电介质的电导.PPT

vm
E
为
载流子的迁移率
m2 s V
j E
nq
Vm
S
如有m种载流子，
m
j ni qii E
i0
结论：
1. 对电介质来说，导电载流子可以是离子和电子， 但在大多数情况下，主要为离子导电，这与导体 和半导体的电子导电机理有所不同；
2. 研究电介质的导电性质，应了解载流子的性质和 其迁移机理，揭示宏观介电参数与微观导电机构 间的规律性。
第三章 电介质的电导
本章讲解实际介质在电场作用下， 介质中的有限电导过程及微观机理。
§3-1 电导的概念E 0, j 0,无宏观离子流动；
一、载流子
E 很小时，j E，或 I V R
电介质中——离子电导为主。 即满足欧姆定理
为电导率，
R d d S S
离子微小位移——产生极化
离子从一个电极位移至另一 个电极——形成电导
1. 载流子的种类： • 离子——从能带理论可知，主要为弱联系离子、本征
离子；
• 带电胶粒——如水离解； • 电子——对窄禁带电介质。 2. 载流子的形成： • 离子电导：由（晶格）结点上的离子产生的本征离子
电导；由杂质离子产生的杂质离子电导。
• 电泳电导：带电胶粒形成的基团（游子）产生的电导。 • 电子电导：一般是由光辐照产生的电子形成电子电导。
ln
T
如液体介质存在本征和杂质离子，则：
本征
A1
exp（
B1 ） T
A2
exp（
B2 T
）
ln ln 1 ln 2
ln
A1
B1 T
ln
A2
B2 T
exp(
U0 KT
)
E
离子的迁移率为：
v q2 exp（ U 0 ）
E 6KT
KT
n0 q
n0q 22 6KT
exp(
U0 KT
)
故离子电导电流密度和电导率分别为：
电导率关系式可简化为： a exp（ B）
T
T
温度变化的指数项远比a 项变化显著 T
Aexp（ B）
T
ln ln A B
a. 电子导电
导带
b. 空穴导电
b
c. 受激激子：杂质离
a
子与价带电子的复
c
合（不参与导电） 价带
半导体与电介质物理性能对比
电子 空穴 本征 电导
杂质 离子 的非 本征 电导
物Fra Baidu bibliotek性质
半导体（Si、Ge）
光吸收限m
1.5
禁带宽度（eV）
0.8
自由载流子浓度（m-3）
T=300K
2.81018
电介质（NaCl等）
纯液体介质具有很低的电导率=10-13~10-15（•cm）-1， 含有杂质的液体介质的电导率=10-9~10-13（•cm）-1。
一、液体介质的载流子
离子
本征离子 杂质离子
胶粒——水（或悬浮状水珠）
离子的来源： 热离解产生
直接离解：如H2O——2H++O2-
间接离解：先发生氧化组成新 的物质，再离解。
1
2.5
2
1026
电离杂质浓度（m-3） 非本征电导率（·m）-1
1018~1024 <1.6 105
<2 10-9 <10-35
<105 <2 10-22
二、电导率与迁移率的概念
设：
载流子的迁移速度为vm； n为单位体积中的载流子数；
q为载流子的电荷量；
取I 截n面qvm积 为SS，或长度j 为nvqmv的m 介质。则：
§3-2 气体介质的载流子和电 导
一、载流子的产生 •体积电离——体内气体分子相互碰撞而发生的电离，又 称为本征电离； •表面电离——金属电极表面电子逸出而使气体发生的电 离，又称为非本征电离。
气体介质只有在气体分子电离的情况下，才会产 生电流。气体分子的相互碰撞，光、热、辐射等都可 能引起气体电离。
二、气体介质的电流-电压关系（伏-安特性曲线）
j(A/ m2)
设：
N — 单位体积、单位时间电离的离子数；
M — 单位时间电离的离子总数 N V；
N — 单位体积、单位时间复合的离子对数； I
II
III
n — 正离子的浓度；
n — 负离子的浓度。
jS
E1
E2 E(V / m)
N n n — 复合系数，对空气 1.6 101（2 m3 / s）
<0.25
>5
T=300K T=500K
10-18
1
自由载流子迁移率 （m2/sV）
本征电导率（·m）-1 有效质量比m*/m0 光频介电常数=n2 电离能（eV） 杂质浓度（m-3）
10-4~1
4.5 10-5~0.45 0.1 16
5 10-3 1018~1024
<10-8
< 10-45
<10-27
二、液体介质的离子电导
1、液体介质的结构特征：接近固体、有流动性、短程有序 2、电导率与温度的关系 由热离子势垒模型，可将液体看成类固体，则：
n n0q exp（ U 0 ） E
6KT
KT
离子宏观平均漂移速度为：
v n q2 exp（ U 0 ） E
n0
6KT
KT
j
n0 qE
n0q 22 6KT
说明在电流很小时，载流子的浓度与无 电场的载流子浓度相同。
例：空气的N 3 ~ （ 5 1/ cm3 s）， 1.6 10（6 cm3 / s），可得 载流子浓度n 158（0 1/ cm3），相对于N0 6.62 101（9 1/ cm3）是 很小的。
如正、负离子的迁移率分别为
、
，则：
在无外电场时，N N ，即n N
平衡时的离子浓度为：n n n N n2
单位时间内从一个电极 到达另一个电极的离子 数为： N M N （N n2）S d j q（Nd n2d）
1. 弱电场时，j n2，N n2 n N
qd
j nq E N q E E
e
N（
）
这是一个与电场无关的常数，因此在弱电场下，气体介质
的电流 电压满足欧姆定理。
2. 电场较强时，j n2， qd
j q（Nd n2d） qNd 常数 jS
通常所说的电导率均是指饱和区的电导率。
E1 ?
设：
d，而V V
E1
E1
d
、对给定的材料为定值，也可通过实验测得。
E1随d的增加而增加。
3. 高电场区
如电场很高，例如E>106V/cm，离子在电场中获 得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使N随E 的增大指数增加，导致电流的指数增大。
§3-3 液体介质的载流子和电 导
常见的液体电介质： •矿物油——变压器油、电容器油； •植物油——蓖麻油、桐油； •有机溶剂——苯、甲苯、四氯化碳； •新型液体介质——十二烷基苯、硅油、酯类油。