雷清泉院士_电介质中的空间电荷效应.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电介质中的,空间电荷效应,哈尔滨理工大学,雷清泉 陈庆国,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、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,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,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，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,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,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,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。,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,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,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,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。,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,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,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,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,）再俘获项、（,6,）退陷项。,(11),(12),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（,10,5,V/cm,t,p,足够长。,（,2,）同极,SC,，,J,d,与,J,c,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,（,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。一般表达式,为受陷,SC,的平均深度，,J,d,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,J,d,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,4,SC,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,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,TSC,峰反转。,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,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,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,高聚物击穿的典型特征,哈尔滨理工大学,20,时击穿场强,E,b,的范围,1-9MV,/,cm,，显著高于晶体的值（,0.5-1,MV/cm,）。,在低温区，,E,b,最高，极性高聚物的,E,b,可超过,10,MV/cm,，比非极性的高。,在,-190,时，聚乙烯醇的,E,b,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,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,t,f,长，流柱,t,f,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,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（,10,6,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（,SC,）电场调节,高场（,10,6,10,7,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,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,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,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,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/cm,2,电场,10,7,V/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：,40ns,dc,，,ac,，脉冲，,n,，,E,b,；,T,，,气泡，,E,b,laser,脉冲，,n,，,E,b,；,T,，,E,b,烷烃：,n-,C,n,H,2,n,+2,-,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,4,）,空间电荷击穿,E,b,t,b,当注入空间电荷达到临界值,Q,b,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,E,loc,E,b,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,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,N,t,c,，材料击穿。,（,2,）,电致发光,EL,，,J(E),SCLC,，,Q,SC,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,哈尔滨理工大学,图,15,老化与未老化试样的,Q,sc,阈值特性,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,10,7,N/m,数量级时，,V,10,-27,m,3,，,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,（,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,110,7,N/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,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；,e,F,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,，,与力学破坏的亚微孔起始尺寸,5-20nm,相当。电老化的临界电场,E,c,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,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,电介质承受不同老化因素包括：热、力场、电场及环境,(O,2,H,2,O,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，。,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,（,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，,Q,SC,增加，短路树枝长度增加，,后，,Q,sc,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），。,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,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,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,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,利用,Laue,图可以从其斜率求统计时延,t,s,。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,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：,30,m,厚的,PE,正针时,t,f,1Mv/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,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，,O,2,，,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。,4,M-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,谢谢大家！,哈尔滨理工大学,