2022-2023学年高二物理竞赛课件：空间电荷极化

空间电荷极化 2 空间电荷极化 空间电荷极化是不均匀电介质，也就是复合电介质在电场作用下的一种主要的极化形式。极化的起因是电介质中的自由电荷载流子（正、负离子或电子）可以在缺陷和不同介质的界面上积聚，形成空间电荷局部积累，使电介质中的电荷分布不均匀，产生宏观电矩。这种极化称为空间电荷极化或夹层、界面极化。 3 在单位时间内，沿电场方向由A位置跃迁到B位置的几率为， 逆电场方向由B位置跃迁到A位置的几率为， 4 可见，离子从A位置向B位置跃迁的几率比从B位置向A位置跃迁的几率要大。换句话说，离子处在B位置上的几率增加了，处在A位置上的几率减少了，离子的分布状态将随时间发生变化。 5 在某一时刻，A位置上的离子数减少N，则B位置上增加了N 。单位时间、单位体积内的变化应等于正向跃迁的离子数减去反向跃迁的离子数，即， 6 若令， 则， 7 解上述微分方程，且注意到初始条件，t=0时，N=0，可以得到单位时间、单位体积内沿电场方向由A位置向B位置过剩跃迁的离子数为， 8 离子的过剩跃迁破坏了晶体内部电荷的混乱分布，每一过剩跃迁的离子相当于在电场方向上形成一个偶极子，所以，单位体积中的电矩为， 9 式中为弛豫时间，表示热离子弛豫极化建立的快慢，是一个十分重要的参量。 当外电场比较弱时，U<<kBT，则 这时 10 由上式可以看出，弛豫极化的建立需要一定的时间。电场刚加上，t=0时，N、PT均为零。 11 电场加上以后，电介质中的弱系离子沿电场方向过剩跃迁，形成电矩。弛豫极化强度PT则是按指数式规律增加。对于固体电介质来说，势垒越低，则弛豫时间越短，极化建立的速度越快。但必须指出的是，离子脱离平衡位置发生跃迁是由于离子的热运动引起的，电场只是使已脱离平衡位置的离子作定向跃迁而已。 12 这个过程从加上电场时开始，直至在电场作用下跃迁的过剩离子被反向的离子扩散所补偿为止，才最终达到稳定状态。从理论来说，只有当时t，极化才达到稳定，此时， $$