《雷清泉院士电介质中的空间电荷效应》由会员分享，可在线阅读，更多相关《雷清泉院士电介质中的空间电荷效应（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电介质中的电介质中的空间电荷效应空间电荷效应哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学雷清泉雷清泉 陈庆国陈庆国一、概述1、定义：空间电荷（Spacecharge-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、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、
2、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应二、SC的形成阻挡接触： ，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
3、，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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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)(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SC1）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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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，
4、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。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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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
5、应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学通过光生载流子，在偏压电场或SC自身电场作用下，形成空间调制的周期分布。7、非线性光析变材料(-OEO材料)条件：光生载流子，光电导；电荷在外场或自建场中分离运动，形成周期性SC分布；周期场调制材料的光折射率（EO效应），形成位相光栅
6、。应用：全息实时存储、光象放大器、振荡器、相位共轭器、空间调制器、光学信息处理及光学计算技术等。问题：探索陷阱中心的化学本质，陷阱深度及密度同光析变效应的关系，以及如何稳定陷阱结构等。电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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
7、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学2空间（位置）：体、表、箱、薄层、分布。3时间：动力学过程、电极接触、电荷产生释放、扩散、受陷、退陷、复合等。（1）迁移项、（2）扩散项、（3）复合项、（4）杂质电离项、（5）
8、再俘获项、（6）退陷项。(11)(12)电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应4）离散分布，(16)哈尔滨理工大学3）指数分布，(15)2）多重离散陷阱能级分布，(14)1）单一陷阱能级分布， (13)4能量：深陷阱（1.5eV）、浅陷阱（105V/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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应（3）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
9、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应 4SC波包 电荷波包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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应2）
10、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应TSC峰反转。n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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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
11、电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学（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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应n高聚物击穿的典型特征哈尔滨理工大学a)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）。b)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。c)在-190时，聚乙烯醇的Eb为15 MV/cm，由于在侧链内含极性基-OH。d)老化击穿，电树，水树，电化学老化，局部老化等。电介质中的
12、空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应n时间关系时间区间：10-9s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 短哈尔滨理工大学短时材料结构、极性基、交联、立体异构、添加剂、MI界面等作用SC、PD等作用消除边缘放电电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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（106V/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（SC）电场调节高场（106107V/cm），FN发
13、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学图13 阳极
14、上负离子/电子中和，Auger效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学偶电层形成机理（类似于P-N结）体内离子运动，可测原始短路电流极性与可极化液体分子的取向有序电子从或到M的转移（接触带电）形成离子态偶电层特点与作用有效厚度（Debye屏蔽长度）1nm等效电荷密度，20nC/cm2电场107V/cm，电极局部电场增强系数M=110产生电极处微气泡：“冷型”，ML界面张力下降气泡形成时间：40nsdc，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
15、荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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、
16、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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、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
17、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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5-2
18、0nm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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应v v（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/
19、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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
20、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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
21、由体积可以重排，内聚能密度比晶相低。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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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)的单一或联合作用。在电压与空间电荷作用下，将材料中的nano-尺
22、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
23、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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）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， ，
24、 。电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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，
25、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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），。哈尔滨理工大学（4）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10m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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷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 纯电子过程击穿时间亚s级 无空间电荷脉
26、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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷
27、效应电介质中的空间电荷效应针-板电极，正流柱，但极间距下降，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tf1Mv/cm时显著金属导体腐蚀及氧化，促使绝缘老化作用电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应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电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应电介质中的空间电荷效应谢谢大家！哈尔滨理工大学
