第三章 电介质电导和击穿

γ = A ′e
B T T B′ T
当电场较大时
x 1
N = n′ n′ 1 ≈ = cE 1 β x + x2 +1 β 2x 1
J = γ E = qn ′d
所以电流密度达到饱和不随电场的变化而变化
3．什么叫气体电介质击穿？气体电介质放电过程 有那两种形式？（掌握） 当电场上升到足够高时，载流子在电场中所获 得足够高的能量，以致使得载流子在与气体分 子碰撞时能够发生电离过程从而产生新的载流 子，新的载流子与旧载流子一起在电场中积聚 能量进行下一次的碰撞从而产生下一代载流子， 如此载流子浓度不断增长下去，电流密度亦无 限地增长下去，此时即发生气体电介质的击穿。 气体电介质击穿又称放电。放电过程又分为自 持放电和非自持放电。
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（3）固体电介质表面电场不均匀（由于表面不均 匀）导致局部表面空气被击穿。称为表面放电， 表面放电的特点： ①沿面放电电压低于气体的放电电压。 ②沿面放电电压与固体电介质的表面状态有关， 如吸潮、污染等。 ③交流电压下的沿面放电电压比直流下的低。 ④沿面放电电压与电极的布置、形状有关
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3.3 固体电介质的电导 1．什么是本征离子电导？本征离子载流子有哪 些类型？本征离子电导率规律有何特点？（掌握） 2．什么是弱联系离子电导？其电导率与总离子 电导率有何特点？（掌握） 3．什么是电子电导？有何特点？（掌握） 4．什么是表面电导？有哪些影响因素？（掌握）
n′ N = β
加上电场稳定状态方程：
n ′Ad = ZAd + I I 2 = β N Ad + q q
β N 2 Ad + AN ( + + )E n ′Ad = 0
( + + )E n ′ )E N +N =0 βd β
2
( + + )E (+ + )E 2 n′ + [ ] +4 βd βd β N = 2
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（3）本征离子电导率规律 根据本征离子载流子的类型特征，分别建立相 应模型，可导出各类型载流子浓度及其迁移率即 可获得其电导率形如下式
γ = Ae
B T
A、B决定晶体结构的常数。由此可见，电导率与 温度成指数增长关系 返 回
2．什么是弱联系离子电导？其电导率与总离子电导率 有何特点？（掌握） 由杂质和位错所引起的离子活化能较小，并在一 定温度下被活化而参与电导，这样的电导称为弱 联系离子电导。 弱联系离子电导率亦可以下述规律确定： B ′ 总离子电导率 一般地有：
dn = nα dx
n = nc e α (e
1)
αd
n = γ nc (e α d 1)
nc = n 0 + γ nc (e
1)
nc =
1 γ (e α d 1)
n0
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na =
1 γ (e α d 1)
1 γ (e en 0e α d
4．如何对均匀电场的击穿过程进行理论分析？（掌握） （1）分析目的 （2）物理过程及其模型的建立 （3）巴申定律的建立 （4）结果分析
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（1）分析目的 通过理论模型分析，寻求气体电介质击穿场强与各 种影响因素的定量关系，从而掌握气体电介质的击 穿规律
Em = f ( p,T ,)
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（2）物理过程及其模型的建立 当电场达到游离场强之后，气体电介质中载流子的产生 除了因外界因素（如光照等）使极板表面和气体发生电 离而产生载流子外，还通过以下碰撞过程产生载流子 1）电子碰撞电离过程： 描述该过程的关键参数-----电子电离系数α：一个 电子运动单位长度与气体质点碰撞所产生的电子数 该过程的模型（假设） a．电子的动能小于气体的电离能，即使碰撞也不能 电离 b．电子的动能大于气体的电离能，每次碰撞都产生 电离 c．每次碰撞，不论是否电离，电子都失去全部动能 返 回
N = n′ ( x + x + 1) =
2
n′
1
β
β x + x2 +1
当电场很小时
x →0
n′
N =
β
n′ q (+ + ) = c
γ = Nq (+ + ) =
β
所以电流密度与电场强度呈线性增长
当电场逐渐增加
N = n′ 1
β x + x2 +1
载流子浓度将随着电场的增加，逐渐下降，因 此伏安特性曲线逐渐偏离线性关系
2．电介质电导类型有哪些？（掌握））
电导类型有：离子电导，电子电导，电泳电导。 电导类型有：离子电导，电子电导，电泳电导。 离子电导： 离子电导： 固体电介质的主要电导形式， 固体电介质的主要电导形式，是介质中带电荷 的弱联系的正负离子（或离子空位） 的弱联系的正负离子（或离子空位）。 电子电导： 电子电导： 一般电介质物质的禁带较宽，电子（空穴） 一般电介质物质的禁带较宽，电子 （空穴）载 流子极少， 流子极少，因而电子电导一般不是电介质电导 的主要因素， 的主要因素，只在特定条件下才表现得比较明 显。 电泳电导： 电泳电导： 是液体电导的主要形式， 是液体电导的主要形式， 载流子是带电的分子 团所形成的电导。 团所形成的电导。 返 回
非自持放电： 在电场强度达到击穿场强Em之前的某个场强E2， （称为起始游离场强，相应电压为起始游离电压） 碰撞电离过程即开始发生了，即气体的放电过程 开始了，但此时若将外界电离因素取消，气体的 放电将逐渐减弱，直到最后停止，这种放电称为 非自持放电。 自持放电： 当电场达到Em（称为击穿场强，相应电压称为击 穿电压）点之后，即使将外界电离因素去掉，放 电仍能继续维持，这样的放电过程称为自持放电， 实际上也就达到了气体电介质击穿。
（3）巴申定律的建立 ① 放电电流与击穿条件的确定 ② 电离系数的确定 ③ 击穿电压的确定------巴申定律
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① 放电电流与击穿条件的确定 设任意时刻从阴极单位面积单位时间发射的电子数：
nc = n 0 + n
经过t时间后，上述电子在电场作用下飘移到x处， 同时由于碰撞电离使电子数增加到n，再经过dt时 间后，电子数的增量为dn，则有
αd
n 0e α d
J = ena =
1)
=
1 γ (e α d 1)
J 0e α d
γ (e α d 1) < 1
γ (e α d 1) > 1 γ (e α d 1) = 1
γ (e α d 1) = 1
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② 电离系数的确定
α=
1
设n0个电子从x=0处出发，经x距离之后只剩 下n个从未碰撞的电子，又经过dx之后又减少 dn个。设电子的自由行程为λ，当电子行进未碰 撞而积聚能量达到电离能U的距离为x1，则
( + + )E ( + + )E 2 n′ + [ ] +4 βd βd β N = 2 (+ + )E 2 n ′ (+ + )E n′ n′ = ( / 4 + [ ] /(4 ) + 1) β βd β βd β
令
( + + )E n′ x =[ ]/ (4 ) βd β
3．什么叫电介质的击穿？它有哪些击穿形式？通常用那些参数 评价（掌握）
当外加电场增加到某一临界值时，电导率突然剧 增，电介质丧失其固有的绝缘性能，变成导体， 这种现象称为击穿。 击穿的形式有：
热击穿 电击穿 电化学击穿 通常使用击穿电压、击穿电场强度、绝缘强度、介电 强度、耐电强度、抗电强度等参数或术语评价。
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3.2 气体电介质的电导和击穿
1．气体电介质伏安特性曲线分为那三个部分？各 部分的特征是什么？（掌握） 2．气体为何能导电？如何对其导电过程进行理论 分析？（掌握） 3．什么叫气体电介质击穿？气体电介质放电过程 有那两种形式？（掌握） 4．如何对均匀电场的击穿过程进行理论分析？ （掌握） 5．非均匀电场击穿过程有哪些特点？（掌握） 返 回
λ
e
U Eλ
n
dx
λ 1 n 1 α= = exp(U / E λ ) λ n0 λ
= dn
n = n 0 exp(x / λ )
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③ 击穿电压的确定---------巴申定律
α = APe
BP E
γ (e α d 1) = 1
Vm =
BPd 1 ln APd /ln 1 + γ
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（4）结果分析 BPd Vm = ① 理论和实验结果 1 ln APd /ln 1 + 相当吻合 γ ② 随Pd的变化存在 极小值 ③ 在压力较小时提 高真空度或在压力较 大时提高气体压力均 可提高击穿电压 ④ 采用高抗电强度 的气体（B大）也能 提高击穿电压 返 回
5．非均匀电场击穿过程有哪些特点？（掌握） （1）在均匀电场中，电晕（起始游离）电压与击 穿电压非常接近；非均匀电场中当电晕出现后， 在较宽的电场强度范围内逐渐演化为刷形放电直 至飞弧击穿。 （2）非均匀电场中，击穿电压与正负极相对位置 有关，针尖为负极时高于针尖为正极时的击穿电 压。
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1．什么是本征离子电导？本征离子载流子有哪些类型？ 本征离子电导率规律有何特点？（掌握） （1）本征离子电导 离子晶体点阵上的基本质点（离子）在热的激励 下，离开点阵形成导电载流子，从而在电场作用 下作定向漂移过程称为本征离子电导。 （2）本征离子载流子类型 弗伦克尔缺陷载流子： 肖特基缺陷载流子：
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复合过程： 当产生的正负离子在热运动过程中相遇时又会 复合而成中性分子，其复合速度Z用单位时间 单位体积内被复合的正离子（或负离子）数表 示。 显然未加电场时，气体中载流子浓度决定于这两 个过程的速度，当这两过程速度相等时，载流子 浓度不随时间的变化而变化达到稳定状态。