第六章 电介质物理
本章就有关电介质的基本理论和基本实验研究,
着重介绍如下内容：电介质的极化响应；电介
质中的电荷转移，电介质的电导、损耗及击穿
特性；复介电常数和介电谱的实验研究，以进
一步了解电介质的最基本的物理性质 —— 介电
性，以及进而了解电介质的分子结构和极化机
理。
本章提要
第六章 电介质物理
6.1概述
6.2静电场中的电介质行为
6.3变动电场中电介质行为及介质损耗
6.4极化弛豫
6.5动态介电系数
6.6固体电介质的电导与击穿
6.7复介电常数和介电谱的实验研究
2个学时
2个学时
2个学时
2个学时
6.6.1固体电介质的电导
6.6.2 固体电介质的击穿
1,概述
2,离子电导
3,电子电导
4,表面电导
1,概述
2、电击穿
3、热击穿
4、局部放电击穿
5、其它击穿机制
6.6固体电介质的电导与击穿
1,概述
同体电介质的漏导电流
I包含了两个组成部分：
流过电介质体内的电流
Iv和沿着电介质表面流
动的电流 Is，并有
I=Iv+Is
在一定的电压范围内，电介质的漏导电流
与所加的电压成正比，符合欧姆定律
设电介质在垂直于电流流动方向的截面
积,电极间的距离, 则其体
积电导 和体积电阻 为
? ?2mA ? ?md
? ?sGv ? ??vR
dApdAG vvv ???? vR,?
dARAdG vvv ???? vp,?
vvvv pRG 1 1 ?? ?
并且有
在恒定电压的作用下，流过固体电介质的电流
是时间的函数。在一般情况下，有以下几种
电流需要考虑,
① 介质极化的快速响应部分引起的充电电流
② 介质极化的缓慢响应部分引起的充电电流
③ 吸收电流
④ 不随时间而变的漏导电流
要获得电介质导电过程的真实情况，需要
排除前三种电流的影响。这意味着需要长
时间的把电压加在试样上，直到流过的电
流不随时间改变为止。
在工程应用中，常常取加电压后 1min时的
电流作为计算材料电导率或电阻率的依据，
当然这只能起一个相对比较的作用。
当需要仔细考察材料中的空间电荷和深能
级陷阱电荷时，必须取得真实的漏导电流
值以作为研究的依据。
电导的分类（按载流子）
① 离子电导或电解电导
② 离化分子电导或电泳电导
③ 电子电导
2,离子电导 返回
固体电介质中离子电导的直接实验证据是利
用法拉弟电解实验给出的，把被考察的试样
放在两个电极之间，长时间地加上直流电压
并记录其流过的电量。
根据流过的电量以及电极和试样在通电前后
的重量变化就可以得出传导离子及其数量的
结果。
法拉弟电解实验
在 AgCl中，电导主要是由 Ag+正离子提供的
2,离子电导
（ 1）离子电导的载流子
① 本征缺陷载流子
② 杂质缺陷载流子
③ 质子
返回
① 本征缺陷载流子
离子晶体中，束缚在晶格结点上的正、负离
子在一般情况下是不能参与导电的。只有少
量因热缺陷而产生的，脱离格点的填隙离子
及空格点的正负离子才能够在电场的作用下
作定向运动，参与导电过程。它们就是本征
缺陷载流子。离子晶体中的热缺陷主要有肖
特基（ Shottky）缺陷和弗兰克尔（ Frenkel）
缺陷两种。
要比晶体的结合能低得多，但仍然相当
高。因此，在室温下，由于热激活而产
生的肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷浓度非
常低，对材料电导的影响并不大。只有
当晶体非常纯净，温度非常高时，热缺
陷材料电导的影响才逐渐显示出来。例
如对于 Nacl晶体，一对离子的结合能约
为 8eV，而肖特基缺陷的激活能为 2eV左
右。
T=1000k 1110 ??Nn
s
② 杂质缺陷载流子
实际电介质材料中总是不可避免的存在着
杂质的。有时候，为了改进材料的某些性
质还有意地添加各种类型的杂质，称为掺
杂改性。
杂质离子在晶格中产生点缺陷，破坏了晶格
内部势场分布，从而使得晶格中的载流子易
于在电场的作用下运动，增大电介质的电导。
异价杂质离子还将在晶体中产生新的载流子，
使材料的电导大幅度地上升。
异价离子本身或由其形成的空格点或填隙
离子则不同，它们本身的电荷量偏离了保
持晶格电中性所要求的荷电量，因而使得
晶格的局部区域荷电。
至于填隙离子，则在填隙位置上额外地引
入了填隙离子所带的电量，其等效荷电量
就等于离子的电价。
由异价杂质形成的这些点缺陷以其等效荷电
量在电场作用下定向漂移，从而对材料的电
导作出贡献。
当晶体中的点缺陷浓度较高时，一部分带
有异号电荷的点缺陷之间，或者与电子、
空穴之间可能通过静电库仑相互作用缔合
在一起形成复合缺陷。
复合缺陷本身在晶体中的迁移率相当低，
它们对电导的贡献常常可以略去。但是，
复合缺陷在热离解后对于材料的电导有
贡献，因此影响材料电导率随温度的变
化。
/
aa NN VCa ?
? ? ???
isi NaAl
'
晶体中杂质缺陷载流子的数量主要取决于材
料的化学纯度以及掺杂量，与温度无关。
对于许多实际材料，自然引入的杂质含量通
常是以基质原子数的 10-6(ppm)计。对于经特
殊纯化的物体，杂质含量则以 10-9 (ppb)计。
高纯物体的杂质载流子数仍然远离于环境温
度下的热缺陷本征载流子。因此物体在室温
的离子电导主要取决于杂质含量。
③ 质子
质子是含有氢键物体中所特有的一种载流
子。在特殊情况下，质子可以在玻璃、聚
合物等无定形物体中传导电流。
质子电导与物体所吸附的水分有很大关系，
并且对物体的表面电导影响很大。
许多聚合物在 98%相对湿度下，保持 15-
20天后，材料的表面电导和体积电导可能
增大 2~15个数量级。
（ 2）导电离子的迁移率
某一种载流子的迁移率是单位电场作用下，
该类载流子在电场方向的平均迁移速率。
各种离子型载流子在电场作用下的运动是
一种在热激活下越过势垒的定向漂移。
KTu seuu ??
0
0
2
0 vkT
q
u
?
?
其中 为载流子的活化能，即限制载流子
跃迁的势垒高度,q为载流子的等效电荷,
为载流子跃迁时平均步长,为载流子在势
阱中的局域振动频率
su
?
0v
在固体中，离子型载流子的迁移率,
碱卤晶体中的活化能（ eV）
活化能类型
晶体
NaCl KCl KBr
正离子的晶格结合能 4.62 4.47 4.23
负离子的晶格结合能 5.18 4.79 4.60
正、负离子对的晶要和结合能 7.94 7.18 6.91
正离子扩散活化能 0.51 — —
负离子扩散活化能 0.56 — —
填隙离子扩散活化能 2.9 — —
正、负离子空格点的结合能 0.89 0.66 0.85
正、负离子空格点的扩散活化
能 0.38 0.44 —
3,电子电导
电介质可以看成是一种宽禁带的半导体，
禁带宽度大于 3~5eV。
电介质的电子电导主要是由杂质本身以
及由杂质形成的各种缺陷，特别是俘获了
电子或空穴的各种复合缺陷在电场作用下
发生电离造成的。此外，由外部电极注入
材料内部的电子所产生的影响也是不可忽
视的。
返回
（ 1）电子电导的载流子
① 本征载流子
② 非本征载流子
在典型的电介质中，本征电子电导并不重要
③ 注入载流子
肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注
入机制
电介质中参与电流传导的可动电子和空穴
主要是由杂质引入的
② 非本征载流子
杂质对于材料电子结构的影响取决于基质和
杂质本身的电子结构。对于金属氧化物来说，
如果基质和杂质本身的禁带都很宽，而且杂
质并没有在晶格中产生点缺陷（相当于等价
代换），那么掺杂不会使材料的电子结构发
生明显的改变。反之，如果基质或者杂质是
禁带比较窄、能带结构复杂的过渡金属氧化
物，不仅要考虑到材料本身的能带结构，而
且还要考虑到杂质引起的晶格点缺陷的情况。
③ 注入载流子
肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注
入机制
213
4 ???
?
???
????
???
Ee
当电场较弱时，金属电极中的自由电子可
以通过隧道效应穿过金属 -电介质界面处的
势垒，直接注入到电介质中
当 xm非常小，以致与电子相关的德布罗意
波的波长相当时，电子便能通过隧道效应
穿过高势垒注入到电介质中。在高电场下，
由隧道注入提供的可动电子是电介质电子
电导不容忽视的一个重要组成部分。
（ 2）电子的迁移率
可动电子与空穴，在电介质内部参与电
流传导过程时，可以分成两种运动类型,
漂移运动（ Drift movement）和跳跃运
动（ Hop-ping movement）。
*m
e
e
?? ?
漂移电子的迁移率
在电介质中，可动电子将使其周围的媒质发
生极化，并使其周围的晶格发生局部畸变
这种电子连同被它所极化了的周围媒质称为
极化子，简称极子 (Poalron)
如果晶格的极化范围仅限于一个晶格常数，那
么这种极子就称为小极子。而如果极化区域扩
展到几个晶和常数的区域，则称为大极子。在
许多电介质中，小极子对电流传导的作用是最
重要的。
极化子相当于有效质量很高的电子在金属中的
漂移速度。
如果电介质中的可动电子被束缚在施主
电离中心上，这种可动电子就不一定要
进入导带通过漂移运动参与电流传导过
程，电子可以在邻近的施主电离中心之
间通过跳跃运动参与电流传导。
kT
e
ae /
0
??? ??
0
2
0 vkT
e ?
? ?
其中 为限制局域电子跃迁的势垒高度,
为两个施主电离中心之间的平均距离,为电
子在电离中心内的局域振动频率。
e? ?
0v
跳跃电导过程与离子型载流子在电场作用下
的迁移非常相似。
（ 3）电子电导
这主要是因为参与传导的载流电子（空穴）
是从各种类型的电离中心上通过热激活过程
产生的
电介质材料的电子电导要比离子电导复杂得
多。大部分电介质的电子电导的温度关系也
像离子电导一样遵循指数关系
kT
u
eAr
0
0
?
?
电子电导的另一个重要特点是 电流传导的非线
性关系 。大部分电介质的离子电导是线性的，传
导电流正经于所加的电压，符合欧姆定律。但是
对电子电导而言，由于普尔 -弗兰克尔效应和肖
特基效应，在不十分高的电场下，参与电流传导
的载流电子数与所加的电场有关。这就使得电流
随电压的增加比欧姆定律所预期的来得快。这时
电导率 r是电场的函数，并且电场越高,r越大。
在很强的电场下，隧道注入开始起作用。在强电
场下，电介质内部还可能会发生中性分子的电离。
这就使得电流随着电压很快上升，以致丧失绝缘
能力。
4,表面电导 返回
电介质的表面电导是与电介质的实际应用
密切联系在一起的。电介质的体积电导在
很大程度上反映了材料本身的特征。电介
质的表面电导则不仅与介质材料本身的性
质有关，而且在更大程度上取决于材料表
面的湿润、氧化和沾污状态。
在固体电介质的情况下，表面电导
与平行电极间的距 a成反比，与平行电极的
长度 b成正比，则
b
aR
a
brG
ssss ???,
? ?SGs
其中 是表面电导率
sr
? ??s?
材料 湿润 角 莫氏硬度 相对湿
度 0%
相对湿度
98%
聚四氟乙
烯 113° 1-2 5× 1017 5× 1017
聚苯乙烯 98° 2 5× 1017 5× 1016
有机玻璃 73° 2-3 5× 1016 1.5× 1016
精细陶瓷 50° 4-5 1× 1016 1× 1013
熔融石英 27° 7 1× 1017 6.5× 1010
二,固体电介质的击穿
1,概述
固体电介质的击穿就是在电场作用下
伴随着热、化学、力等等的作用而丧失
其绝缘性能的现象
返回
固体电介质击穿的特点
一是固体介质的击穿强度比气体和液体介质高
二是固体通常总是在气体或液体环境媒质中
边缘效应
三是固体仙质的击穿一般是破坏性的，
击穿后在试样中留下贯穿的孔道、裂纹
等不可恢复的伤痕
对固体进行击穿试验时，击穿
往往发生在击穿强度比较低的
气体或液体环境媒质中
2、电击穿
当固体电介质承受的电压超过一定的数
值 VB时，就使其中相当大的电流通过，
使介质丧失绝缘性能，这个过程就是 电
击穿
返回
EB=VB/d
击穿场强
EB被认为是介质承受电场作用能力的
一种量度，是材料介电特性之一。
碰撞电离理论
在碰撞电离理论中，碰撞机制一般应考虑
电子和声子的碰撞，同时也应该计及杂质
和缺陷对自由电子的散射。若外加电场足
够高，当自由电子在电场中获得的能量超
过失去的能量时，自由电子便可在每次碰
撞后积累起能量，最后发生电击穿。
雪崩理论
雪崩理论是在电场足够高时，自由电子从
电场中获得的能量在每次碰撞后都能产生
一个自由电子。因此往 n次碰撞后就有 2n
个自由电子，形成雪崩或倍增效应。这些
电子一方面向阳极迁移，一方面扩散，因
而形成一个圆柱形空间，当雪崩或倍增效
应贯穿两电极时，则出现击穿。
隧道击穿
当外电场足够高时，由于量子力学的隧道
效应，禁带电子就可能进入导带。在强场
作用下，自由电子被加速，引起电子碰撞
电离。这种电子雪崩过程同样引起很大的
电流，但这并不导致晶体的破坏。导致晶
体击穿的原因是由于隧道电流的增加，晶
体局部温度提高，致使晶体局部熔融而破
坏。这个机理首先由齐纳提出的，因此称
为齐纳击穿
一些因素对固体电介质击穿场强的影响
① 固体介质的击穿场强往往取决于材料的均匀性；
②大部分材料在交变电场下的击穿场强低于直流下
的击穿场强。在高频下由于局部放电的加剧，使得
击穿场强下降得更历害，并且材料的介电常数越大，
击穿场强下降得越多；③无机电介质在高频下的击
穿往往具有热的特征，发生纯粹电击穿的情况并不
多见；④在室温附近，高分子电介的击穿场强往往
比陶瓷等无机材料要大，并且极大性高聚物的击穿
场强常常要比非极性的大；⑤在软化温度附近，热
塑性高聚物的击穿场强急剧下降
3、热击穿
当固体电介质在电场作用下，由电导和
介质损耗的产生的热量超过试样通过传
导、对流和辐射所能散发的热量时，试
样中的热平衡就被破坏，试样温度不断
上升，最终造成介质永久性的热破坏，
这就是 热击穿
返回
图 6.13在电压作用下固体电介质的发热与散热曲线
固体电介质的热击穿判据
当发热曲线 W1与散热直线 W2相切时，切点
C应满足以下条件,
TmT
t
W
TmT
t
W
TmTTWtmtTVW
???
???
2
2
2
2
)(),(
21
21
4、局部放电击穿
局部放电就是在电场作用下，在电介质局部
区域中所发生的放电现象，这种放电没有电
极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有被
击穿
局部放电是脉冲性的，其过程与电晕放电相
同。放电结果产生大量的正、负离子，形成
空间电荷，建立反电场，使气隙中的总电场
下降，放电熄灭
局部放电将导致介质的击穿和老化
返回
5、其它击穿机制
（ 1）树枝化击穿
（ 2）电一机构击穿
（ 3）沿面放电 沿固体电介质表面发生的气体
击穿现象
树枝化是指在电场作用下，在固体电介质
中形成的一种树枝装气化痕迹，树枝是指
介质中直径以数微米的充满气体的微细管
子组成的通道
返回
图 6.14树枝化击穿
（ 2）电一机械击穿
平板固体介质电容器加压后，两极板上即充上
异性电荷，极间电场为 E。两电极上异性电荷
的相互作用，造成两极间存在相互吸引。这个
引力就使极间的介质受到挤压而发生变形。由
于高聚物弹性模量小（比陶瓷材料等小两个数
量级左右），容易变形，挤压的作用使聚合物
的厚度减小。如温度有所增加，使材料场氏模
量下降，从而试样的厚度更显著地减小，这就
使电场电压不变情况下，进一步升高，最终导
致击穿，常称为电一机械击穿。
（ 3）沿面放电
沿固体电介质表面发生的气体击穿现象
本章就有关电介质的基本理论和基本实验研究,
着重介绍如下内容：电介质的极化响应；电介
质中的电荷转移，电介质的电导、损耗及击穿
特性；复介电常数和介电谱的实验研究，以进
一步了解电介质的最基本的物理性质 —— 介电
性，以及进而了解电介质的分子结构和极化机
理。
本章提要
第六章 电介质物理
6.1概述
6.2静电场中的电介质行为
6.3变动电场中电介质行为及介质损耗
6.4极化弛豫
6.5动态介电系数
6.6固体电介质的电导与击穿
6.7复介电常数和介电谱的实验研究
2个学时
2个学时
2个学时
2个学时
6.6.1固体电介质的电导
6.6.2 固体电介质的击穿
1,概述
2,离子电导
3,电子电导
4,表面电导
1,概述
2、电击穿
3、热击穿
4、局部放电击穿
5、其它击穿机制
6.6固体电介质的电导与击穿
1,概述
同体电介质的漏导电流
I包含了两个组成部分：
流过电介质体内的电流
Iv和沿着电介质表面流
动的电流 Is，并有
I=Iv+Is
在一定的电压范围内，电介质的漏导电流
与所加的电压成正比，符合欧姆定律
设电介质在垂直于电流流动方向的截面
积,电极间的距离, 则其体
积电导 和体积电阻 为
? ?2mA ? ?md
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dApdAG vvv ???? vR,?
dARAdG vvv ???? vp,?
vvvv pRG 1 1 ?? ?
并且有
在恒定电压的作用下，流过固体电介质的电流
是时间的函数。在一般情况下，有以下几种
电流需要考虑,
① 介质极化的快速响应部分引起的充电电流
② 介质极化的缓慢响应部分引起的充电电流
③ 吸收电流
④ 不随时间而变的漏导电流
要获得电介质导电过程的真实情况，需要
排除前三种电流的影响。这意味着需要长
时间的把电压加在试样上，直到流过的电
流不随时间改变为止。
在工程应用中，常常取加电压后 1min时的
电流作为计算材料电导率或电阻率的依据，
当然这只能起一个相对比较的作用。
当需要仔细考察材料中的空间电荷和深能
级陷阱电荷时，必须取得真实的漏导电流
值以作为研究的依据。
电导的分类（按载流子）
① 离子电导或电解电导
② 离化分子电导或电泳电导
③ 电子电导
2,离子电导 返回
固体电介质中离子电导的直接实验证据是利
用法拉弟电解实验给出的，把被考察的试样
放在两个电极之间，长时间地加上直流电压
并记录其流过的电量。
根据流过的电量以及电极和试样在通电前后
的重量变化就可以得出传导离子及其数量的
结果。
法拉弟电解实验
在 AgCl中，电导主要是由 Ag+正离子提供的
2,离子电导
（ 1）离子电导的载流子
① 本征缺陷载流子
② 杂质缺陷载流子
③ 质子
返回
① 本征缺陷载流子
离子晶体中，束缚在晶格结点上的正、负离
子在一般情况下是不能参与导电的。只有少
量因热缺陷而产生的，脱离格点的填隙离子
及空格点的正负离子才能够在电场的作用下
作定向运动，参与导电过程。它们就是本征
缺陷载流子。离子晶体中的热缺陷主要有肖
特基（ Shottky）缺陷和弗兰克尔（ Frenkel）
缺陷两种。
要比晶体的结合能低得多，但仍然相当
高。因此，在室温下，由于热激活而产
生的肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷浓度非
常低，对材料电导的影响并不大。只有
当晶体非常纯净，温度非常高时，热缺
陷材料电导的影响才逐渐显示出来。例
如对于 Nacl晶体，一对离子的结合能约
为 8eV，而肖特基缺陷的激活能为 2eV左
右。
T=1000k 1110 ??Nn
s
② 杂质缺陷载流子
实际电介质材料中总是不可避免的存在着
杂质的。有时候，为了改进材料的某些性
质还有意地添加各种类型的杂质，称为掺
杂改性。
杂质离子在晶格中产生点缺陷，破坏了晶格
内部势场分布，从而使得晶格中的载流子易
于在电场的作用下运动，增大电介质的电导。
异价杂质离子还将在晶体中产生新的载流子，
使材料的电导大幅度地上升。
异价离子本身或由其形成的空格点或填隙
离子则不同，它们本身的电荷量偏离了保
持晶格电中性所要求的荷电量，因而使得
晶格的局部区域荷电。
至于填隙离子，则在填隙位置上额外地引
入了填隙离子所带的电量，其等效荷电量
就等于离子的电价。
由异价杂质形成的这些点缺陷以其等效荷电
量在电场作用下定向漂移，从而对材料的电
导作出贡献。
当晶体中的点缺陷浓度较高时，一部分带
有异号电荷的点缺陷之间，或者与电子、
空穴之间可能通过静电库仑相互作用缔合
在一起形成复合缺陷。
复合缺陷本身在晶体中的迁移率相当低，
它们对电导的贡献常常可以略去。但是，
复合缺陷在热离解后对于材料的电导有
贡献，因此影响材料电导率随温度的变
化。
/
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'
晶体中杂质缺陷载流子的数量主要取决于材
料的化学纯度以及掺杂量，与温度无关。
对于许多实际材料，自然引入的杂质含量通
常是以基质原子数的 10-6(ppm)计。对于经特
殊纯化的物体，杂质含量则以 10-9 (ppb)计。
高纯物体的杂质载流子数仍然远离于环境温
度下的热缺陷本征载流子。因此物体在室温
的离子电导主要取决于杂质含量。
③ 质子
质子是含有氢键物体中所特有的一种载流
子。在特殊情况下，质子可以在玻璃、聚
合物等无定形物体中传导电流。
质子电导与物体所吸附的水分有很大关系，
并且对物体的表面电导影响很大。
许多聚合物在 98%相对湿度下，保持 15-
20天后，材料的表面电导和体积电导可能
增大 2~15个数量级。
（ 2）导电离子的迁移率
某一种载流子的迁移率是单位电场作用下，
该类载流子在电场方向的平均迁移速率。
各种离子型载流子在电场作用下的运动是
一种在热激活下越过势垒的定向漂移。
KTu seuu ??
0
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其中 为载流子的活化能，即限制载流子
跃迁的势垒高度,q为载流子的等效电荷,
为载流子跃迁时平均步长,为载流子在势
阱中的局域振动频率
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在固体中，离子型载流子的迁移率,
碱卤晶体中的活化能（ eV）
活化能类型
晶体
NaCl KCl KBr
正离子的晶格结合能 4.62 4.47 4.23
负离子的晶格结合能 5.18 4.79 4.60
正、负离子对的晶要和结合能 7.94 7.18 6.91
正离子扩散活化能 0.51 — —
负离子扩散活化能 0.56 — —
填隙离子扩散活化能 2.9 — —
正、负离子空格点的结合能 0.89 0.66 0.85
正、负离子空格点的扩散活化
能 0.38 0.44 —
3,电子电导
电介质可以看成是一种宽禁带的半导体，
禁带宽度大于 3~5eV。
电介质的电子电导主要是由杂质本身以
及由杂质形成的各种缺陷，特别是俘获了
电子或空穴的各种复合缺陷在电场作用下
发生电离造成的。此外，由外部电极注入
材料内部的电子所产生的影响也是不可忽
视的。
返回
（ 1）电子电导的载流子
① 本征载流子
② 非本征载流子
在典型的电介质中，本征电子电导并不重要
③ 注入载流子
肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注
入机制
电介质中参与电流传导的可动电子和空穴
主要是由杂质引入的
② 非本征载流子
杂质对于材料电子结构的影响取决于基质和
杂质本身的电子结构。对于金属氧化物来说，
如果基质和杂质本身的禁带都很宽，而且杂
质并没有在晶格中产生点缺陷（相当于等价
代换），那么掺杂不会使材料的电子结构发
生明显的改变。反之，如果基质或者杂质是
禁带比较窄、能带结构复杂的过渡金属氧化
物，不仅要考虑到材料本身的能带结构，而
且还要考虑到杂质引起的晶格点缺陷的情况。
③ 注入载流子
肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注
入机制
213
4 ???
?
???
????
???
Ee
当电场较弱时，金属电极中的自由电子可
以通过隧道效应穿过金属 -电介质界面处的
势垒，直接注入到电介质中
当 xm非常小，以致与电子相关的德布罗意
波的波长相当时，电子便能通过隧道效应
穿过高势垒注入到电介质中。在高电场下，
由隧道注入提供的可动电子是电介质电子
电导不容忽视的一个重要组成部分。
（ 2）电子的迁移率
可动电子与空穴，在电介质内部参与电
流传导过程时，可以分成两种运动类型,
漂移运动（ Drift movement）和跳跃运
动（ Hop-ping movement）。
*m
e
e
?? ?
漂移电子的迁移率
在电介质中，可动电子将使其周围的媒质发
生极化，并使其周围的晶格发生局部畸变
这种电子连同被它所极化了的周围媒质称为
极化子，简称极子 (Poalron)
如果晶格的极化范围仅限于一个晶格常数，那
么这种极子就称为小极子。而如果极化区域扩
展到几个晶和常数的区域，则称为大极子。在
许多电介质中，小极子对电流传导的作用是最
重要的。
极化子相当于有效质量很高的电子在金属中的
漂移速度。
如果电介质中的可动电子被束缚在施主
电离中心上，这种可动电子就不一定要
进入导带通过漂移运动参与电流传导过
程，电子可以在邻近的施主电离中心之
间通过跳跃运动参与电流传导。
kT
e
ae /
0
??? ??
0
2
0 vkT
e ?
? ?
其中 为限制局域电子跃迁的势垒高度,
为两个施主电离中心之间的平均距离,为电
子在电离中心内的局域振动频率。
e? ?
0v
跳跃电导过程与离子型载流子在电场作用下
的迁移非常相似。
（ 3）电子电导
这主要是因为参与传导的载流电子（空穴）
是从各种类型的电离中心上通过热激活过程
产生的
电介质材料的电子电导要比离子电导复杂得
多。大部分电介质的电子电导的温度关系也
像离子电导一样遵循指数关系
kT
u
eAr
0
0
?
?
电子电导的另一个重要特点是 电流传导的非线
性关系 。大部分电介质的离子电导是线性的，传
导电流正经于所加的电压，符合欧姆定律。但是
对电子电导而言，由于普尔 -弗兰克尔效应和肖
特基效应，在不十分高的电场下，参与电流传导
的载流电子数与所加的电场有关。这就使得电流
随电压的增加比欧姆定律所预期的来得快。这时
电导率 r是电场的函数，并且电场越高,r越大。
在很强的电场下，隧道注入开始起作用。在强电
场下，电介质内部还可能会发生中性分子的电离。
这就使得电流随着电压很快上升，以致丧失绝缘
能力。
4,表面电导 返回
电介质的表面电导是与电介质的实际应用
密切联系在一起的。电介质的体积电导在
很大程度上反映了材料本身的特征。电介
质的表面电导则不仅与介质材料本身的性
质有关，而且在更大程度上取决于材料表
面的湿润、氧化和沾污状态。
在固体电介质的情况下，表面电导
与平行电极间的距 a成反比，与平行电极的
长度 b成正比，则
b
aR
a
brG
ssss ???,
? ?SGs
其中 是表面电导率
sr
? ??s?
材料 湿润 角 莫氏硬度 相对湿
度 0%
相对湿度
98%
聚四氟乙
烯 113° 1-2 5× 1017 5× 1017
聚苯乙烯 98° 2 5× 1017 5× 1016
有机玻璃 73° 2-3 5× 1016 1.5× 1016
精细陶瓷 50° 4-5 1× 1016 1× 1013
熔融石英 27° 7 1× 1017 6.5× 1010
二,固体电介质的击穿
1,概述
固体电介质的击穿就是在电场作用下
伴随着热、化学、力等等的作用而丧失
其绝缘性能的现象
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固体电介质击穿的特点
一是固体介质的击穿强度比气体和液体介质高
二是固体通常总是在气体或液体环境媒质中
边缘效应
三是固体仙质的击穿一般是破坏性的，
击穿后在试样中留下贯穿的孔道、裂纹
等不可恢复的伤痕
对固体进行击穿试验时，击穿
往往发生在击穿强度比较低的
气体或液体环境媒质中
2、电击穿
当固体电介质承受的电压超过一定的数
值 VB时，就使其中相当大的电流通过，
使介质丧失绝缘性能，这个过程就是 电
击穿
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EB=VB/d
击穿场强
EB被认为是介质承受电场作用能力的
一种量度，是材料介电特性之一。
碰撞电离理论
在碰撞电离理论中，碰撞机制一般应考虑
电子和声子的碰撞，同时也应该计及杂质
和缺陷对自由电子的散射。若外加电场足
够高，当自由电子在电场中获得的能量超
过失去的能量时，自由电子便可在每次碰
撞后积累起能量，最后发生电击穿。
雪崩理论
雪崩理论是在电场足够高时，自由电子从
电场中获得的能量在每次碰撞后都能产生
一个自由电子。因此往 n次碰撞后就有 2n
个自由电子，形成雪崩或倍增效应。这些
电子一方面向阳极迁移，一方面扩散，因
而形成一个圆柱形空间，当雪崩或倍增效
应贯穿两电极时，则出现击穿。
隧道击穿
当外电场足够高时，由于量子力学的隧道
效应，禁带电子就可能进入导带。在强场
作用下，自由电子被加速，引起电子碰撞
电离。这种电子雪崩过程同样引起很大的
电流，但这并不导致晶体的破坏。导致晶
体击穿的原因是由于隧道电流的增加，晶
体局部温度提高，致使晶体局部熔融而破
坏。这个机理首先由齐纳提出的，因此称
为齐纳击穿
一些因素对固体电介质击穿场强的影响
① 固体介质的击穿场强往往取决于材料的均匀性；
②大部分材料在交变电场下的击穿场强低于直流下
的击穿场强。在高频下由于局部放电的加剧，使得
击穿场强下降得更历害，并且材料的介电常数越大，
击穿场强下降得越多；③无机电介质在高频下的击
穿往往具有热的特征，发生纯粹电击穿的情况并不
多见；④在室温附近，高分子电介的击穿场强往往
比陶瓷等无机材料要大，并且极大性高聚物的击穿
场强常常要比非极性的大；⑤在软化温度附近，热
塑性高聚物的击穿场强急剧下降
3、热击穿
当固体电介质在电场作用下，由电导和
介质损耗的产生的热量超过试样通过传
导、对流和辐射所能散发的热量时，试
样中的热平衡就被破坏，试样温度不断
上升，最终造成介质永久性的热破坏，
这就是 热击穿
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图 6.13在电压作用下固体电介质的发热与散热曲线
固体电介质的热击穿判据
当发热曲线 W1与散热直线 W2相切时，切点
C应满足以下条件,
TmT
t
W
TmT
t
W
TmTTWtmtTVW
???
???
2
2
2
2
)(),(
21
21
4、局部放电击穿
局部放电就是在电场作用下，在电介质局部
区域中所发生的放电现象，这种放电没有电
极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有被
击穿
局部放电是脉冲性的，其过程与电晕放电相
同。放电结果产生大量的正、负离子，形成
空间电荷，建立反电场，使气隙中的总电场
下降，放电熄灭
局部放电将导致介质的击穿和老化
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5、其它击穿机制
（ 1）树枝化击穿
（ 2）电一机构击穿
（ 3）沿面放电 沿固体电介质表面发生的气体
击穿现象
树枝化是指在电场作用下，在固体电介质
中形成的一种树枝装气化痕迹，树枝是指
介质中直径以数微米的充满气体的微细管
子组成的通道
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图 6.14树枝化击穿
（ 2）电一机械击穿
平板固体介质电容器加压后，两极板上即充上
异性电荷，极间电场为 E。两电极上异性电荷
的相互作用，造成两极间存在相互吸引。这个
引力就使极间的介质受到挤压而发生变形。由
于高聚物弹性模量小（比陶瓷材料等小两个数
量级左右），容易变形，挤压的作用使聚合物
的厚度减小。如温度有所增加，使材料场氏模
量下降，从而试样的厚度更显著地减小，这就
使电场电压不变情况下，进一步升高，最终导
致击穿，常称为电一机械击穿。
（ 3）沿面放电
沿固体电介质表面发生的气体击穿现象
