《材料物理性能》课程教学课件（PPT讲稿）第七章 无机材料的介电性能 7.3 介电强度 7.4 铁电性 7.5 压电性

7.3介电强度

7.3 介电强度

7.3.1介质在电场中的破坏 介质的特性，如绝缘、介电能力，都是指在一定的电场强度范围内的材料的 特性，即介质只能在一定的电场强度以内保持这些性质。当电场强度超过某 一临界值时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏， 或叫介质的击穿。 介质的击穿：外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态 的现象称为击穿。 介电强度：相应的临界电场强度。 击穿 分为热击穿和电击穿

7.3.1 介质在电场中的破坏 介质的击穿：外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态 的现象称为击穿。 介电强度：相应的临界电场强度。 击穿 分为热击穿和电击穿 介质的特性，如绝缘、介电能力，都是指在一定的电场强度范围内的材料的 特性，即介质只能在一定的电场强度以内保持这些性质。当电场强度超过某 一临界值时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏， 或叫介质的击穿

7.3.2热击穿 热击穿的本质：处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；当外加电压足够高 时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状态，介质的温度将越来越高，直至出 现永久性破坏。 临界条件： Q1(EC.TC)=Q2(Tc) 为了简化，取两种极端情况： (1)稳态热击穿 电压长期作用，介质内温度变化极慢 (2)脉冲热击穿一一 电压作用时间很短，散热来不及进行

7.3.2 热击穿 热击穿的本质：处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；当外加电压足够高 时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状态，介质的温度将越来越高，直至出 现永久性破坏。 临界条件: 为了简化，取两种极端情况: (1)稳态热击穿——电压长期作用，介质内温度变化极慢 (2)脉冲热击穿——电压作用时间很短，散热来不及进行

只讨论稳态热击穿： dT d2T CvX -kx dt dx2 =σE2 温升 散热 发热 将J=σE代入上式化简，得： dTdT =0 du dx k·Jax 可求出热击穿电压U。(临界电压)

只讨论稳态热击穿: 温升 散热 发热 将J = σE²代入上式化简，得： 可求出热击穿电压Uc（临界电压）

1.温度不均匀的厚膜介质 8KTo2k 2 W Uoc≈ e2kT OoW 临界击穿电压可近似为： B U0c≈Ae2 >热击穿电压随环境温度升高而降低； >热击穿电压与介质厚度无关，因此介质厚度增大时，热击穿强度降低

1. 温度不均匀的厚膜介质 临界击穿电压可近似为: ➢ 热击穿电压随环境温度升高而降低； ➢ 热击穿电压与介质厚度无关，因此介质厚度增大时，热击穿强度降低

2.温度均匀的薄膜介质 dr 1/2 Uc- (:热传导系数：：为系数品) 随试样的厚度的平方根变化

2. 温度均匀的薄膜介质

7.3.3电击穿 固体介质电击穿实际上是碰撞电离理论： 在强电场作用下，固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子，这些电 子被加速，获得动能； 高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格； 上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导； 当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时，电子动能越来越大； 大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使电子数目迅速 增加，电导进入不稳定状态，发生击穿

7.3.3 电击穿 固体介质电击穿实际上是碰撞电离理论： 在强电场作用下，固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子，这些电 子被加速，获得动能； 高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格； 上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导； 当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时，电子动能越来越大； 大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使电子数目迅速 增加，电导进入不稳定状态，发生击穿

电击穿理论分为本征电击穿和“雪崩”电击穿理论。 1.本征电击穿理论 e2E2 电子从电场中获得能量： A= m* 用AE,W表示。 与晶格波相互作用时单位时间能量的损失用B=BT) 表示，平衡时： AE,W=B=B(To川 当电场上升到使平衡破坏时，碰撞电离过程立即发生

电击穿理论分为本征电击穿和“雪崩”电击穿理论。 1.本征电击穿理论 电子从电场中获得能量： 用A(E,u)表示。 与晶格波相互作用时单位时间能量的损失用 B=B(T0 ,u) 表示，平衡时: A(E,u) = B=B(T0 ,u) 当电场上升到使平衡破坏时，碰撞电离过程立即发生

2.“雪崩”电击穿理论 材料掺杂浓度较低时，随着电压增加，空间电荷区中的电场增强。这样通 过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下，获得更大能量。在晶体中 运行的电子和空穴将不断地与晶体原子发生碰撞，通过这样的碰撞可使束缚 在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子-空穴对。 新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子，又产生新的自由电子和空 穴对。如此连锁反应，使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加，流过晶体 的电流就急剧增大，撞击晶格而破坏，这种碰撞电离导致的击穿被称为“雪崩” 击穿，也称为电子雪崩现象

2.“雪崩”电击穿理论 材料掺杂浓度较低时，随着电压增加，空间电荷区中的电场增强。这样通 过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下，获得更大能量。在晶体中 运行的电子和空穴将不断地与晶体原子发生碰撞，通过这样的碰撞可使束缚 在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子-空穴对。 新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子，又产生新的自由电子和空 穴对。如此连锁反应，使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加，流过晶体 的电流就急剧增大，撞击晶格而破坏，这种碰撞电离导致的击穿被称为“雪崩” 击穿，也称为电子雪崩现象

7.4铁电性

7.4 铁电性