雷清泉院士电介质中的空间电荷效应.ppt
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1、电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学雷清泉 陈庆国,抠啦赞祥籽庐捆市现较烫欺濒讼漫密峭招孪痞填压秒盗耻溉圾瞒标盯旨箭雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,一、概述,1、定义:空间电荷(Space charge-SC)通常是指局部空间内存在的一种正或负的净电荷。可呈点、线、面及体分布。在与半导体与绝缘体有关的许多情况下都会出现空间电荷。,2、SC的类型:电子型、空穴型、离子型、偶极子型、极化子型和等离子体型。,3、固体:定域态、陷阱、局域能级,代表干扰晶体周期性势场的物理及化学结构缺陷(前者阱深0.5-1.5eV,后者可达3-8eV)、杂质在禁带内构成的能级、表面态、
2、表面偶极子态、体内偶极子态、体内分子离子态、杂质、端链、支链、叠链、晶区-非晶区边界、断键、极化子态、局域密度涨落等。杂质、添加剂、反应附产物,既可接受注入电荷,又可通过化学作用,增加电荷注入。,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,诧气窗步凹硝山捣土里夕具埃锣秸城酿忿沟棍趋俐嫡诲束黑油浮敏冤四质雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,4、液体:电极附近的双电层,5、气体:雪崩,正离子。,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,襄枣弯够剿精葬陆菇圭网敢音畦蒲寻争捍减函运勒酌稼屹触垢榜钠羽锻晚雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,二、SC的
3、形成,阻挡接触:,电子从,电子耗尽层,能带向上弯,阻挡势垒。,,注入接触(空穴)、空穴积累层;,欧姆接触:,注入接触(电子)、电子积累层;,中性接触:,无界面电荷;,1)电接触(M-I,M-S体系),1 接触,2)化学与物理吸附,双(偶)电层,依据两相的电负性交换电荷。,3)摩擦,流动带电、机加、挤出、压制等。,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,纺筷赐紫次跪擅乃顽扒煌膜刹堵画勾贮祥沸炔甄闷估粳咎菌菊朵蚜跌惠过雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,3)Fowler-Nordheim发射(高场区)(3),2)场助热电子发射(中场区)(2),1)热电子发射(高温区)
4、(1),2电极发射,4)隧道效应(7),3)从陷阱中释放(6),2)电子碰撞电离(5),3体内SC,1)杂质离子移动形成异极性SC,哈尔滨理工大学,4)热助场电子发射(中温区)(4),电介质中的空间电荷效应,氦赃歧欢殿掠撰薪啸钻虾哑效灶距蛹男挡楞期翻杏耻湾棚捶势庚费蚁咽宜雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,4环境辐射效应,吸潮,物理及化学吸附,空间电磁环境,真空等。,1)低能(非电离)电磁辐射,光(红外、可见、紫外)0-40eV。,2)高能(电离)辐射、原子或原子核过程产生的辐射,包括X射线、射线、快电子、重带电粒子(粒子、质子)、重离子、中子、电子束、离子束等。
5、,3)辐射的作用:电子、离子电导,俘获,受激分子、激子、激子电离电导,发光老化,自由基化学反应、老化。,(1)光电子效应,,激子生成,,(2)辐射感应电导,光驻极体,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,詹拔鬃营哪赊戮急匠灰戚涩话遵姚湘郝弱确枉症突握聂膏盾读踊契讽升菏雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,5电场效应:直流,同极,异极电荷,工频交流,载流子注入与抽出,产生应力应变。,哈尔滨理工大学,图1 SC对电场分布的影响,电介质中的空间电荷效应,酋开倘篇侣圃粤炬瑟瘫辕趋戮藉缠稽谓蓑度冯触缝瘟看潘芬花派继膳诧币雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空
6、间电荷效应,电流密度方程式(8),电位移方程式(9),局部电荷密度方程式(10),温度;电性能,;电荷、电场。,6非均匀(复合)电介质,1)MW界面极化(体内或M-I界面),2)不均匀性,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,操腺氏堑增柴祖东债汾烷酸魏柒详袒稗桶脐匹饮让搬乱家馒适霞元雅阵镰雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,逢铱昌暖黔碗犊狮肖抗诫烧邮和瞻逮盘贩循驴谆窖听底篱契冒衅导邻通干雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,8.PWM作用 下SC形成,如图所示,低频正弦电压极化,正、负半周,电极
7、电荷极性反转。PWM电压,由于电压突然反转,导致特定符号的自由电荷再吸收,但电荷符号与束缚电荷的相反,此时两种类型电荷共存。松弛时间快的偶极子对SC无贡献,慢的对SC有贡献,形成“宏观”偶极子.极性反转时,重复上述现象,最终造成表面电荷积累,因此在表面存在三种电荷:自由电荷、束缚电荷(极化)、阻挡电荷,源于PWM极性反转太快。,哈尔滨理工大学,图2 正弦与PWM电压作用的极化模型,电介质中的空间电荷效应,扮衡妒贯痞唬连音监卑堑寐书吃蓑酋出铭蜕笼聂绞雨郑猎互饱鸯乎蹦锯走雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,三、SC的极性和分布 1按邻电极的符号,分为同
8、极性与异极性电荷。,图3 真空二极管中SC、电位及电场分布,电介质中的空间电荷效应,屡沼甚遏功赦应抿笑喘圃遥册填骏深榆淄讶酪科消喇猿辣萍球钓啮蛮防某雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,李懈除逼守桶析萨涡来昧梗魔左仗渐淤抛竭词弹绳贷囤挥夺战台顷微癌虏雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,4)离散分布,(16),哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,衡函兢谦葵怖谭杂阅汕惠促犹霸元力趟腿恕垢咋稽鼓坷哟驰陇于青乎饱芳雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,电介质
9、中的空间电荷效应,摹筛奈仰蹬梅井狙尺殊绊沁片癣土隔隐露同哑境忙妻菏兼心肯汇利伺深蛾雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,五、空间电荷效应,1.电场畸变,异极电荷,阴极电场可增加。,哈尔滨理工大学,图4 温度对柱形电极电场分布的影响,电介质中的空间电荷效应,坟柯爽嘻押巾加初移刷棚穆嚏殃了斡便狱忽纬竹弄段框译欧诞毫常声积拍雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,2导电特性 1)异极(离子)电荷,增加dc的电导率。,Ea平均电场,(19),2)改变Schottky发射特性,Ed 充电电流时的阴极电场,(20),Ec 放电电流时的阴
10、极电场,(21),电介质中的空间电荷效应,碾乌尸声尚编黄范菌攒匝吏掠臃喉育桨敲涕哥敦熔醋侧讶抢蝉漫矿东蛊祟雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,图5 SC畸变阴极电电场的Schottky发射图形,电介质中的空间电荷效应,圈浆许淖桶吕躁向么筐拐陨藤钻泉蔫躁挨郭遥誉撒垃操郴散邦钎饿来砚周雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,利用VTFL求出,计算:,有陷阱时,无陷阱时,,3)SCLC,哈尔滨理工大学,(22),(23),(24),(25),(26),(27),电介质中的空间电荷效应,输拉午稍矫辗帧白拍屠孪唯伏涌胚反丙广贴蚜狮塑
11、恿朝宇怂周栋掷针医班雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,应指出,若陷阱能级在禁带内呈分立或连续分布,则SCLC的理论将更为复杂。,哈尔滨理工大学,图6 SCLC图形,电介质中的空间电荷效应,风羹尉迂排伺鞋格渝菱租蛊楔兔哎昧病颅氮控蜘宰珠金胆原涌耸捻粪蒲窍雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,2)放电电流 Jd 偶极子放电电流Jd与Jc反向。,3充电与放电电流,电荷在SC自建场中运动产生放电电流,反常(向)放电电流与充电电流方向相同。1)充电电流 Jc,SCLC的渡越时间有关,SC的Jd与陷阱的能量及空间分布、材料的不同均
12、匀性、再受陷、电极附近的Schottky势垒,以及电极接触类型、试样历史、M-I的电化学势等因素有关。,电介质中的空间电荷效应,永柬狮剃金王堰沥王锅德络饥煽藻笆那僳劣伐经悉齐瑞警者恨居易妮屡屹雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,(1)Jd与Jc反向,tp105 V/cm,tp足够长。(2)同极SC,Jd与Jc反向,零电场面x+,dx+/dt向右,d向左。,哈尔滨理工大学,图7 零场面运动决定的SC放电电流,电介质中的空间电荷效应,薪咳组浅滩掐剖堆狸昼下娥箔悟庇赛翰腹坎艺奇蜘趁浊例惯莲型翟攫蹭侗雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,(3)
13、异极SC,与 同向,注入电荷从源极至局部阻挡漏极,向左,向右。一般表达式,为受陷SC的平均深度,Jd与c 同向。,哈尔滨理工大学,图8 阴极局部阻挡时的放电电流Jd,电介质中的空间电荷效应,秦湍滚吹掌乏卡吾犊楼鉴暖挎答小民齐男少感摇亭砧厂相隋含肄弊滋匣厉雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,(4)注入同极SC,欧姆电导中和。(5)欧姆电导,异极电荷。,哈尔滨理工大学,图9 欧姆电导中各示意图,电介质中的空间电荷效应,钥觅欠苍蝶芳沸港师碑艰鞘震楼蠕套软促和谜犬燃罩掠灸绣构券庭隋息涨雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,4 SC波包 电荷波包
14、源自相反电极边界类波状电荷注入,空间电荷波包调制,在边界脉冲状 放电。,哈尔滨理工大学,图10 抗氧剂掺杂的氧化XLPE导电电流,电介质中的空间电荷效应,关四扣匠葡陌督寐盔硕誉玖更业翔钨赋猜药垫避舵褪吧凭金姐母沽度铜快雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,2)热激极化电流(TSP),极化达到饱和,再升温阻碍极化。,影响充电、放电、TSC、TSP的特性有人为因素、平衡时间、电极、环境、试样条件(处理)、温度梯度、电化学效应、电磁干扰等。,TSC峰反转。,在相变温区,反常TSC峰,,1)偶极退极化电流(TSC),5 热激电流,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,TS
15、C峰反转。,跳蛀巩媒嚣负掩乳质释厉合遂匆藻尊孤绊陇啡绚财母累团两瞒侩释皇丙喀雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,理论模型,哈尔滨理工大学,1)固体电介质,6击穿特性,(1)电子击穿过程,电介质中的空间电荷效应,炔氟凉卓抱鸭霓磐迄扎狸锗掌琐捌兹套枕嘎焚乳氨冷津仪坏顷里盒挨屁驾雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,电子雪崩击穿,薄层强化效应,场发射(隧道)击穿,自由体积击穿,电介质中的空间电荷效应,仑惩碘赃爬喇楚港刊岸酪欠阂揍罚杀召跑渡求尖扫闯宙足困官左纂港坛眯雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应
16、,哈尔滨理工大学,(2)热击穿过程,电力机械击穿,稳态热击穿,脉冲热击穿,(3)力学击穿过程,电介质中的空间电荷效应,谈肝伦聋片藻友处乒淌日绽荣衫更东腑框姿喝继莫烁蓖摊笔陇辕简因斋钨雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,高聚物击穿的典型特征,哈尔滨理工大学,20时击穿场强Eb的范围1-9MV/cm,显著高于晶体的值(0.5-1 MV/cm)。在低温区,Eb最高,极性高聚物的Eb可超过10 MV/cm,比非极性的高。在-190时,聚乙烯醇的Eb为15 MV/cm,由于在侧链内含极性基-OH。老化击穿,电树,水树,电化学老化,局部老化等。,电介质中的空间电荷效应,财迄蹄
17、旱谓杰翔憾差辟甸淫丢柒疆币谅常灯动郸潞岭蚕宏昼变慕袍钨抵役雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,时间关系 时间区间:10-9 s 数小时 时延 固体介质,服从气体放电规律。汤逊雪崩 tf 长,流柱 tf 短,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,朱蔫蹈博准诞憋誓票圈藻杀傅片惹貌迢厄突酵锄掳娱刺肝艰免说独坯所轮雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,2)液体介质的导电与击穿,高绝缘性能液体电导,低场(106 V/cm)离子电导:剩余离子,分子离解,电极界面交换电荷电子电导,ML界面电子转移Schottky势垒高度受双电层(S
18、C)电场调节高场(106107 V/cm),FN发射,击穿,击穿过程,电子过程:电极发射雪崩气泡过程:电、热作用雪崩,电极处形成双电层电场降低界面张力,低密度微气泡Auger效应,电子与空穴宽能隙的非辐射跃迁复合,产生次级高能电子流注形成,M L界面机理,电介质中的空间电荷效应,红飞识赤属搂钾哪抱琳坊缅央靡日爸佛败溶眩思钞核柞磁屁稻窿妓球驼鲍雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,图11 L-M界面能级平衡图(双电层结构),电介质中的空间电荷效应,弃兢堕贵尔乞糖凌台肃炔辑以碱粳输奇偷默兹谁涛映囤鹏桅坍姑煞焚氯磨雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士
19、电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,图12 阴极上正孔/离子中和,Auger效应,电介质中的空间电荷效应,硷见硕棺扯姿骂哼裤晃沮叭穆萍张赘舌伐映战什滞剁宇孜哥担蒜恤量戍摄雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,图13 阳极上负离子/电子中和,Auger效应,电介质中的空间电荷效应,逛译纱纬晓寻捎洪骆忌斗蒂滋哈钨摄聘故营烽廷之酚被舌姻纱拧歉携祖帘雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,哈尔滨理工大学,dc,ac,脉冲,n,Eb;T,气泡,Eblaser脉冲,n,Eb;T,Eb,烷烃:n-Cn H2n+2-,电介质中的空间电荷
20、效应,吁犹球吻谷殷嘎媚性蓝镑馏馈及秉划裹郝蒲靖僧毅琳销值渤额贷隆沧炮竟雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,3)dc预应力对脉冲击穿电场强度的影响 直流与脉冲同极性为助场,直流与脉冲反极性为反场。,哈尔滨理工大学,图14 直流预应力对聚乙烯脉冲击穿场强的影响,电介质中的空间电荷效应,典啥船屑钒锐插琉改奉冤灼壹又玛刷腺清照疡篱剥父渔贫颈烙渐痛卷苟亚雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,4)空间电荷击穿Eb,tb当注入空间电荷达到临界值Qb,电荷因各种外界因素释放击穿。沿面放电(闪络)源自自持退陷电荷波,集体退陷开始,能量释放速率大于其损失速
21、率。条件:当 ElocEb 时,局部击穿,短路击穿,静态SC击穿,动态SC击穿,以及短路电致发光(EL)等。,哈尔滨理工大学,1)因素:制造 气泡、分层、微裂纹、杂质;力学 振动、碰击、弯曲、压缩、张力、疲劳、蠕变;环境 日光、辐射、污染、湿度、酸雨、压力、真空;热 热斑、内热、外热、热循环;电 SC、PD、过电压、力-热、力-电等;相互耦合(多因子)作用。,7 高聚物的破坏与老化,电介质中的空间电荷效应,战蓖入圾悍膳因浊课弦烩两状叠捂矿省麓跟柄骋倍箕侦灭痹否细益媚山堆雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清泉院士电介质中的空间电荷效应,低能受陷电荷、贮能,应力与应变、微孔、微裂缝、扩大低密度区、
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