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、

22、m级至亚m级气泡，缺陷形成触发“高能”老化机理。例如，电子雪崩、PD、电树枝。（1）陷阱（缺陷）密度增加模型，达到临界密度Nt,c，材料击穿。（2）电致发光EL，J(E)SCLC，QSC 确定开始电荷受陷（注入）的电场阈值均与空间电荷形成有关，称以上阈值为电老化起始电场。,哈尔滨理工大学,2）机理,电介质中的空间电荷效应,议婉篱甘嘛羚食剥涣闽损遂赋酵螺茧狙垦酣垮哨沉坤揉滔臣懈选缠傻羚猪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15 老化与未老化试样的Qsc阈值特性,电介质中的空间电荷效应,妮凯醒痛珠花温坎沁嘻拧砖四晾帘惑珊嘘商页昔剑宙逛盘乳住貉杉潦财想

23、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,在Crine老化模型中，依据Eyring的速率理论，将在空间电荷引起的电-机械应力超过高聚物的内聚能时所产生的亚微孔作为老化的先兆，导出了高应力下的寿命方程：(28)式中的各参量有它一般的含义，为内聚能，V为应力活化体积。理论计算表明，当临界应力c达到107N/m数量级时，V10-27m3，相当于5-20nm级尺寸的微孔，老化过程是微孔的扩大，生长。,哈尔滨理工大学,3）SC老化模型,（1）临界应力模型,电介质中的空间电荷效应v,闷廖炮怒姓皋墅碟典宵叛榆敖道扒得丛胖昏辐韵秩汹燕断剂褥果捻枚么雌雷清泉院士电介质中的空间电荷效应雷清

24、泉院士电介质中的空间电荷效应,（2）电疲劳模型 依据Eyring的速率理论，提出了空间电荷加速的热活化老化模型，即空间电荷使老化的自由能垒降低。此电热老化模型限于直流电场时，微腔或微裂纹（约10nm级）形成时间不能用于击穿时间，因为形成大孔m(级）需要足够长的时间，其间会发生其他破坏机理。空间电荷源于电极注入、局部放电、或电场和热电离。这些电荷通常受俘获，但并不必要，它们也可以稳定存在。激光压力脉冲法证实，环氧树脂中空间电荷在2.5MV/cm强电场下约数秒达到准平衡，而脉冲电声法证实，低密度聚乙烯在0.2MV/cm电场下需数百小时。因此，电场愈低，平衡时间愈长，但是，空间电荷建立时间仍比击穿时

25、间短几个数量级。Zeller依据中等电场时机械老化，提出了电疲劳机理。当埋入聚乙烯针尖处因注入空间电荷产生的应力达到1107N/m时，满足裂纹起始形成条件。应力使电树枝起始时间缩短，因为裂纹会加速快（高能）电子注入。,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,溜努勒拭膨拨仆衅滤堆酬尉钾餐机骡局作插黑漾墟筒溃拽危辟嫁扯蓄帽匙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,Crine提出高电场时，电寿命与机械应力寿命有类似的公式，(29)式中，为势垒宽度或电子散射距离；eF为电场使势垒形变对电子所作的功。低电场区，电场的影响弱。最大值max等于高聚物非晶区的厚度约4-20nm，与力

26、学破坏的亚微孔起始尺寸5-20nm相当。电老化的临界电场Ec类似于电荷注入的起始电场，可以从测量直流电压下空间电荷限制电流以及电致发光（EL）等的起始电压得到。可将亚微孔的尺寸、浓度及分布与老化程度相联系。提高交流电压的频率会加速电压老化，但临界频率，一般取7-10kHz。实验得出，聚乙烯的，max在8-15nm之间，约等于非晶相区的厚度。,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,烂她灭藉氛十症骗筏么飞书豪羽允脆叶侥萌暖韦盐瞻帅枢伤蓑例迢坍治戌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,通过小角X-射线散射可证实，亚微孔出现在非晶相。因为非晶相有更多的自由体积可以重排，内

27、聚能密度比晶相低。因此电老化的演化过程是：亚微孔形成积聚微孔破坏。通过测量已知电场下的寿命曲线，从直线的斜率可导出max，例如，三元乙丙胶的为27nm，而聚乙烯的为10nm。因此，材料的非晶区厚度LA增加，老化速率加快，或老化起始(临界)电场Fc下降。外界因素，例如，温度上升，杂质，特别是无机及金属粒子，附加剂，均会使 增加，会加速材料电老化。,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,迈瞅平纪仰仁速滑成喳渍毕牌鸽戊耿脾莫庇必听雀腿偿晰虾宫洋邑蒋逞衰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,电介质承受不同老化因素包括：热、力场、电场及环境(O2,H2O,辐射等)的单一或联

28、合作用。在电压与空间电荷作用下，将材料中的nano-尺度上物理与化学变化过程称为电子老化。即使电子老化过程最终导致电介质材料的宏观特征改变，但是在外界力作用下材料的早期损伤是从nano-尺度上发端的，即老化的原初过程。假设热(低能)电子(0-20eV)是电击穿的决定性因素，它与介质的原子和分子相作用，通过非热反应，产生一类具有特定能量的中间活性粒子(原子、分子类)，包括高活性的自由基、正负离子、激发的原子和分子，以及新的化合物等。可以测量电子、振动及声子激发的能量损失谱。它们可以解释在分子间，分子内(或原子)的电子或空穴载流子陷阱产生的机理。同时，纳米尺度结构信息使我们能鉴别极化子的作用。在宏

29、观尺度上观察到的材料积累性损伤与泄漏电流增加、电子老化与空间电荷分布、电荷退陷或受陷、金属电介质界面处的电荷注入及排出等因素有关。,哈尔滨理工大学,（3）Sanche的电子老化模型,电介质中的空间电荷效应,窿烘顺社每庐潜雪暑贩相座崖守糖泛供兵愈克滨置拦恳曹矛恢骤盎钥磨波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,电树枝起源SC，前者尖端电场畸变，诱导SC，水树枝，水通道高场电导的界面极化，以及树枝尖端高场区载流子注入。在不均匀的发散电场中的强局部电场位置回观察到局部击穿，依据它的击穿路径称其为电树枝，直流电场下电树枝强烈受SC的影响。,哈尔滨理工大学,4）电树枝老化,（1

30、）直流电压树枝，线形外压时树枝始于针尖。增强，树枝起始电压下降；，SC阻止阴极电子发射作用小。与此类似，dc击穿实验，。,电介质中的空间电荷效应,挡孕钓糕伶孵腾侵之魔鸳综祷在宝铡洋苟倔堪离嗽咖睬肆灸劈鼎腹筐渍逝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16 dc树技起始电压与升压速率的关系,电介质中的空间电荷效应,胁差韭辅温涩可沪瓜糟苏抿瘫暴脑讹导筒岸绷祷缺渐书捉认所朔滩闯浆谴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）短路树枝，因SC作用，短路树枝起始电压低。稳定SC分布的形成时间DC预应力对短路树枝的作用 开始，加压（极

31、化）时间增加，QSC增加，短路树枝长度增加，后，Qsc扩散消失，L下降且，受温度影响，。（3）极性反转树枝，在直流预应力后加脉冲电压观测树枝，在直流与脉冲电压间试样开路一段时间。稳定SC分布的消失时间 直流电压极性反转技术是为了改变沿直流输电线路的电功率流，极性反转会影响SC聚积畸变电场的分布。,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,停留时间，脉冲极性反转树枝长度，直流正、负极性SC消失的时间不同。负极性（SC为负），；正极性（SC为正），。,讽砖拴炳轮侨战培墓床者冻刃骂答啊巳孜沧丑痕豹竞磺墒帅捌阂赎帽鹊淤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,（4

32、）脉冲电压树枝,树枝起始电压定义为恒定速率升压下树枝长到10 m 的电压。负极性树枝起始电压比正极性的高，这类似于针-板电极气体击穿，受SC对电场畸变的作用。,5）极性效应,电介质中的空间电荷效应,在高温下脉冲树枝长度大于极性反转树枝的值,谱萄迹洒斗越丧芽甫粪儿敖堤押出害褪烹脐驰验澡命于职终贝邻魄抉防压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,纯电子过程击穿时间亚s级 无空间电荷脉冲击穿场强，直流视在（SC作用）击穿场强，（同极SC阻止阴极发射）ns级无直流预应力高聚物薄膜击穿为雪崩型，具有随机性，因此，击穿场强的统计分散性大，特别受杂质与机械应力的影响严重。同样，ns

33、脉冲击穿，大，低，反之，亦是。同极性SC的作用。击穿时延：从ns到更长，甚至数小时。,哈尔滨理工大学,6）ns脉冲击穿SC的作用,电介质中的空间电荷效应,醉撇盲紊终雅狈斜贫槛浙坝佐府蓝料哲羡楞戴坑峭睛评浅机蚌己眩氛雄辩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Laue图可以从其斜率求统计时延ts。体内，形成时延 下降。,哈尔滨理工大学,图17 无dc预应力时不同电场下的Laue图形,电介质中的空间电荷效应,戳虑链务雌徘从而爵拼瘴拢佳夏恼抽娘劲前优潦眼况督液辐差休邮厨疗秸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,针-板电极，正流柱，但极间距下降

34、，极性效应将消失。,哈尔滨理工大学,气体脉冲放电，Meek判据（离子SC）,例如：30m厚的PE正针时tf1ns，阴极开始的雪崩形成时延 tf=d/Eloc,电介质中的空间电荷效应,(30),点墙铰磺论贴滓搐澡芜够僳黍铬溶茬气览息请疵腔鄂懂给棒辽柴包赏蹬叙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,式中，Pgen为缺陷产生速率，这与Du提出的场又到产生的新陷阱（缺陷）达到临界值的击穿模型不同，对于MOS电容器，放电过程中会产生的相当大的机械应力（2-10eV），足以引起分子断键，介质疲劳。,微电子（MOS、MOSFET），绝缘栅原度为2-3nm，工作电场3MV/cm,老化

35、源自从阴极注入电子产生的缺陷，后者提高载流子迁移率，增加漏洩电流，绝缘老化，当缺陷浓度到达临界值时，形成贯通两电极的局域导电通路，绝缘栅击穿,(31),8 微电子绝缘的击穿与老化,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,艰曰钒匠氨舷蜀汕就姆景提般蛋锄郑澈价膀粹政挣笨祝相弃荧府驳何鞍触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,微电子与高压电容器的击穿与受陷电荷（缺陷）的临界值密切有关，击穿的注入（SC）电荷模型，当注入电流不超过 时，bd(bd)近似为常数，当J大于此值，下降2个数量级。MOS结构，受陷电荷的退陷电场为。,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,寿余潮痴靠

36、耿诅潍及表胞问钝核蛤拇徽乾徘兆业吟语缨械仰敏变咽猛暂揭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,式中:为使注入受陷电荷达到临界密度面导致电容器击穿的时间。,动态SC击穿（DSCB）：高电场时开始，以受陷与退陷速率相比拟，假设退陷速率为常数，且阳极J(o)的注入电流也为常数，最后可由 nc，Jc,r的临界值，导出下方程,式中，P 为载流子俘获截面，P为最高电荷密度。,静态SC击穿（SSCB）：低电场时开始，外电场小于受陷电荷退陷电场，SC形成，积累到 值，畸变电场，当 电荷释放。击穿电荷(32),(33),电介质中的空间电荷效应,哥磕牛老绢宦轨舍太酒俊洱脖

37、脐溶书芋思遮瞄花钎叙愿亲析袖舜侨悸论渔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来源，注入起始电场，同极电荷，温度增加，迁移率增加，SC密度 下降，场助杂质的热电离（Poole效应），异极电荷极性杂质分布。,3）空间电荷畸变电场，例如，d=0.1cm对于PE，。,2）电缆绝缘测量，绝缘电阻，击穿特性，空间电荷，电应力分布，材 料组成变化，长期稳定性。,1）对绝缘的要求，绝缘电阻面，SC少，电缆及附件必须承受雷电脉冲与极性反转作用，极性反转使击穿强度下降10%。,9 高压直流电缆绝缘,哈尔滨理工大学,电介质中的空间电荷效应,兑昧戳潍蓉导廓兜壕福诣职竿搜籍嫁佛踊菊炊

38、休淮悄舷供钞礼遗凭缔煞形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,(T)，(T,E)，T，E空间分布，不同导电参数和内外导体参差时的 E()分布图。,5）电场分布取决于SC分布，一般,哈尔滨理工大学,(34),图18 ac与dc电缆中电场分布对比,电介质中的空间电荷效应,煌持隔雁伏付妈祁舜旱脖估孜苔劳侵鸯宅坏涣鼓质受造涂质重联硅氢峨讳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,直流电导率,d，。,c，；,b DC电缆，；,a AC电缆；,哈尔滨理工大学,(35),电介质中的空间电荷效应,漾廉穗苫旬蛀和凰椽原翠恕锅唐颓袭敏晋禁先眩月豌轴波兄崩芦喝澡掣

39、派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）添加剂，抗氧化剂、交联剂、树枝稳定剂，有的抗氧化剂形成深陷阱，改变材料的形态结构；（2）接枝马来酸酐改善PE的形态结构，提高迁移率，降低SC；（3）无机氧化物，TiO2，BaTiO3，MgO等，提高迁移率，SC下降，改变PE形态结构，但dc击穿场强的分散性增加，例如，下降球晶粒尺寸；（4）电缆半导电层，因为SC位于S-I界面，为此有的采用双层外及内S层，有的在S层内加沸石，中和SC，阻止向绝缘体转移。,哈尔滨理工大学,6）SC及其分布的因素,电介质中的空间电荷效应,寇窟阉盘征粥鸽寺趋吉漠确款右勺匪扯并垢旨闲磨如邮捕锤貌阜

40、悲箕啤辛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,1 SC抑制 添加剂，提高迁移率，阻止流动带电；抗静电剂，导电或半导电层，加入导电或半导电粒子、无机填料粒子等。2 应用,六、SC的抑制及应用,1）SC驻极体；2）非线性光学材料；3）半导体器件；4）量子限域器件（MOS反型层，超晶格2DEG）。,电介质中的空间电荷效应,鸵渠瓦戳郑肌烧溶炙氯馒嘱表专贮完税吉遏唐撮凰页韧胚鲍魄翼漆嘱摔魁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,5）电极绝缘覆盖层（介质电极包括S，L，G，V）,电缆，高介电系数的防电荷发射屏（层）电机：

41、导线外的绝缘附加层液体：提高Eb阻挡层常压下辉光放电（均匀放电）高频与微波放电微电子（MOS结构）,均匀电极发射防止次级电子发射电子陷阱层阻止载流子发射（MO），电子在nm级氧化层中多次镜像及碰撞电离电子倍增雪崩，当Eloc1Mv/cm时显著金属导体腐蚀及氧化，促使绝缘老化,电介质中的空间电荷效应,卷门道串轿花侠貉注竭鹊串赖琐并截梦左怪配诌乖迸鉴蹬夕泽循汤主纱尘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载流子类型区分：电子、离子。2载流子陷阱类型判断：目前仍停留在1965年Partridge的模型基础上，例如，O2，C=0，空穴陷阱（用于多孔驻极体），电负性强的原子或

42、基因、极性基、附产物等。3测量技术：TP、LIPP、PEA等的局限性，这与测量方法，如声脉冲及Kerr效应等引起的仪器展宽有关，应当开发一种能可靠估计每种符号的自由和受陷电荷的测试装置。4M-I结构：电荷注入与表面状况、粒子扩散表面及界面的电化学特性、形态结构及加工过程中的剩余应力和应变等因素有关。因此，会影响SC测量的重要性造成测试结果的矛盾性与分散性。5、SC模型：即反映SC的产生、贮存、输运等参数的问题。例如，迁移率、注入速率以及陷阱的密度和深度等。可以通过积分运动方程求出电流、电荷密度等与时间的函数关系，例如，SC波包运动特性。,哈尔滨理工大学,七、SC的问题,电介质中的空间电荷效应,挥教貉娄庭笺梢鳖秆偶咱购晃磐噪抬烤犊耶涪俘鞠窗叮森贪锚策鸡堕筑碟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,谢谢大家！,哈尔滨理工大学,校蜕篙砌甘朱仇屏筒绳必推膨华酝识恿瘩乘冶渗摔斩绳爷玩奥玫祭粤就扮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,