華南理工大學846電介質(zhì)物理學考研真題整理版教材

1、846華南理工大學2012年攻讀碩士學位研究生入學考試試卷（請在答題紙上做答，試卷上做答無效，試后本卷必須與答題紙一同交回）科目名稱：電 介質(zhì)物理學適用專業(yè):材料學;微電子學與固體電子學本卷滿分：150分共3頁第1頁一、填充題（50分）填寫下列定義和概念（40分，每空2分）（1）電導率不為零的介質(zhì)電容器，在恒定電場作用下，電流由三部分組成：電容電流（無 功電流）極化電流傳導電流:其中，極化電流是介質(zhì)在交變電壓作用下引起介質(zhì)損耗的 重要來源。（2）當外電場頻率足夠高，偶極子轉(zhuǎn)向?qū)⑼耆簧想妶鲋芷谧兓瘯r，電介質(zhì)的極化以 電子位移極化離子位移極化為主:與熱運動有關(guān)的極化形式偶極子轉(zhuǎn)向極化熱離子松

2、弛極化：空間電荷極化主要岀現(xiàn)在不均勻電介質(zhì)中。（3）依照導電載流子種類的不同，電介質(zhì)的電導可以分成以下幾種形式：離子電導；電子 電導;電泳電導。固體電介質(zhì)中，在強電場下以電子電導為主,在弱電場下以離子電導為主, 電泳電導岀現(xiàn)在液體電介質(zhì)中。（4）鐵電體的極化強度隨外施電場E而變化的性質(zhì)可用電滯回線來表示，它也是判斷晶體 是否具有鐵電性的依據(jù)；當交變電場變化一周時，鐵電體所消耗的能量可用電滯回線包圍的 面積來表示。鐵電材料只有在某一溫度范圍內(nèi)具有鐵電性，高于居里溫度時為順電相,低于 居里溫度時為鐵電相。判斷材料有無鐵電性的依據(jù)是能否觀察到電滯回線。寫出下列參數(shù)的定義式（10分，每空2分）電位移D

3、與電場強度E之間的表達式為：D = E0 r 假設(shè)單位體積電介質(zhì)內(nèi)導電載流子的數(shù)目為N，每個載流子所帶電荷為q,載流子沿電場方向漂移的平均速度為v，則單位時間內(nèi)通過垂直于電場方向、面積為A平面的電荷，即電流強度可表示為：1 = Nqv A。當介質(zhì)中只有一種松弛極化時，加上電場，松弛極化強度與時間的關(guān)系可近似地表示為: P（t）= P （ e一t/JrrmB- + A e B- + A e T2B1成：丫 =Ae T 氣體電介質(zhì)自持放電的條件為： 氣體電介質(zhì)自持放電的條件為：丫二、簡答題（75分）有效電場、平均宏觀場強指的是什么？洛倫茲有效電場由哪幾部分組成的？對于非極性氣 體電介質(zhì)，寫出洛倫茲

4、有效電場具體的數(shù)學表示式。（12分）有效電場指作用在某一極化粒子上的局部電場，它應(yīng)為極板上的自由電荷以及除這一被考察 的極化粒子以外其他所有粒子形成的偶極矩在該點產(chǎn)生的電場。平均宏觀場強指極板上自由電荷以及電介質(zhì)中所有極化粒子形成的偶極矩共同的作用場強。、 + 2對于非極性氣體電介質(zhì)，寫出洛倫茲有效電場具體的數(shù)學表示式為E Ee 3什么是電介質(zhì)的極化？試說明電介質(zhì)極化的種類及其機理。（15分）在外電場作用下，電介質(zhì)的內(nèi)部沿電場方向感應(yīng)偶極矩，在電介質(zhì)表面出現(xiàn)極化電荷的現(xiàn)象 稱為電介質(zhì)的極化。電介質(zhì)極化主要有5種：電子位移極化；其機理是在外加電場作用下，電子云相對于原子核逆電場方向移動，電子 云

5、重心與原子核重心分離形成感應(yīng)偶極矩。離子位移極化；其機理是外加電場作用下，正、負離子沿相反方向移動，對形成的偶極矩 不再互相抵消，極化強度不為零而呈現(xiàn)宏觀電矩。偶極子轉(zhuǎn)向極化；其機理是極性分子受到電場的作用時，每個偶極子都將受到電場力矩的 作用，使它們轉(zhuǎn)向與外電場平行的方向，當偶極矩與電場的方向相同時，偶極矩的位能最小， 就電介質(zhì)整體而言，電矩不再為零而出現(xiàn)與外電場同向的宏觀電矩。熱離子松弛極化；其機理是由于電介質(zhì)中存在某些弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點；這些帶點質(zhì)點在電 場作用下定向遷移，使局部離子過剩。結(jié)果在電解質(zhì)內(nèi)部建立起電荷的不均勻分布，形成電 矩。當極化完成時間較長、外加電場的頻率比較高時，極化方

6、向往往滯后于外電場的變化， 這種現(xiàn)象稱為“松弛”這種極化形式稱為熱離子松弛極化?？臻g電荷極化；機理是電介質(zhì)中的自由電荷載流子（正、負離子或電子）可以在缺陷和不 同介質(zhì)的界面積聚，形成空間電荷的局部積累，使電介質(zhì)中的電荷分布不均，形成宏觀電矩。什么是德拜函數(shù)，請作出德拜函數(shù)圖。（12分）8r-8德拜函數(shù)為 -、函數(shù)圖參照P129的圖2-158 -8 8 -8S gS g4請用氣體介質(zhì)的碰撞電離理論解釋固體介質(zhì)中的電擊穿，并給出固體電介質(zhì)發(fā)生電擊穿 的判斷依據(jù)。（10分）固體電介質(zhì)的電擊穿理論是建立在氣體電介質(zhì)的碰撞電離理論上的。所以，可以用氣體中發(fā) 生電子碰撞游離來推斷固體電介質(zhì)的擊穿場強。固體

7、介質(zhì)發(fā)生電擊穿的判斷依據(jù)是電子從電場獲得的能量速率大于電子與晶格碰撞消耗的 能量速率。固體電介質(zhì)的體積電導和表面電導有何區(qū)別？影響電介質(zhì)表面電導的因素有哪些，請舉 例。（11分）電介質(zhì)的體積電導是電介質(zhì)的一個物理特性參數(shù)，主要取決于電介質(zhì)本身的組成、結(jié)構(gòu)、雜 質(zhì)含量及電介質(zhì)所處的工作條件（如溫度、氣壓、輻射等）。這種體積電導電流流經(jīng)整個電 介質(zhì)。電介質(zhì)的表面電導不僅與電介質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，而且還與周圍的環(huán)境溫度、濕度、 表面結(jié)構(gòu)以及形狀、表面沾污等情況密切相關(guān)。P172影響電介質(zhì)表面電導的因素：空氣濕度電介質(zhì)表面的分子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)表面的狀況請說明壓電晶體、熱釋電晶體和鐵電晶體之間的關(guān)系。畫出鐵電

8、體極化強囲與電場強度 E之間的曲線關(guān)系，標出相關(guān)重要參數(shù)以及其位置。（15分）三、綜合題（25分）3已知聚苯乙烯相對分子質(zhì)量M=104,密度p =1.041.06 g/cm,562）HC（CHCH 3,線膨脹系數(shù)B L=1x10-4/oC，光折射率n=1.51.6，相對介電系數(shù) =2.52.6，求聚苯乙烯的電子位移極化率。（10分）一平行板真空電容器，極板上的電荷面密度O =2X10-6 C/m2。現(xiàn)充以 =12的介質(zhì)，若r極板上的自由電荷保持不變，計算真空和介質(zhì)中的E、P、D各為多少？束縛電荷產(chǎn)生的場強 是多少？（15分）846華南理工大學2011年攻讀碩士學位研究生入學考試試卷（請在答題紙

9、上做答，試卷上做答無效，試后本卷必須與答題紙一同交回）科目名稱：電 介質(zhì)物理學適用專業(yè):材料學，微電子學與固體電子學本卷滿分：150分共2頁第1頁一、填充題：（50分）1、填空（32分，每空2分）（1）在外電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部沿電場方向?qū)a(chǎn)生感應(yīng)偶極矩，在電介質(zhì)表面出現(xiàn)極化 電荷，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。電介質(zhì)極化后，電介質(zhì)表面的極化電荷將削弱極板上的 自由電荷所形成的電場，這種由極化電荷產(chǎn)生的場強被稱為退極化電場。（2）空間電荷極化是丕均勻電介質(zhì)在電場作用下的一種主要的極化形式。極化的起因是電 介質(zhì)中的自由電荷載流子（正、負離子或電子）可以在缺陷和不同介質(zhì)的界面上積聚，形成 空間電荷的局

10、部積累，使電介質(zhì)中的電荷分布不均勻，產(chǎn)生宏觀電矩。（3）諧振損耗來源于原子、離子、電子在振動或轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的共振效應(yīng)，這種效應(yīng)發(fā)生 在紅外到紫外的光頻范圍。電磁波在介質(zhì)中傳播的相速度及介質(zhì)的折射率依賴于頻率,折射 率隨頻率的變化形成色散現(xiàn)象。（4）電子未能將能帶填滿，或能帶完全空著沒有電子，這種能帶稱為導帶（空帶。在一個 能帶與另一個能帶之間范圍是不允許電子存在的，這樣的能帶就稱為禁帶。（5）離子晶體本征電導的載流子濃度與晶體結(jié)構(gòu)的緊密程度和離子半徑的大小有關(guān)。結(jié)構(gòu) 緊密的晶體，主要形成肖特基缺陷,而結(jié)構(gòu)松散的晶體，特別是當其中一種離子的尺寸較小 時，主要形成弗倫克爾缺陷。（6）鐵電體的自發(fā)極

11、化在外電場作用下反轉(zhuǎn)時，電疇的結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大的變化，稱為疇的 極化反轉(zhuǎn)過程。鈦酸鋇中極化反轉(zhuǎn)分兩步進行，首先是新疇的成核,然后是核的向前線性生 長。2、寫出下列參數(shù)的定義或表達式：（18分，每空3分）8 -1 1 （1） 克勞休斯一莫索締方程的表達式： =Na8 + 238r0（2）熱離子松弛極化的定義：由于電介質(zhì)中存在某些弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點，在電場作用下作 定向移動而產(chǎn)生的極化，稱為熱離子松弛極化。（3）居里一外斯定律的表達式:(4) Cole-Cole圓的方程式:8 (4) Cole-Cole圓的方程式:8 +82(8-8 )S*+ 8”2 =S*2丿2丿02（5）電暈的定義：在不均勻電場中

12、，當器件中某一區(qū)域的電壓達到起始游離電壓值，在這 一區(qū)域出現(xiàn)淡紫色的輝光，稱為電暈。（6）電疇的定義：鐵電體的自發(fā)極化并非整個晶體同方向，而是包含有各個不同方向的自 發(fā)極化小區(qū)域。在每一個小區(qū)域內(nèi)，極化均勻、方向相同，存在一固有電矩，這個小區(qū)域稱 為電疇。二、簡答題：（75分1、氯化鈉型離子晶體在電場作用下將發(fā)生電子、離子位移極化。試解釋溫度對氯化鈉型離 子晶體介電常數(shù)的影響。（10分）求溫度對介電系數(shù)的影響，可利用二1 d8 對溫度求導得出：求溫度對介電系數(shù)的影響，可利用二1 d8 對溫度求導得出：a = dTr HYPERLINK l bookmark58 o Current Docume

13、nt 8 + 238 Ir0 _ (8 - 1)G + 2)r r _ rr P、 q 2 a +a + e-K丿“ q 2 dK+ rNL 98 8 K 2 dT0 r由上式可知，由于電介質(zhì)的密度減小，使得電子位移極化率及離子位移極化率所貢獻的極化 強度都減小，第一項為負值；但溫度升高又使離子晶體的彈性聯(lián)系減弱，離子位移極化加強， 即第二項為正值；然而第二項又與第一項相差不多。所以氯化鈉型離子晶體的介電系數(shù)是隨 溫度的上升而增加，只是增加得非常慢。2、為什么在工程技術(shù)中表征電介質(zhì)的介質(zhì)損耗時不用損耗功率W，而用損耗角正切tan8 ? 為何在實際測量中得到的tan8o關(guān)系曲線中往往沒有峰值出現(xiàn)

14、？（12分）損耗功率W，而用損耗正切角tan8相比，tan8可以直接用儀表測量。如果介質(zhì)中電導損耗比較大，松弛極化損耗相對來說比較小，以致松弛極化的特征可能被電 導損耗的特性所掩蓋。隨著電導損耗的增加，tan8的頻率、溫度特性曲線中的峰值將變得 平緩，甚至看不到峰值的出現(xiàn)。圖p122的圖2-12 （a） 3、考慮本征電導和弱系離子電導時，寫出離子晶體的電導率Y隨溫度T變化關(guān)系式，并繪 出曲線；當雜質(zhì)含量增加時，曲線該如何變化? （13分）考慮本征電導和弱系離子電導時，離子晶體的電導率丫隨溫度T變化關(guān)系式是:丫 _Ae t +A e t第一項表示本征離子電導，第二項表示弱系離子電導1 2，B_B

15、_低溫時以弱系離子電導為主丫 _ Ae-T高溫時以本征離子電導為主丫 _ Ae-t1，圖在pl661雜質(zhì)含量越大，轉(zhuǎn)折點溫度越高。4、非自持放電和自持放電的主要區(qū)別是什么？自持放電的條件及物理意義是什么？（15分）氣體電介質(zhì)的擊穿，一半又稱為氣體電介質(zhì)的放電。在電場強度達到E點之前，雖然已經(jīng)m發(fā)生了碰撞電離，但此時若將外界電離因素取消，氣體的放電將逐漸減弱，直到最后停止，這種放電稱為非自持放電。而在E點之后，即使將外界電離因素去掉，放電仍能繼續(xù)維持m的，稱為自持放電，實際上也就達到了氣體電介質(zhì)的擊穿。Yad -1）_ 1是氣體電介質(zhì)自持放電的條件，物理意義：除去外界電離因素，由于還存在著正離子

16、撞擊陰極時釋放出來的電子，這電子恰好代替了在外界電離因素作用下由陰極出發(fā)的 那一個電子。因此，即使取消了外界電離因素的作用，而放電強度依然維持不變。5、什么是固體電介質(zhì)在空氣中的沿面放電？有何特點？如何提高器件的沿面放電電壓？ （15 分）固體電介質(zhì)表面電場不均勻（由于表面不均勻）導致局部表面空氣被擊穿，稱為沿面放電。 沿面放電的特點：沿面放電電壓低于氣體的放電電壓。沿面放電電壓與固體電介質(zhì)的表 面狀態(tài)有關(guān)，如吸潮、污染等。交流電壓下的沿面放電電壓比直流下的低。沿面放電電 壓與電極的布置、形狀有關(guān)。為了防止器件沿面放電，固體電介質(zhì)表面的清潔、干燥十分重要，對特殊結(jié)構(gòu)的器件，有采 用灌封以保證電

17、極清潔不吸潮的方法。為了提高器件的沿面放電電壓，還必須改變電極形狀， 使它圓滑，消除電場的集中，如用半球圓槽圍邊、加厚電介質(zhì)的邊沿、延長放電距離等，這 一類方法在電子陶瓷高壓器件中得到了廣泛應(yīng)用。6、為什么四方鈦酸鋇晶體中只有反平行的180度疇和互相垂直的90度疇？（10分）由于晶體中熱運動的能量特別低的鈦離子是隨機地產(chǎn)生的，同一晶體中會出現(xiàn)幾個電疇形成 的中心，所以，晶體從高溫冷卻通過居里點時，通常都將形成多疇結(jié)構(gòu)。并且，由于氧八面 體中的6個氧離子位于互相垂直的三個軸上，鈦離子的自發(fā)位移方向只能是反平行的和互相 垂直的。因此四角鈦酸鋇晶體中只有反平行的180度疇和互相垂直的90度疇。三、綜

18、合題：（25分）在室溫25度下，有一圓片介質(zhì)電容器直徑為10mm，厚度為1mm,其靜態(tài)電容為2.5 pF，直流電導率為10-3S/m，折射率為1.6，單一松弛時間常數(shù)為2x10-4s。計算：電介質(zhì)的靜態(tài)介電常數(shù)；1kHz下的介電常數(shù)，介電損耗；復介電常數(shù)方程。（25分）（ = 8.85X10-12，玻爾茲曼常數(shù)k = 1.38x 10-23，電荷電量e = 1.6x 10-19C）2.5 x2.5 x10-12 x10-3電介質(zhì)的靜態(tài)介電常數(shù) S=3.60電介質(zhì)的靜態(tài)介電常數(shù) S S8.85x10-12 x3.14x 25x10-601kHz下的介電常數(shù)846華南理工大學2010年攻讀碩士學位

19、研究生入學考試試卷（請在答題紙上做答，試卷上做答無效，試后本卷必須與答題紙一同交回）科目名稱：電 介質(zhì)物理學適用專業(yè)：材料學，微電子學與固體電子學共2頁第1頁一、填充題：（50分1.填寫下列定義和概念：（40分，每空2分）根據(jù)湯姆遜理論，提咼氣體電介質(zhì)的擊穿電壓有兩個途徑：利用咼氣壓或者咼真空; 應(yīng)用高抗電強度的氣體。 要提高電介質(zhì)的介電系數(shù)，可以從三個方面著手：提高單位體積內(nèi)極化粒子數(shù)N；選 取極化率大的粒子組成電介質(zhì)；增強作用于極化粒子的有效電場Ee。 根據(jù)電介質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)的極化形式主要包括：電子位移極化：離子位移極 化；偶極子轉(zhuǎn)向極化；熱離子松弛極化：空間電荷極化。 依照導電載流

20、子種類的不同，電介質(zhì)的電導可以分成以下幾種形式：離子電導；電 子電導：電泳電導。在固體電介質(zhì)中，在強電場下以電子電導為主,在弱電場下以離子電 昱為主。鐵電體的自發(fā)極化并非整個晶體同方向，而是包含有各個不同方向的自發(fā)極化小區(qū)域。 在每一個小區(qū)域內(nèi)，極化均勻、方向相同，存在一固有電矩，這個小區(qū)域稱為電疇，分隔相 鄰區(qū)域的界面稱為疇壁。鐵電材料只有在某一溫度范圍內(nèi)具有鐵電性，高于居里溫度時為順 電相，低于居里溫度時為鐵電相。判斷材料有無鐵電性的依據(jù)是能否觀察到電滯回線。P = （ - 1P = （ - 1）E 極化強度P與電場強度E之間的表達式為:8損耗角正切由下式定義：tan 1戶C 居里一外斯定

21、律可表示為:8 = 居里一外斯定律可表示為:r T - T0在離子晶體中，考慮本征電導和弱系離子電導時，電導率丫隨溫度變化的關(guān)系式可以寫成：丫 =Ae成：丫 =Ae- TiB- + A e- T2 氣體電介質(zhì)自持放電的條件為：丫二、簡答題：（75分）什么是瞬間極化、緩慢式極化？它們所對應(yīng)的微觀機制各代表什么？ （10分）在遠低于光頻的頻率范圍，電子位移極化和離子位移極化所建立的時間可以忽略不計，通常 把它們稱作快極化或瞬間極化。而熱離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化等，極化建立所需的時間相 對來說比較長，這一類極化稱作緩慢式極化或松弛極化。電子、離子的位移極化的極化完成的時間非常短，在10-1210-1

22、5秒的范圍內(nèi)，當外電場的 頻率在光頻范圍內(nèi)時，極化能跟得上外電場交變頻率的變化，不會產(chǎn)生極化損耗；而松弛極 化的完成所需時間比較長，當外電場的頻率比較高時，極化將跟不上交變電場的頻率變化， 產(chǎn)生極化滯后的現(xiàn)象，出現(xiàn)松弛極化損耗。具有松弛極化的電介質(zhì)，加上電場以后，松弛極化強度與時間的關(guān)系式如何描述宏觀上表征出來的是一個什么電流？（12分）加上電場以后，松弛極化強度與時間的關(guān)系式P C）= P （-e”）rrm宏觀上表征出來的是極化電流，只是在加上電壓時才存在的，并且是時間的函數(shù)，隨時間的 增加逐漸衰減最后降低至零。不均勻電場中的放電現(xiàn)象如何？與均勻電場中的放電有何區(qū)別？ （13分）在不均勻電場

23、中（實際上器件中電場分布大多數(shù)都是這種情況），當器件中某一區(qū)域的電壓 達到起始游離電壓值時，首先在這一區(qū)域出現(xiàn)淡紫色的輝光一一電暈，形成一穩(wěn)態(tài)的區(qū)域放 電；電壓進一步提高，電暈變成刷形放電，形成幾道明亮的光束，呈現(xiàn)出來的是樹枝狀的火 花放電，但這時放電還未到達對面電極，只是光束的位置不斷地改變；電壓再提高，樹枝狀 的火花閃電般地到達對面電極，形成貫穿電極間的飛弧，這樣就導致了電介質(zhì)最后被擊穿。 與均勻電場的放電的區(qū)別：在不均勻電場中氣體電介質(zhì)的擊穿電壓比起始游離電壓高許多。 在均勻電場中，電暈、刷形放電、飛弧幾乎同時發(fā)生，所以一出現(xiàn)電暈，氣體電介質(zhì)很快就 被擊穿了。在不均勻電場中，當極間距離很

24、小時，放電的最后兩個階段也分辨不出來，只是 在大距離的情況下才能區(qū)別開來。在針尖對平板的不均勻電場中，氣體介質(zhì)擊穿時，正針極時的擊穿電壓與負針極時的擊穿電壓哪個高？為什么？ （12分）負針極比正針極的擊穿電壓高。當針尖為正時，正的空間電荷削弱了針尖附近的電場，加強 了正空間電荷到極板之間的弱電場。這種情況相當于高電場區(qū)從針尖移向板極，像是正電極 向負電極延伸了一段距離，因此擊穿電壓比針尖為負時低。當針尖為負時，正空間電荷包圍了針電極，加強了針尖附近的電場，而削弱了正空間電荷到 極板之間的電場，使極板附近原來就比較弱的電場更加減弱了，像是增加了針尖的曲率半徑， 電極板間的距離雖然縮短了一些，但電

25、場卻均勻了，因此負針-板電極的擊穿電壓高于正針- 板的擊穿電壓。5請說明壓電晶體、熱釋電晶體和鐵電晶體之間的關(guān)系，并給出鐵電晶體具有的顯著特征 （五個以上）。（13分）6試畫出以下物質(zhì)在交流電場作用下的P-E回線示意圖：導體、線性無損耗介質(zhì)、線性有損 耗介質(zhì)、非線性無損耗介質(zhì)、鐵電體（標出其相關(guān)重要參數(shù)）。（15分）三、綜合題：（25分）已知一種介質(zhì)材料的靜態(tài)介電常數(shù) = 25,折射率n = 2,活化能U = 0.5eV；當溫度T = 27Cs時，松弛極化時間常數(shù)T = 3x10-2s。分別求出（玻爾茲曼常數(shù)k=1.38x10-23，電荷電量e=1.6x10-19）：（1）27C下，和 對應(yīng)的

26、極值頻率值（5分）。max（2） 127 C下，對應(yīng)的極值頻率值（5分）。（3） 27C、極值頻率下、tg5和、值（8分）。max（4） 127C、1000Hz 下的、tg5 值（7 分）。846華南理工大學2009年攻讀碩士學位研究生入學考試試卷（請在答題紙上做答，試卷上做答無效，試后本卷必須與答題紙一同交回）科目名稱：電 介質(zhì)物理學適用專業(yè)：微電子學與固體電子學共2頁第1頁一、填充題：（50分）填寫下列定義和概念：（40分，每空2分） 電介質(zhì)損耗包括電導損耗、松弛極化損耗、諧振損耗（色散與吸收）。 要提高電介質(zhì)的介電系數(shù)，可以從三個方面著手：提高單位體積內(nèi)極化粒子數(shù)n0； 選取極化率大的粒

27、子組成電介質(zhì)；增強作用于極化粒子的有效電場Ee。 氣體常見的幾種放電形式有：電暈放電、電弧放電、火花放電、輝光放電。 固體電介質(zhì)的離子電導包括和電子電導，在高溫以離子電導為主，在低溫以電子電導為 主。 根據(jù)電介質(zhì)的絕緣性能破壞的原因，電介質(zhì)的擊穿形式有熱擊穿、電擊穿、電化學擊穿。 鐵電體的自發(fā)極化并非整個晶體同方向，而是包含有各個不同方向的自發(fā)極化小區(qū)域。 在每一個小區(qū)域內(nèi)，極化均勻、方向相同，存在一固有電矩，這個小區(qū)域稱為電疇，分隔相 鄰區(qū)域的界面稱為疇壁。根據(jù)碰撞電離理論，固體電介質(zhì)發(fā)牛電擊穿的判斷依據(jù)是電子從電場獲得的能量速率大 于電子與晶格碰撞消耗的能量速率。寫出下列參數(shù)的定義式：（1

28、0分，每空2分）匕損耗角正切由下式定義：tan5 =-。氣體電介質(zhì)自持放電的條件為：ylad - J= 1。1松弛時間T =eu/kT。2v在離子晶體中，考慮本征電導和弱系離子電導時，電導率Y隨溫度變化的關(guān)系式可以寫B(tài)B-成：丫 = A e T + A e T。1 2 居里一外斯定律可表示為:二、問答題：（75分）1適合洛倫茲有效電場時，電介質(zhì)的介電系數(shù)和極化率有什么關(guān)系？寫出其溫度系數(shù)的關(guān)系 式。（10分） 1 1 TOC o 1-5 h z 電介質(zhì)的介電系數(shù)和極化率關(guān)系滿足克勞修斯方程= 幺 + 23r01 d（ + 2）（ 1）其介電系數(shù)的溫度系數(shù)的關(guān)系式：幺=罕=rr B HYPERL

29、INK l bookmark46 o Current Document dTLrr2什么叫電子位移極化？ （4分）試比較 Mg2+， Ca2+， Ba2+離子的電子位移極化率大小？（4分）怎樣獲得介電系數(shù)大的電介質(zhì)？（4分）在外電場作用下，電子云相對于原子核逆電場方向移動，電子云重心與原子核重心分離形成 感應(yīng)偶極矩。這種極化稱為電子位移極化。離子的電子位移極化率隨著離子半徑及價電子數(shù)的增加而增加。Mg2+Ca2+ Ba2+要提高電介質(zhì)的介電系數(shù)，可以從三個方面著手：提高單位體積內(nèi)極化粒子數(shù)N；選取 極化率大的粒子組成電介質(zhì)；增強作用于極化粒子的有效電場Ee。根據(jù)德拜理論，在溫度為已知函數(shù)的情況

30、下，、tan5與頻率的關(guān)系如何？且作圖。（10） P131 的圖 2-164什么是固體電介質(zhì)在空氣中的沿面放電？固體電介質(zhì)在空氣中的沿面放電有何特點和危 害？如何防止高壓、大功率的電子陶瓷器件在空氣中的沿面放電？（13分）固體電介質(zhì)表面電場不均勻（由于表面不均勻）導致局部表面空氣被擊穿，稱為沿面放電。 沿面放電的特點：沿面放電電壓低于氣體的放電電壓。沿面放電電壓與固體電介質(zhì)的表 面狀態(tài)有關(guān)，如吸潮、污染等。交流電壓下的沿面放電電壓比直流下的低。沿面放電電 壓與電極的布置、形狀有關(guān)。沿面放電的危害：導致器件表面產(chǎn)生火花，之后不能正常使用為了防止器件沿面放電，固體電介質(zhì)表面的清潔、干燥十分重要，對

31、特殊結(jié)構(gòu)的器件，有采 用灌封以保證電極清潔不吸潮的方法。為了提高器件的沿面放電電壓，還必須改變電極形狀， 使它圓滑，消除電場的集中，如用半球圓槽圍邊、加厚電介質(zhì)的邊沿、延長放電距離等，這 一類方法在電子陶瓷高壓器件中得到了廣泛應(yīng)用。5試用能帶理論解釋金屬、半導體、絕緣體的導電性質(zhì)。固體電介質(zhì)中產(chǎn)生導電電子的機構(gòu) 有哪些？ （10）上圖a表示電子全部充滿到某個能帶，而其上面的能帶則完全空著，沒有電子。填滿電子的 能帶稱為滿帶，完全沒有電子的能帶稱為空帶，具有這種能帶結(jié)構(gòu)的固體通常稱為絕緣體。 上圖b表示滿帶上面的能帶不是全部空著而是有一部分能級被電子填充，這樣的固體稱為導 體。圖c所示的能帶結(jié)構(gòu)

32、的固體也稱為導體，因為這時能帶結(jié)構(gòu)中最上面的能帶和其上面的 空帶部分重疊，沒有禁帶，當加上電場時，滿帶上部的電子便可向重疊的空帶移動從而產(chǎn)生 電流。有些固體在純凈的狀態(tài)下是半導體，它們能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，不過禁帶的寬度較窄，如 圖d所示，因而在滿帶中的部分電子，在某一溫度下，受熱運動的影響，能夠被激發(fā)而越過 禁帶，進入到上面的空帶中去而成為自由電子，產(chǎn)生導電性。固體電介質(zhì)中產(chǎn)生電子電導的三種機構(gòu)：（1）本征激發(fā)：從價帶躍遷到導帶，隨溫度呈指數(shù)增長關(guān)系，一般電介質(zhì)在常溫下其電導 率可忽略（2）隧道效應(yīng)：當電場較強時，電子則可能通過隧道效應(yīng)穿過勢壘后到達導帶或陽極而形 成電子電導。包括的隧道效應(yīng)

33、有：陰極一導帶，電介質(zhì)價帶一陽極，電介質(zhì)價帶一導帶，雜 質(zhì)能級一導帶。強電場作用下比較明顯。（3）雜質(zhì)電離：實際電子電導的主流6具有自發(fā)極化的鐵電晶體，其極化強度P與電場強度E之間呈非線性關(guān)系，構(gòu)成電滯回線， 畫出電滯回線圖；標出相關(guān)重要參數(shù)以及其位置。（10分）7什么是電疇？請描述BaTiO 3中180電疇的極化反轉(zhuǎn)過程，以及其主要特點。（10分） 鐵電體中自發(fā)極化并非整個晶體同方向，而是包含有各個不同方向的自發(fā)極化小區(qū)域。在每 一個小區(qū)域內(nèi)，極化均勻、方向相同，存在一固有電矩，這個小區(qū)域稱為電疇。鈦酸鋇中極化反轉(zhuǎn)分兩步進行，首先是新疇的成核，然后是核的向前線性生長。如果沿鈦酸 鋇晶體的自發(fā)

34、極化軸加上電場，實驗證明，與電場方向一致的180電疇并不是通過其疇壁 的側(cè)向移動，犧牲反向疇為代價進行擴張，而是在電疇內(nèi)部沿著試樣的邊緣，在靠近電極處 生長出許多極化方向與外電場方向一致的尖劈狀新疇。新疇成核以后，便在電場作用下向前 推進，穿透整個試樣。電場增強時，新疇不斷出現(xiàn)，不斷向前發(fā)展并波及整個反向疇，最終 這種反向電疇變成與外電場方向一致，并與相鄰的同向疇合并為一個體積更大的同向軸。 其主要特點：相鄰電疇的自發(fā)極化方向反平行三、綜合題：（25分）1已知聚苯乙烯的相對介電常數(shù) =2.5，線膨脹系數(shù)B =10-4/C，求金屬化聚苯乙烯薄膜電rl容器的電容溫度系數(shù)。（13分）2已知直徑為10

35、mm、厚度為1mm的介質(zhì)電容器，其電容為2000pf，損耗角正切為0.02。試 計算：電介質(zhì)的相對介電系數(shù)；（2分）損耗因子8 tan d （2分） 在交變電場的頻率為50Hz、50MHz時的交流電導；（4分） 外加10V、1KHz正弦電壓時的泄漏電流。（4分）846華南理工大學2008年攻讀碩士學位研究生入學考試試卷（請在答題紙上做答，試卷上做答無效，試后本卷必須與答題紙一同交回）科目名稱：電 介質(zhì)物理學適用專業(yè)：微電子學與固體電子學共3頁第1頁一、填充題：（50分）填寫下列定義和概念：（30分，每空2分）電介質(zhì)在外電場的作用下，將一部分電能轉(zhuǎn)變成熱能的物理過程，稱為電介質(zhì)的損耗。 若兩平行

36、板之間充滿均勻的電介質(zhì)，在外電場作用下，電介質(zhì)的內(nèi)部將感應(yīng)出偶極矩， 與外電場垂直的電介質(zhì)表面上出現(xiàn)與極板上電荷反號的極化電荷，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極 化。電介質(zhì)極化后，電介質(zhì)表面的極化電荷將削弱極板上的自由電荷所形成的電場，這種由 極化電荷產(chǎn)生的場強被稱為退極化電場。 在離子晶體中，除存在電子位移極化以外，在電場作用下，還會發(fā)生正、負離子沿相反 方向位移形成離子位移極化。 空間電荷極化是不均勻電介質(zhì)在電場作用下的一種主要的極化形式。極化的起因是電介 質(zhì)中的自由電荷載流子可以在缺陷和不同介質(zhì)的界面上積聚，形成空間電荷的局部積累，使 電介質(zhì)中的電荷分布不均勻，產(chǎn)生宏觀電矩。 熱離子松弛極化是由于

37、電介質(zhì)中某些弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點在電場作用下作定向遷移，使局 部離子過剩，結(jié)果在電介質(zhì)內(nèi)部建立起電荷的不對稱分布，形成電矩。依照導電載流子種類的不同，電介質(zhì)的電導可以分成以下幾種形式：離壬電導；電 子電導：電泳電導。在固體電介質(zhì)中，在強電場下以電子電導為主,在弱電場下以離子電 導為主：電泳電導出現(xiàn)在液體電介質(zhì)中。 根據(jù)碰撞電離理論，固體電介質(zhì)發(fā)生電擊穿的判斷依據(jù)是電子從電場獲得的能量速率大 于電子與晶格碰撞消耗的能量速率。寫出下列參數(shù)的定義式：（20分，每空2分） 庫侖定律用公式可表示為：F = 皀4兀 r 20 電位移D 電位移D與電場強度E之間的表達式為:D =8 E0 r 。假設(shè)單位體積電介

38、質(zhì)內(nèi)導電載流子的數(shù)目為N，每個載流子所帶電荷為q，載流子沿電場方向漂移的平均速度為V，則載流子的遷移率卩為: 氣體電介質(zhì)自持放電的條件為：丫 居里一外斯定律可表示為:C 氣體電介質(zhì)自持放電的條件為：丫 居里一外斯定律可表示為:C =r T - T0T =eu / kT松弛時間2v。當介質(zhì)中只有一種松弛極化時，松弛極化強度與時間的關(guān)系可近似地表示為: P Q= P （ e-t）。rrm8 + 2E = _r e 洛倫茲一洛倫斯方程為：e 3在離子晶體中，考慮本征電導和弱系離子電導時，電導率Y隨溫度變化的關(guān)系式可以寫 成：丫 = A e- T + A e- T。1 28“損耗角正切由下式定義：ta

39、n X歹二、問答題：（75分）什么叫電介質(zhì)的極化？電介質(zhì)極化有幾種形式？哪些是瞬間極化，哪些是緩慢式極化？ （10 分）若兩平行板之間充滿均勻的電介質(zhì)，在外電場作用下，電介質(zhì)的內(nèi)部將感應(yīng)出偶極矩，與外 電場垂直的電介質(zhì)表面上出現(xiàn)與極板上電荷反號的極化電荷，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。 電介質(zhì)極化的5種形式：電子位移極化、離子位移極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化、熱離子松弛極化、 空間電荷極化。在遠低于光頻的頻率范圍，電子位移極化和離子位移極化所建立的時間可以忽略不計，通常 把它們稱作快極化或瞬間極化。而熱離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化等，極化建立所需的時間相 對來說比較長，這一類極化稱作緩慢式極化或松弛極化。2什么叫空間電荷極化，它的起因是什么？給出雙層介質(zhì)中不發(fā)生空間電荷極化的條件。（12 分）空間電荷極化是不均勻電介質(zhì)在電場作用下的一種主要極化形式。極化的起因是電介質(zhì)中的 自由