材料的介電性能

材料的介電性能第1頁(yè)/共47頁(yè)熱擊穿電擊穿局部放電擊穿

6.3電介質(zhì)在電場(chǎng)的破壞第2頁(yè)/共47頁(yè)當(dāng)固體電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，由電導(dǎo)和介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量超過(guò)試樣通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射所能散發(fā)的熱量時(shí)，試樣中的熱平衡就被破壞，試樣溫度不斷上升，最終造成介質(zhì)永久性的熱破壞，這就是熱擊穿。

6.3.1熱擊穿機(jī)制對(duì)面積為A、厚度為d的試樣施加直流電壓V，且介質(zhì)只有漏導(dǎo)電流產(chǎn)生的熱量。第3頁(yè)/共47頁(yè)第4頁(yè)/共47頁(yè)使試樣本身溫度升高通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流向周圍散發(fā)熱量第5頁(yè)/共47頁(yè)不是瞬時(shí)完成的，要有熱量聚集的過(guò)程；

非本征的，不僅與介質(zhì)物性有關(guān)，還與器件幾何形狀、絕緣結(jié)構(gòu)、散熱條件、電壓種類和媒質(zhì)溫度等因素有關(guān)。

特征第6頁(yè)/共47頁(yè)固體電介質(zhì)的熱擊穿判據(jù)當(dāng)發(fā)熱曲線W1與散熱直線W2相切時(shí)，切點(diǎn)C應(yīng)滿足以下條件第7頁(yè)/共47頁(yè)當(dāng)電子從電場(chǎng)中得到的能量大于傳導(dǎo)給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能就越來(lái)越大，至電子能量大到一定值時(shí)，電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿發(fā)生。從理論上可分為

本征電擊穿理論

“雪崩”電擊穿理論

6.3.2電擊穿機(jī)制第8頁(yè)/共47頁(yè)1.本征電擊穿理論電子加速運(yùn)動(dòng)(動(dòng)能)與晶格振動(dòng)的相互作用，把能量傳遞給晶格。當(dāng)其處于平衡時(shí)，介質(zhì)中有穩(wěn)定的電導(dǎo)，若電子能量大到一定值而破壞平衡，電導(dǎo)由穩(wěn)定態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)定態(tài)。

A表示單位時(shí)間內(nèi)從電場(chǎng)獲得的能量

E—電場(chǎng)強(qiáng)度；—松弛時(shí)間

(與電子能量U有關(guān))

B表示電子與晶格振動(dòng)相互作用時(shí)單位時(shí)間內(nèi)能量的損失，晶格振動(dòng)與溫度有關(guān)平衡時(shí)，A(E,U)=B(T0,U)當(dāng)E上升到使平衡破壞時(shí)，碰撞電離過(guò)程便立即發(fā)生晶格溫度

引起非穩(wěn)態(tài)的起始強(qiáng)度定義為電擊穿強(qiáng)度。

（電子平均自由行程時(shí)間）第9頁(yè)/共47頁(yè)特征發(fā)生在室溫或室溫以下發(fā)生的時(shí)間間隔很短，在微秒或微秒以下與樣品或電極幾何形狀無(wú)關(guān)，或者與所加電場(chǎng)的波形無(wú)關(guān)僅與材料有關(guān)與介質(zhì)中的自由電子有關(guān)（來(lái)源為雜質(zhì)或缺陷能級(jí)、價(jià)帶）第10頁(yè)/共47頁(yè)本征擊穿理論可歸結(jié)為基本上處理電子與晶格間能量的傳遞，并且考慮材料中電子能量的分布變化。第11頁(yè)/共47頁(yè)參與能量傳遞作用的因素偶極場(chǎng)中的晶格振動(dòng)與偶極場(chǎng)晶格振動(dòng)共有的電子殼層變形非偶極場(chǎng)短程電子軌道畸變第12頁(yè)/共47頁(yè)本征擊穿理論所相關(guān)的電子能量分布變化的因素電場(chǎng)對(duì)電子的加速作用傳導(dǎo)電子間的碰撞傳導(dǎo)電子與晶格的相互碰撞電子的電離、再?gòu)?fù)合和捕獲電場(chǎng)梯度形成的擴(kuò)散第13頁(yè)/共47頁(yè)本征擊穿機(jī)制模型單電子近似模型僅適用于材料本征擊穿低溫區(qū)集合電子近似模型第14頁(yè)/共47頁(yè)2.雪崩式電擊穿機(jī)制把本征電擊穿機(jī)制和熱擊穿機(jī)制結(jié)合起來(lái)電荷是逐漸或者相繼積聚，而不是電導(dǎo)率的突然改變，盡管電荷集聚在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生最初機(jī)制是場(chǎng)發(fā)射或離子碰撞第15頁(yè)/共47頁(yè)以碰撞電離后自由電子數(shù)倍增到一定值作為電擊穿判據(jù)。

“四十代理論”：當(dāng)介質(zhì)很薄時(shí)，碰撞電離不足以發(fā)展到40代，電子雪崩系列已進(jìn)入陽(yáng)極復(fù)合，此時(shí)介質(zhì)不能擊穿。因此便定性解釋了薄層介質(zhì)具有較高擊穿電場(chǎng)的原因。通過(guò)估算：由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，1cm內(nèi)的電離次數(shù)達(dá)到40次，介質(zhì)便擊穿。第16頁(yè)/共47頁(yè)雪崩電擊穿和本征電擊穿一般難于區(qū)分在理論上它們的關(guān)系十分明顯本征電擊穿理論中增加傳導(dǎo)電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生而雪崩擊穿是考慮高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，傳導(dǎo)電子倍增過(guò)程逐漸達(dá)到難以忍受的程度，導(dǎo)致介質(zhì)晶格破壞。第17頁(yè)/共47頁(yè)局部放電就是在電常作用下，在電介質(zhì)區(qū)域中所發(fā)生放電現(xiàn)象，沒(méi)有電極之間形成貫穿的通道，整個(gè)試樣并沒(méi)有擊穿局部放電是脈沖性的，其過(guò)程與電暈放電相同。局部放電將導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿與老化。6.3.3局部放電擊穿第18頁(yè)/共47頁(yè)擊穿的隨機(jī)性傳統(tǒng)的擊穿模型屬于純確定論，是建立在超過(guò)某一臨界電場(chǎng)時(shí)，因一連串因果效應(yīng)使系統(tǒng)不再能維持能量平衡從而發(fā)生擊穿的基礎(chǔ)之上的。由于高聚物的能帶理論、電荷注入、電子激發(fā)及輸運(yùn)過(guò)程的深入研究與發(fā)展，以及非線性科學(xué)中分形及混沌的廣泛應(yīng)用，促使電擊穿從確定論邁向破壞過(guò)程的隨機(jī)論的根本性變化。擊穿也包括最終導(dǎo)致?lián)舸┑睦匣^(guò)程。老化本身是一種空間分布的、隨時(shí)間不斷發(fā)展且累積的損傷過(guò)程。第19頁(yè)/共47頁(yè)1920年法國(guó)人Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽具有特異的介電性，其極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的變化為以下形狀，稱為電滯回線，把具有這種性質(zhì)的晶體稱為鐵電體6.4鐵電性6.4.1鐵電體與電疇1.電滯回線和鐵電體第20頁(yè)/共47頁(yè)電滯回線鐵電體典型的極化曲線(極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系)—重要標(biāo)志

OAB表示對(duì)未極化樣品施加電場(chǎng)E，隨E，極化強(qiáng)度不斷增加，達(dá)到B點(diǎn)，極化強(qiáng)度飽和，再繼續(xù)增加E，極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)線性增加。BC線外推至電場(chǎng)為0，則與縱坐標(biāo)軸相交于PS點(diǎn)。PS—自發(fā)極化強(qiáng)度。達(dá)到飽和后再減小電場(chǎng)，極化強(qiáng)度并不是沿原始的極化曲線下降，而是沿圖中CBD變化，在D點(diǎn)電場(chǎng)為0，但極化強(qiáng)度并沒(méi)有消失，Pr—剩余極化強(qiáng)度(RemnantPolarization)。只有當(dāng)電場(chǎng)沿相反方向增加到-Ec時(shí)，極化才變?yōu)?，Ec被稱之為矯頑場(chǎng)(CoerciveField)。繼續(xù)增加反向電場(chǎng)可使極化強(qiáng)度達(dá)到反向飽和，再增加到正向飽和。極化強(qiáng)度將完成圖示的回線，稱之為電滯回線。第21頁(yè)/共47頁(yè)鐵電體具有自發(fā)極化的特性，而且這種自發(fā)極化的電偶極矩在外電場(chǎng)作用下可以改變其取向，甚至反轉(zhuǎn)。在同一外電場(chǎng)作用下，極化強(qiáng)度可以有雙值，表現(xiàn)為電場(chǎng)E的雙值函數(shù)，這正是鐵電體的重要物理特性鐵電體有電滯回線的原因：電疇。居里溫度TC或稱居里點(diǎn)TC第22頁(yè)/共47頁(yè)鐵電體整體上呈現(xiàn)自發(fā)極化，其結(jié)果是晶體正、負(fù)端分別有一層正、負(fù)束縛電荷。束縛電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)-退極化場(chǎng)與極化方向反向，是靜電能升高。在受機(jī)械束縛時(shí)，伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還將使應(yīng)變能增加所以整體均勻極化的狀態(tài)不穩(wěn)定，晶體趨向于分成多個(gè)小區(qū)域。每個(gè)區(qū)域內(nèi)部電偶極子沿同一個(gè)方向，但不同小區(qū)域的電偶極子不同，這每個(gè)小區(qū)域稱為電疇。180°疇壁（較?。?0°疇壁（較厚）2.電畤轉(zhuǎn)向第23頁(yè)/共47頁(yè)第24頁(yè)/共47頁(yè)鐵電畤在外電場(chǎng)作用下，總是趨向與外電場(chǎng)方向一致，稱之為畤轉(zhuǎn)向。電畤運(yùn)動(dòng)是通過(guò)新畤出現(xiàn)，發(fā)展和畤壁移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電滯回線是鐵電體的鐵電畤在外電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的宏觀描述。第25頁(yè)/共47頁(yè)

6.4.2鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機(jī)理及電疇的形成1.鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機(jī)理從非鐵電相到鐵電相的過(guò)渡總是伴隨著晶格結(jié)構(gòu)的改變，晶體從立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，晶體的對(duì)稱性降低，提出離子位移理論，認(rèn)為自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置造成。由于離子偏離了平衡位置，使得單位晶胞中出現(xiàn)了電矩，電矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置穩(wěn)定下來(lái)，與此同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。第26頁(yè)/共47頁(yè)第27頁(yè)/共47頁(yè)

軟模理論：

在一定情況下，晶體結(jié)構(gòu)的鐵電相變是布里淵區(qū)中心的橫向光學(xué)晶格振動(dòng)的”柔軟化”結(jié)果。柔軟化：聲子橫光學(xué)振動(dòng)頻率接近于零。

第28頁(yè)/共47頁(yè)Ti4+在氧八面體中心有位移的余地，在較高溫度時(shí)(>120℃)由于離子熱振動(dòng)能比較大，Ti4+不可能在偏離中心的某一位置固定下來(lái)，它接近周圍6個(gè)氧離子的機(jī)率是相等的，所以晶體結(jié)構(gòu)仍保持較高的對(duì)稱性，晶胞內(nèi)不產(chǎn)生電矩，即自發(fā)極化為0。當(dāng)溫度降低(<120℃)時(shí)，Ti4+平均熱振動(dòng)能降低，Ti4+不足以克服Ti4+和O2-間的電場(chǎng)作用，就有可能向某一個(gè)O2-靠近，在此新的平衡位置上固定下來(lái)，發(fā)生自發(fā)位移，并使此O2-出現(xiàn)很強(qiáng)的電子位移極化。結(jié)果使晶體順此方向延長(zhǎng)，晶胞發(fā)生輕微畸變

，從立方四方結(jié)構(gòu)，。

Ti4+—氧八面體中心

>120℃，立方結(jié)構(gòu)

a＝4.01O2-－O2-間隙：

第29頁(yè)/共47頁(yè)2.電畤形成電畤的形成及其運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理是復(fù)雜的第30頁(yè)/共47頁(yè)6.4.3鐵電體的臨界性質(zhì)1.環(huán)境因素對(duì)鐵電體性質(zhì)的影響（1）外部條件（電場(chǎng)，應(yīng)力。溫度，壓力）的變化，可以引起鐵電體極化強(qiáng)度PS的變化第31頁(yè)/共47頁(yè)（2）鐵電體相變按自由能變化來(lái)分，可分為兩類。即：一級(jí)相變二級(jí)相變第32頁(yè)/共47頁(yè)一級(jí)相變二級(jí)相變?cè)谙嘧凕c(diǎn)上，PS突變到零；鐵電相與非鐵電相共存；相變伴隨著潛熱和熱滯現(xiàn)象。如BT等。在相變點(diǎn)上，PS連續(xù)地下降至零；相變沒(méi)有潛熱和熱滯現(xiàn)象。如KDP等。TTCPSTTCPS第33頁(yè)/共47頁(yè)第34頁(yè)/共47頁(yè)鐵電體居里溫度是由材料成分決定，不同元素在同一鐵電體中對(duì)的TC影響不同的。晶粒的大小也影響鐵電體的行為。一般情況下晶粒越大，其起壓電性值就越高。2.成分，晶粒大小，尺寸因素的影響第35頁(yè)/共47頁(yè)3.反鐵電-鐵電相變反鐵電晶體含有反平行排列的偶極子。反鐵電相的偶極子結(jié)構(gòu)很接近鐵電相的結(jié)構(gòu)，能量上的差別很小，因此，只要在成分上稍有改變，或者加強(qiáng)的外電場(chǎng)或者是壓力則反鐵相就轉(zhuǎn)變?yōu)殍F相結(jié)構(gòu)。第36頁(yè)/共47頁(yè)某些晶體材料按所施加的機(jī)械力成比例地產(chǎn)生電荷的特性。

6.5壓電性和熱釋電性6.5.1壓電性壓電性1.正壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)和壓電常數(shù)當(dāng)晶體受到機(jī)械力作用時(shí)，一定方向的表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與所加的應(yīng)力的大小成線性關(guān)系。這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程，稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體在外電場(chǎng)激勵(lì)下，晶體的某些方向上產(chǎn)生形變，而且應(yīng)變大小與所加電場(chǎng)在一定范圍內(nèi)有線性關(guān)系，這種由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過(guò)程稱為逆壓電效應(yīng)。

第37頁(yè)/共47頁(yè)在正壓電效應(yīng)中，電荷與應(yīng)力成比列，即

在逆壓電效應(yīng)中，應(yīng)變S與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，即

d──壓電常數(shù)(C/N)D──電位移(C/m2)T──應(yīng)力(N/m2)d──(V/m)S──應(yīng)變(m/m)E──電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)比例常數(shù)d數(shù)值相同

第38頁(yè)/共47頁(yè)2.壓電性產(chǎn)生原因晶體壓電效應(yīng)的本質(zhì)是因?yàn)闄C(jī)械作用引起晶體介質(zhì)的極化從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。第39頁(yè)/共47頁(yè)第40頁(yè)/共47頁(yè)3.壓電振子及其參數(shù)壓電振子最基本元件，是被覆激勵(lì)電極的壓電體壓電振子參數(shù)①諧振頻率與反諧振頻率第41頁(yè)/共47頁(yè)②機(jī)械品質(zhì)因數(shù)③頻率常數(shù)④機(jī)電耦合系數(shù)第42頁(yè)/共47頁(yè)4.壓電陶瓷的預(yù)極化極化條件極化在壓電陶瓷上加一個(gè)強(qiáng)直流電場(chǎng)，使陶瓷中的電畤沿電場(chǎng)方向取向排列。

①極化電場(chǎng)

②極化溫度

③極化時(shí)間

第43頁(yè)/共47頁(yè)6.5.2熱釋電性1.熱釋電性現(xiàn)象在電化石熱釋電實(shí)驗(yàn)中，由于加熱，溫度變化，使自發(fā)極改變，屏蔽電荷失去平衡。因此，晶體一端的正電荷吸引硫磺粉顯黃色，另一端吸引鉛丹粉顯紅色。由于溫度變化而使極化改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，其本質(zhì)稱為熱釋電性。2.熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的條件具有熱釋電效應(yīng)的晶體一定具有自發(fā)