电介质中的空间电荷效应课件.ppt

1、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

2、注入。哈尔滨理工大学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；imimimimmi 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)exp(2kTATJmT)exp(kTEJJsT

3、E21)4(03es)exp(2EBEAJE2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)exp(exp)exp(0iieEUddn)exp(kTEnnPFtsPF2)exp(2EBAEn3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)exp()(20EBETAJmhgEh4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

4、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 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 。xTxTr)(xT)(xxEEEJ00EEDE00）（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

5、，形成 空间调制的周期分布。)(x7、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。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

6、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。)201(SkVdtdV哈尔滨理工大学图2 正弦与PWM电压作用的极化模型 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 哈尔滨理工大学),(1),(1),()(),(),()(),()(),(),()(),(22txntxntxnTtxntxpTrxtxnTDxtxEtxnTttxnttftn 0),(),(txenxtxE 2空间（位置）：体

7、、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)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)(tEE)(,1ititniEEE )exp()(cckTEkTHEh 2)(exp)2()(2221ttmtEExHdxh t4能量：深陷阱（1.5eV）、浅陷阱（105 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

8、大学图7 零场面运动决定的SC放电电流（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，Jd与c 同向。dJcJdtdxJ2)2(QLLxjdx2Lx 哈尔滨理工大学图8 阴极局部阻挡时的放电电流Jd（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 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2）热激极化电流（TSP），极化达到饱和 ，再升温阻碍极化。,cTT ,cTTkTEQNPd3222

9、3)(kTENdTdPdtdPTJdd 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 000(0TETEFroehlichHippleTEddEbbbb非晶单晶集合电子近似（高能）判据（低能）判据单电子近似：试样密度）本征击穿哈尔滨理工大学电子雪崩击穿 0dEb薄层强化效应集合崩单崩0TEb场发射（隧道）击穿0dEb0TEb自由体积击穿0gT

10、TbTE 哈尔滨理工大学（2）热击穿过程 0TEb电力机械击穿0fTTbTE稳态热击穿脉冲热击穿（3）力学击穿过程0dEb0TEb0tEbn 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。n 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

11、大学)(exp)(0sftttNtNstsnstf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（SC）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界面机理哈尔滨理工大学图11 L-

12、M界面能级平衡图（双电层结构）哈尔滨理工大学图12 阴极上正孔/离子中和，Auger效应 哈尔滨理工大学图13 阳极上负离子/电子中和，Auger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107 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：40nsdc，ac，脉冲，n ，Eb ；T ，气泡，Eblaser脉冲，n ，Eb ；T ，Eb烷烃：n-C

13、n H2n+2-3）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、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

14、、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电荷形成有关，称以上阈值为电老化起始电场。短路加压EL（峰值）max)(IEJSCLC哈尔滨理工大学2）机理 场短路；场加压；SCSCQSC哈尔滨理工大学图15 老化与未老化试样的Qsc阈值特性 在Crine老化

15、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。exp2kTVGkTht哈尔滨理工大学3）SC老化模型（1）临界应力模型（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

16、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

17、理工大学 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。exp2kTFeGkTht1 k

18、TFekHz2cfmmkV10cFmaxmax哈尔滨理工大学 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。max哈尔滨理工大学 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

19、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

20、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，。SCQdtdVbE dtdV dtdV哈尔滨理工

21、大学图16 dc树技起始电压与升压速率的关系（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，极性反转会影响SC聚积畸变电场的分布。min20ctTct哈尔滨理工大学 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）

22、，。rtmin50rtmin1600rt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。cmMVEbi9

23、.4,cmMVEbdc8.5,bdcbiEE,8.0dtdVbiE,哈尔滨理工大学6）ns脉冲击穿SC的作用利用Laue图可以从其斜率求统计时延ts。体内 ，形成时延 下降。locEft哈尔滨理工大学图17 无dc预应力时不同电场下的Laue图形针-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bbEEfloctSVcmE),/1010(,221气体脉冲放电，Meek判据（离子SC）dppEpdln)ln(21)ln(6.14)ln(值下降至重复脉冲效应上升，脉冲：脉冲：dcbibdcbibdcbibEEEEnsEEs例如：30m厚的PE正针时tf1Mv/cm时显著金属导体腐蚀及

24、氧化，促使绝缘老化作用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的问题哈尔滨理工大学