建立,这时只有瞬时极化,所以介电常数 趋于光频介电常数 ,介质损耗 和tan很小;当温度升高时,极化粒子的热运动能量加大,弛豫时间减少小,可以与外加电场的周期相比拟,弛豫极化逐渐得以建立, 相应增加。随着温度继续升高,弛豫时间很快降低,弛豫极化进一步建立, 急剧增加,几乎趋近于静态介电常数
14、 。在 剧烈变化的同时,伴随着能量损耗,并出现损耗伴随着能量损耗,并出现损耗极值;极值;若温度再继续升高则弛豫时间继续减少。弛豫极化完全来得及建立,趋近于静电场的情况,这时 趋于 。介质损耗 和tan又恢复很小。 287.3 电介质的动态极化q与温度关系的解释同样将要指出,若频率发生变化,则 和tan要随频率的增加向高温方向移动;反之则向低温方向移动。这可解释如下:当频率发生改变时,若频率增高,则电场变化周期缩短,与之相比拟的弛豫时间也相加减少,因此出现了弛豫极化的温区,即 由 增至 的温区也随之向高温方向移动,出现 和tan峰值的温度也相应升高。297.4 晶体的压电性质n1 晶体的压电性
15、q正压电效应:在没没有有对对称称中中心心的晶体上施加机械作用时,发生与机械应力成成比比例例的介质极化,同时在晶体的两端面出现正负电荷。q逆压电效应:当在晶体上施加电场时,则产生与电场强度成比例的变形或机械应力。 q正、逆压电效应统称为压电效应。q晶体的这种性质称为晶体的压电性。压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。307.4 晶体的压电性质n1 晶体的压电性 q晶体是否具有压电效应,取决于晶体结构的对称性。q在晶体的32种点群中,具有对称中心的11个点群不具有压电效应。在21种不存在对称中心的点群中,除了432点群由于对称性很高导致其压电效应退化之外,其余20个点群都有可能产生压电效应。
16、q对于压电陶瓷、复合材料等,描述其对称性的7种居里点群中,有3种可能产生压电效应。 317.4 晶体的压电性质n3 晶体的机电耦合效应 q电致伸缩效应n电致伸缩效应是一种高阶机电耦合效应,它指的是当外加电场作用于电介质时,所产生的应变近似正比于电场强度(或极化强度)的平方。n因此要比线性压电效应要弱。各种类型的固体电介质都有电致伸缩效应。n比如BaTiO3铁电陶瓷是各向同性体,不存在压电效应,但存在电致伸缩效应。对于没有对称中心的晶体,起主要作用的是压电效应;对于具有对称中心的晶体,由于不存在压电效应,就要考虑电致伸缩效应电致伸缩效应。 327.7 钛酸钡的结构与性质n2 钛酸钡的晶体结构 钛
17、酸钡是第一种被发现具有铁电特性的陶瓷材料。 属于钙钛矿结构:ABO3 A离子周围有12个氧离子,而B离子则位于氧八面体位的间隙处。337.7 钛酸钡的结构与性质n2 钛酸钡的晶体结构 图7.29 在不同温度条件下,钛酸钡晶体结构的变化 347.7 钛酸钡的结构与性质n2 钛酸钡的晶体结构 图7.30 钛酸钡晶体中,立方晶系-四方晶系形变时的离子位移 图7.31 钛酸钡晶体晶轴长度的变化 357.7 钛酸钡的结构与性质n3 钛酸钡的铁电性质q晶体结构对极化的影响 0附近,正交晶系,晶体对称性下降 ,沿011方向极化。-80附近,三方晶系,对称性继续下降 ,沿111方向极化。130时,具有立方对称性,无铁电性。130时,四方晶系 ,沿c轴自发极化,呈现出明显的铁电性质。130:居里温度:居里温度 367.7 钛酸钡的结构与性质n3 钛酸钡的铁电性质q晶体结构对极化的影响 图7.32 介电常数与温度的关系 图7.33 饱和极化强度与温度的关系 由于四方结构的铁电性质主要是体现在室温附近的范围内,这就使钛酸钡在这温度范围内的铁电性质显得尤为重要。 相变过程存在“热滞”