材料的介电性能培训讲义课件.ppt

材料的介电性能Dielectric Properties of Materials杜宇雷材料科学与工程学院1.以以电荷长程迁移电荷长程迁移即即传导传导的方式（可以是电子传导、空的方式（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）对外电场作出响应，这类材料即穴传导和离子传导）对外电场作出响应，这类材料即导导电材料电材料；。材料对外电场作用的响应材料对外电场作用的响应2.以以感应的方式感应的方式对外电对外电场作出响应，即沿电场场作出响应，即沿电场方向产生方向产生电偶极矩电偶极矩或或电电偶极矩的改变偶极矩的改变，这类材，这类材料称为料称为电介质电介质；这种现；这种现象称为象称为电介质的极化电介质的极化。极化极化电偶极子与电偶极子与电偶极矩电偶极矩电偶极子（电偶极子（electric dipole）两个相距很近的等量异号点电荷两个相距很近的等量异号点电荷+q与与-q所组成的带电系统。所组成的带电系统。电偶极矩电偶极矩（electric dipole moment）电偶极子中的一个电荷的电电偶极子中的一个电荷的电量与轴线的乘积，简称电矩。量与轴线的乘积，简称电矩。LqP=电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。绝缘体电介质 将物质分类为绝缘体、半导体、导体、以及超导体时，其依据是物质的电荷传导特性或者说电荷长程迁移特性。电荷的传导（电荷的长程迁移），作为物质对外电场的响应，其宏观表现即为电流。根据欧姆定律:J=E，其中J为电流密度，E电场强度，而为电导率张量(二阶对称张量)。电导率反映了物质的电荷传输特性或曰电荷长程迁移特性。物质对外电场的响应除去电荷的传导外，还有电荷短程运动与位移。这种电荷的短程运动与位移称为极化(Polarization)，其结果是促使正负电荷中心偏移、从而产生电偶极矩。而以极化方式传递、储存或记录外电场以极化方式传递、储存或记录外电场作用和影响的物质就是电介质作用和影响的物质就是电介质。显然，电介质中起主要作用的乃是束缚电荷而非自由电荷。极化可以来自极性晶体或分子的自发极化、也可以来自电场的诱导作用。介电响应可用如下方程描述：D=0E 或 P=0E，其中，D为电位移、P为极化强度、0为真空电容率、为相对介电常数、为宏观极化率，与均为二阶对称张量。由于=1+，用相对介电常数与宏观极化率描述介电性质是等价的。介电常数的物理意义可以理解为电介质在极化过程中储存电荷能力之度量。传导与极化是物质对电场的两种主要响应方式，它们虽有主次、但往往同时存在。当我们主要关注其传导特性时，将物质分类为绝缘体、半导体与导体；而当我们重点关注其极化特性时，则将物质分类为顺电体、铁电体、反铁电体、压电体、热释电体等电介质。电介质与绝缘体是相互密切联系、然而并不能等同的两个概念。绝缘体肯定是电介质，但电介质却不仅仅包括绝缘体。虽然大部分实用电介质材料为绝缘体，然而半导体甚至金属都有电介质的特性、只是其对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应而已。真空+E+自由电荷+偶极子束缚电荷1.具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象极化现象及其物理量在外电场中，电介质表面出现的在外电场中，电介质表面出现的束缚电荷叫做束缚电荷叫做极化电荷极化电荷。电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子。2.物理量+单位板面上束缚电荷的数值(极化电荷密度）可以用单位体积材料中总的偶极矩即极化强度P来表示。设N是体积V内偶极矩的数目，电偶极矩相等于两个异号电荷Q乘以间距d，则：P=N /V=Q d/V=Q/A+P Q+Q3 介质的极化强度与宏观可测量之间的关系两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压成正比：Qo=CoV两板间放入绝缘材料，施加电压不变电荷增加了Q1，有：Qo+Q1=CV相对介电常数r：介电质引起电容量增加的比例。r=C/Co=(Qo+Q1)/Qo电介质提高电容量的原因：由于质点的极化作用，结果在材料表面感应了异性电荷，它们束缚住板上一部分电荷，在同一电压下，增加了电容量。结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多，束缚电荷也越多，电容量越大，相应电容器的尺寸 可减小。极板上自由电荷密度：Qo/A=CoV/A=(o A/d)V/A=o E（E-两极板间自由电荷形成的电场，也即宏观电场）介电材料存在时极板上电荷密度D:等于自由电荷密度与束缚电荷密度之和：由：r=(Qo+Q1)/Qo 得：r Qo/A=(Qo+Q1)/A有：r o E=(Qo+Q1)/A=D D=o E+P=o r E=1 E (l-绝对介电常数）P=(1 o)E=o(r-1)E电介质的电极化率e：束缚电荷和自由电荷的比例：e=P/oE=(r-1)得：P=o eE（作用物理量与感应物理量间的关系）极化状态的描述极化状态的描述极化状态的描述极化状态的描述-电极化强度矢量电极化强度矢量电极化强度矢量电极化强度矢量在没有外电场时，电介质未被极化，内部宏观小体积元中各在没有外电场时，电介质未被极化，内部宏观小体积元中各分子的电偶极矩的矢量和为零；当有外电场时，电介质被极分子的电偶极矩的矢量和为零；当有外电场时，电介质被极化，此小体积元中的电偶极矩的矢量和将不为零。外电场越化，此小体积元中的电偶极矩的矢量和将不为零。外电场越强，分子的电偶极矩的矢量和越大。强，分子的电偶极矩的矢量和越大。用单位体积中分子的电偶极矩的矢量和来表示电介质的极化用单位体积中分子的电偶极矩的矢量和来表示电介质的极化程度程度电极化强度的定义电极化强度的定义单位体积中分子的电偶极矩的矢量和叫作单位体积中分子的电偶极矩的矢量和叫作电介质的电极化强度。电介质的电极化强度。电极化强度用来表征电介质极化程度的物理量；电极化强度用来表征电介质极化程度的物理量；单位：单位：C.m-2，与电荷面密度的单位相同；，与电荷面密度的单位相同；若电介质的电极化强度大小和方向相同，称为均匀极化；否则，称为若电介质的电极化强度大小和方向相同，称为均匀极化；否则，称为非均匀极化。非均匀极化。12极化强度摩尔定律指出，集成电路上的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，处理器性能也将提升一倍，而价格也将下降一倍。无极分子无极分子：分子的正负电荷中心在无电场时是重合的，没有固分子的正负电荷中心在无电场时是重合的，没有固定的电偶极矩，如定的电偶极矩，如H2、HCl4，CO2，N2，O2等等有极分子有极分子：分子的正负电荷中心在无电场时不重合的，有固分子的正负电荷中心在无电场时不重合的，有固定的电偶极矩，如定的电偶极矩，如H2O、HCl等。等。正负电荷中心正负电荷中心原子核原子核电子云电子云正电荷中心正电荷中心负电荷中心负电荷中心电介质的分类电介质的分类电介质的分类电介质的分类+-+-非极性电非极性电介质介质极性电介极性电介质质电介质极化的机制电子、离子位移极化弛豫（松弛）极化取向极化空间电荷极化无外电场作用无外电场作用+电子位移极化电子位移极化-1.电子位移极化电子位移极化电子位移极化电子位移极化：在外电：在外电场作用下，原子外围的场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发电子云相对于原子核发生相对位移形成的极化。生相对位移形成的极化。在外场作用下正负电荷中心被拉开形成在外场作用下正负电荷中心被拉开形成一个电偶极子，电矩方向与外场方向相同。一个电偶极子，电矩方向与外场方向相同。E无极分子无极分子E外外 VE外外外场外场T=0 K热运动热运动T0 K 电子极化率的电子极化率的大小与原子（离大小与原子（离子）的半径有关。子）的半径有关。2.离子位移极化离子位移极化离子位移极化：离子在电场的作用下，偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩；也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，这样所引起的极化称为离子位移极化。离子极化率的大小与原子（离子）的半径有关。离子极化率的大小与原子（离子）的半径有关。3.弛豫（松弛）极化松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛极化：松弛质点松弛极化：松弛质点 由于热运动使之分布混乱，由于热运动使之分布混乱，电场力使之电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。按电场规律分布，在一定温度下发生极化。松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。非可逆过程。离子松弛极化率：离子松弛极化率：T=q2x2/12kT温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数。料大的介电常数。（1）离子松弛极化结构正常区 缺陷区U松U松U导电 结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化迁移。这些离子称为弱联系离子。量较高，易于活化迁移。这些离子称为弱联系离子。（2）电子松弛极化 由于晶格的热振动、晶格缺陷、杂质引入、化学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级形成所谓弱束缚电子。材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移到另一个阳离子结点；外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起极化，使介电材料具有异常高的介电常数。4.取向极化取向极化有极分子的极化机理有极分子的极化机理当没有外电场时，电偶极子的排列是杂乱无章的，因而对当没有外电场时，电偶极子的排列是杂乱无章的，因而对外不显电性。外不显电性。+qq+取向极化取向极化当有外电场时，每个电偶极子都将受到一个力矩的作用。当有外电场时，每个电偶极子都将受到一个力矩的作用。在此力矩的作用下，电介质中的电偶极子将转向外电场的方在此力矩的作用下，电介质中的电偶极子将转向外电场的方向。向。在垂直于电场方向的两个表面上，将产生极化电荷。在垂直于电场方向的两个表面上，将产生极化电荷。5.空间电荷极化空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化。-+-+-+外电场P极化形式极化形式极化的电极化的电介质种类介质种类极化的频极化的频率范围率范围与温度的关与温度的关系系能量消耗能量消耗电子位移电子位移极化极化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光频光频无关无关无无离子位移离子位移极化极化离子结构离子结构直流直流红外红外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱很弱离子松弛离子松弛极化极化离子不紧离子不紧密的材料密的材料直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有电子位移电子位移松弛极化松弛极化高价金属高价金属氧化物氧化物直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有转向极化转向极化有机有机直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有空间电荷空间电荷极化极化结构不均结构不均匀的材料匀的材料直流直流高频高频随温度升高随温度升高而减小而减小有有 各种极化形式的比较各种极化形式的比较空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化 工频 声频 无线电 红外 紫外极化率或 极化率和介电常数与频率的关系6.2.2 克劳修斯-莫索蒂方程外加电场E0Ed 外加电场E0 束缚电荷产生的电场Ed （退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）E宏=E0+Ed1.宏观电场：+2.原子位置上的局部电场Eloc（有效电场）Eloc=E0+Ed+E2+E3+E0EdE2E3对于气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。对于固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响。作用于介质中质点的内电场周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹场）E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场Ed之和。对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：由 P=Q1/A=oEd得：Ed=P/o Ed的计算：假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介质小得多。介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分：球外介质的作用Ed E2和球内介质的作用E3根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电荷上的P方向分力dF：dF=（PcosdS/4o r2)cos由 qE=F 1E=F E=FdE=Pcos2dS/4o r2=(2rsin rd)(Pcos2/4o r2)=Pcos2 sin/2o r2 d整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为：dE由0到的积分洛伦兹场E2：E2=P/3oE3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定，已证明，球体中具有立方对称的参考点位置，如果所有原子都可以用平行的点型偶极子来代替，则E3=0。Eloc=E0+Ed+P/3o=E宏+P/3o根据 D=o E+P得 P=D o E=（1 o）E =o（r 1）E由 Eloc=E0+Ed+P/3o=E宏+P/3o得 Eloc=（r+2）E宏/3设介质单位体积中的极化质点数等于n，则又有 P=n=nEloc 得 （r 1）/（r+2）=n/（3 o）上式为克劳修斯-莫索蒂方程3.克劳修斯-莫索蒂方程 克劳修斯-莫索蒂方程的意义：建立了可测物理量 r（宏观量）与质点极化率（微观量）之间的关系。克劳修斯-莫索蒂方程的适用范围：适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体。从克劳修斯-莫索蒂方程：讨论高介电常数的质点：（r 1）/（r+2）=n/（3 o）（r 1）/（r+2）-r越大其值越大介质中质点极化率大，极化介质中极化质点数多，则介质具有高介电常数。介质损耗 电介质在交变电场中极化时，会因电介质在交变电场中极化时，会因极化方向的变化而损耗部分能量和发热，称介极化方向的变化而损耗部分能量和发热，称介电损耗。电损耗。（1）电导损耗电导损耗（2）极化损耗极化损耗（3）电介质结构损耗电介质结构损耗 是指电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流是指电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能。这部分损耗在交变电动时，因克服电阻所消耗的电能。这部分损耗在交变电场和恒定电场中都会发生。场和恒定电场中都会发生。（1）电导损耗电导损耗（2）电介质结构损耗电介质结构损耗 是指陶瓷材料中往往含有玻璃相，以离子晶体为主是指陶瓷材料中往往含有玻璃相，以离子晶体为主晶相的陶瓷材料损耗主要来源于玻璃相。晶相的陶瓷材料损耗主要来源于玻璃相。（3）极化损耗极化损耗 这是由于分子偶极子的取向极化造成的。取向极这是由于分子偶极子的取向极化造成的。取向极化是一个松弛过程，交变电场使偶极子转向时，转动化是一个松弛过程，交变电场使偶极子转向时，转动速度滞后于电场变化速率，使一部分电能损耗于克服速度滞后于电场变化速率，使一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上，这部分损耗有时是很大的。介质的内粘滞阻力上，这部分损耗有时是很大的。电子极化所需时间约10-15-10-13秒，原子极化需略大于10-13秒。但取向极化所需时间较长，对小分子约大于10-9秒，对大分子更长一些。极性电介质在交变电场中极化时，如果电场的交极性电介质在交变电场中极化时，如果电场的交变频率很低，偶极子转向能跟得上电场的变化，如变频率很低，偶极子转向能跟得上电场的变化，如下图（下图（a），介电损耗就很小。），介电损耗就很小。当交变电场频率提高，偶极子转向与电场的变化当交变电场频率提高，偶极子转向与电场的变化有时间差（下图（有时间差（下图（b），落后于电场的变化。），落后于电场的变化。偶极子取向随电场变化图偶极子取向随电场变化图（a）电场交变频率低，偶极子转向与电场同步变化）电场交变频率低，偶极子转向与电场同步变化（b）电场交变频率提高，偶极子转向滞后于电场变化）电场交变频率提高，偶极子转向滞后于电场变化 由此可见，只有当电场变化速度与微观运动单元由此可见，只有当电场变化速度与微观运动单元的本征极化速度相当时，介电损耗才较大。的本征极化速度相当时，介电损耗才较大。这是由于介质的内粘滞作用，偶极子转向将克这是由于介质的内粘滞作用，偶极子转向将克服摩擦阻力而损耗能量，使电介质发热。服摩擦阻力而损耗能量，使电介质发热。若交变电场频率进一步提高，致使偶极子取向若交变电场频率进一步提高，致使偶极子取向完全跟不上电场变化，取向极化将不发生，这时介完全跟不上电场变化，取向极化将不发生，这时介质损耗也很小。质损耗也很小。实验表明，原子极化损耗多出现于红外光频区，实验表明，原子极化损耗多出现于红外光频区，电子极化损耗多出现于紫外光频区，在一般电频区，电子极化损耗多出现于紫外光频区，在一般电频区，介质损耗主要是由取向极化引起的。介质损耗主要是由取向极化引起的。复介电系数为复介电系数的实数部分即试验测得的介电系数为复介电数的虚数部分，称为损耗因子 如何表征介电损耗？如何表征介电损耗？研究在交变电场中介质电容器的能量损耗情况。研究在交变电场中介质电容器的能量损耗情况。首先考虑真空电容器，电容量为首先考虑真空电容器，电容量为 ，若在其极板上，若在其极板上加一个频率为加一个频率为、幅值为、幅值为 的交变电压，则通过真空的交变电压，则通过真空电容器的电流为：电容器的电流为：式中，为式中，为 虚数单位。由上式看出，电流虚数单位。由上式看出，电流 的的位相比电压位相比电压 超前超前 ，即电流复矢量与电压复矢量，即电流复矢量与电压复矢量垂直，其损耗的电功功率为垂直，其损耗的电功功率为 如何表征介电损耗？如何表征介电损耗？对于电介质电容器，在交流电场中，因电介质取向极化跟不对于电介质电容器，在交流电场中，因电介质取向极化跟不上外场的变化，将发生介电损耗。由于介质的存在，通过电上外场的变化，将发生介电损耗。由于介质的存在，通过电容器的电流容器的电流 与外加电压与外加电压 的相位差不再是的相位差不再是90，而等于，而等于=90-。仍设。仍设 ，通过电容器的电流，通过电容器的电流 为：为：式中式中 称复介电系数，定义为称复介电系数，定义为 。为复介为复介电系数的实数部分，即试验测得的介电系数电系数的实数部分，即试验测得的介电系数 ；为复介电系数的虚数部分，称为损耗因子。为复介电系数的虚数部分，称为损耗因子。交变电场中交变电场中电容器的电电容器的电流、电压矢流、电压矢量图量图 实数部分实数部分 与交变电压同相位，相当于流过与交变电压同相位，相当于流过“纯电阻纯电阻”的电流，这部分电流损耗能量。的电流，这部分电流损耗能量。由上式可见，通过介质电容器的电流由上式可见，通过介质电容器的电流 分为两部分：分为两部分：虚数部分虚数部分 与交变电压的相位差为与交变电压的相位差为90，相当，相当于流过于流过“纯电容纯电容”的电流，这部分电流不作功；的电流，这部分电流不作功；我们用我们用“电阻电阻”电流与电流与“电容电容”电流之比表征介电流之比表征介质的介电损耗：质的介电损耗：正比于正比于 ，故也常用，故也常用 表示材料介电损耗的大小。表示材料介电损耗的大小。的物理意义是在每个交变电压周期中，介质的物理意义是在每个交变电压周期中，介质损耗的能量与储存能量之比。损耗的能量与储存能量之比。越小，表示能量损耗越小。越小，表示能量损耗越小。理想电容器（即真空电容器）理想电容器（即真空电容器）=0，无能量损失。，无能量损失。式中式中称介电损耗角，称介电损耗角，称介电损耗正切。称介电损耗正切。介电损耗介电损耗德拜公式：r()=+(0)-/(1+i)r=+(0)-/(1+22)（r()的实部）r=(0)-/(1+22)（r()的虚部）tan=r/r 其中：(0)-低或静态的相对介电常数 -时的相对介电常数 德拜研究了电介质的介电常数r、反映介电损耗的r、所加电场的角频率及松弛时间间的关系。0.1 1 10 (0)rr=1，r最大，大于或小于1 时，r都小，即：松弛时间和所加电场的频率相比，较大时，偶极子来不及转移定向，r就小；松弛时间比所加电场的频率还要迅速，r也小。电场频率的影响电场频率的影响 材料的介电性能也随交变电场频率而变。材料的介电性能也随交变电场频率而变。当电场频率较低时（当电场频率较低时（0，相当于高温），电子，相当于高温），电子极化、原子极化和取向极化都跟得上电场的变化，极化、原子极化和取向极化都跟得上电场的变化，因此取向程度高，介电系数大，介电损耗小因此取向程度高，介电系数大，介电损耗小（0），见下图。），见下图。在高频区（光频区），只有电子极化能跟上电场在高频区（光频区），只有电子极化能跟上电场的变化，偶极取向极化来不及进行（相当于低温），的变化，偶极取向极化来不及进行（相当于低温），介电系数降低到只有原子极化、电子极化所贡献的介电系数降低到只有原子极化、电子极化所贡献的值，介电损耗也很小。值，介电损耗也很小。在中等频率范围内，偶极子一方面能跟着电场变在中等频率范围内，偶极子一方面能跟着电场变化而运动，但运动速度又不能完全适应电场的变化，化而运动，但运动速度又不能完全适应电场的变化，偶极取向的位相落后于电场变化的位相，一部分电偶极取向的位相落后于电场变化的位相，一部分电能转化为热能而损耗，此时增大，出现极大值，而能转化为热能而损耗，此时增大，出现极大值，而介电系数随电场频率增高而下降。介电系数随电场频率增高而下降。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。介电强度：相应的临界电场强度。热击穿电击穿化学击穿电介质在电场中的破坏介电强度热击穿。电极间介质在一定外加电压作用下，其中不大的电导最初引起较小的电流。电流的焦耳热使样品温度升高。但电介质的电导会随温度迅速变大而使电流及焦耳热增加。若样品及周围环境的散热条件不好，则上述过程循环往复，互相促进，最后使样品内部的温度不断升高而引起损坏。在电介质的薄弱处热击穿产生线状击穿沟道。击穿电压与温度有指数关系，与样品厚度成正比；但对于薄的样品，击穿电压比例于厚度的平方根。热击穿还与介质电导的非线性有关，当电场增加时电阻下降，热击穿一般出现于较高环境温度。在低温下出现的是另一种类型的电击穿。电击穿。又称本征击穿。电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量。若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量，则电子继续被加速而积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生碰撞电离，形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升，最后导致击穿。在不完整或掺杂单晶和一些非晶态电介质中，缺陷和杂质形成的浅位阱束缚的电子所需激活能要比禁带宽度小很多。受外电场加速的传导电子更容易使这部分电子被激活参与导电而引起击穿。电击穿的另一种机制是1934年C.曾讷提出来的内部冷发射模型。认为强外电场使能带发生倾斜。因而价带上的电子出现隧道效应。当场强为106V/cm数量级时,电子可通过隧道效应移动几百个原子的距离。在约10-12秒时间内导带就可以出现足够数量的电子而引起击穿。此外，在强电场下金属电极中的自由电子也可以注入于电介质而参与导电，称为外部冷发射。化学击穿。电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应。例如离子导电的固体电介质中出现的电解、还原等。结果电介质结构发生了变化，或者是分离出来的物质在两电极间构成导电的通路。或者是介质表面和内部的气泡中放电形成有害物质如臭氧、一氧化碳等，使气泡壁腐蚀造成局部电导增加而出现局部击穿，并逐渐扩展成完全击穿。温度越高，电压作用时间越长，化学形成的击穿也越容易发生。