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1 工程電介質(zhì)物理學 電介質(zhì)的擊穿 4 BreakdownofDielectrics李建英2012年4月 5月 2 上節(jié)課小結(jié) 氣體介質(zhì)的擊穿 1 負電性氣體的擊穿自持放電的判據(jù) 2 極不均勻電場中氣體的擊穿電暈起始電壓 針為正極性時高擊穿電壓 針為負極性時高 3 液體介質(zhì)的擊穿高純度液體的擊穿理論 碰撞電離氣泡擊穿理論 熱化氣 電離化氣雜質(zhì)擊穿理論 水橋 固體雜質(zhì)小橋模型 判據(jù) 碰撞電離開始 判據(jù) 碰撞電離發(fā)展到一定程度 3 4 固體電介質(zhì)的擊穿 一 概述 與氣體 液體介質(zhì)相比 固體介質(zhì)的擊穿有何不同 固體介質(zhì)的擊穿場強較高擊穿后在材料中留下有不能恢復的痕跡 如燒焦或溶化的通道 裂縫等 去掉外施電壓 不能自行恢復絕緣性能 擊穿形式 熱擊穿電擊穿不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿 固體電介質(zhì)擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系 4 一 熱擊穿 由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的不穩(wěn)定過程所造成的 影響因素 與材料的性能有關(guān)絕緣結(jié)構(gòu) 電極的配置與散熱條件 及電壓種類 環(huán)境溫度等有關(guān) 因此熱擊穿強度不能看作是電介質(zhì)材料的本征特性參數(shù) 二 電擊穿 在較低溫度下 采用了消除邊緣效應(yīng)的電極裝置等嚴格控制的條件下 進行擊穿試驗時所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象 5 主要特性 擊穿場強高 大致在5 15MV cm范圍 在一定溫度范圍內(nèi) 擊穿場強隨溫度升高而增大 或變化不大 反映了固體介質(zhì)耐受電場作用能力的最大限度僅與材料的化學組成及性質(zhì)有關(guān) 材料的特性參數(shù)之一 又稱為耐電強度或電氣強度 三 不均勻電介質(zhì)的擊穿 包括固體 液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種擊穿形式 擊穿往往是從耐電強度低的氣體中開始 表現(xiàn)為局部放電 然后或快或慢地隨時間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴大 致使介質(zhì)擊穿 6 二 固體電介質(zhì)的熱擊穿 一 瓦格納熱擊穿理論 瓦格納熱擊穿模型 設(shè)固體介質(zhì)置于平板電極a b之間 該介質(zhì)有一處或幾處的電阻比其周圍小得多 構(gòu)成電介質(zhì)中的低阻導電通道 設(shè)通道的橫截面積S長度為d導電率 直流電壓U 單位時間產(chǎn)生的熱量 單位時間散出的熱量 散熱系數(shù) 又 導電通道在溫度t0時的電導率 溫度系數(shù) 7 發(fā)熱與散熱曲線 是溫度的函數(shù) 所以發(fā)熱量Q1也是溫度的函數(shù) 因此對于不同的電壓U值 Q1與t的關(guān)系是一簇指數(shù)曲線 曲線1 2 3分別為在電壓U1 U2 U3 U1 U2 U3 作用下 介質(zhì)發(fā)熱量與介質(zhì)導電通道溫度的關(guān)系 而散熱量Q2與溫度差 t t0 成正比 如圖中曲線4所示 8 在切點t應(yīng)滿足以下兩個條件 將5 54 55 56代入上式 考慮到 熱擊穿臨界電壓 0是0 時導電通道的電阻率 瓦格納熱擊穿理論適用條件 瓦格納熱擊穿理論適用于一些固體介質(zhì)中存在有電阻率比其周圍小得多的通道的情況 如絕緣紙 橡膠等材料 對于玻璃 石英等較均勻的介質(zhì) 瓦格納理論顯然就不適用了 此外 瓦格納理論中有關(guān)導電通道的本質(zhì) 大小電導率和散熱系數(shù)等均是未知數(shù) 要用它來計算固體介質(zhì)的熱擊穿電壓還是困難的 9 二 均勻固體電介質(zhì)熱擊穿電壓的確定 單側(cè)散熱無限大一維平板介質(zhì)模型 厚度為d的無限大平板介質(zhì)處于平行板電極之間 材料結(jié)構(gòu)是完全均勻的 設(shè)只有右側(cè)電極向周圍散熱 導熱系數(shù)K 單位時間內(nèi)流經(jīng)x處單位面積的熱量 負號表示熱量向溫度降低方向流動 單位時間內(nèi)流經(jīng)x dx處單位面積的熱量 包括散熱 發(fā)熱和溫升在內(nèi)的熱平衡方程 考慮到介質(zhì)材料通常是在長時間作用的交 直流電壓或短時間的脈沖電壓下工作 可以近似化為兩種極端情況來討論方程式 電壓作用時間很短 散熱來不及進行的情況 脈沖熱擊穿電壓長時間作用 介質(zhì)內(nèi)溫度變化極慢的情況 穩(wěn)態(tài)熱擊穿 10 1 脈沖熱擊穿 電場作用時間很短 導熱過程忽略 如知道E E t 及 E T 即可求得臨界溫度時的熱擊穿場強 假設(shè)脈沖電場為斜角波形電場 Ec 熱擊穿場強 tc 至擊穿的時間 電場不太強時 由上面幾式可得 分離變量并積分 在環(huán)境溫度不高時 熱擊穿臨界場強 tc和T0的影響 11 2 穩(wěn)態(tài)熱擊穿 在外施電壓U0作用下 在介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時 電場強度E d dx 則電流密度 代入上式得 為簡化 僅討論散熱條件極好 電極溫度始終等于周圍環(huán)境溫度T0的情況 此時介質(zhì)中心x 0處溫度最高 計為Tc x 0處 dT dx 0 代入 12 積分得熱擊穿臨界電壓 且假定介質(zhì)的導熱系數(shù)為常數(shù) 即K T K 得 若環(huán)境溫度不高時 T0 Tc T0 由于U0c隨T0升高而增大遠不如隨e1 T0降低快 所以近似為 A 與材料有關(guān)的常數(shù) 分析 熱擊穿電壓與溫度的關(guān)系 電阻率 熱擊穿電壓的實驗判據(jù) 13 熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系 熱擊穿電壓與厚度的關(guān)系 與厚度無關(guān) 晶體巖鹽熱擊穿電壓 電阻率與溫度的關(guān)系1 熱擊穿電壓2 電阻率 兩式比較 lgU0C 1 T0與lg 1 T0都是直線關(guān)系 僅兩條直線的斜率相差一倍 圖與理論相吻合 常用這一關(guān)系作為熱擊穿的實驗判據(jù) 14 熱擊穿電壓與頻率的關(guān)系式 A 常數(shù) 當所加電壓為交變電壓時 上式中的 為固體介質(zhì)的有效電阻率介質(zhì)在交變電壓下的有效電阻率比直流電阻率要小 因此交流熱擊穿電壓通常低于直流熱擊穿電壓 根據(jù)上式 交流熱擊穿電壓與電介質(zhì)有效電阻率的平方根成正比 而有效電阻率又與電介質(zhì)的介電常數(shù) r 損耗角正切tg 及電壓頻率f成反比 玻璃熱擊穿場強與頻率的關(guān)系 可見熱擊穿場強隨頻率升高而降低 這是由于電介質(zhì)的損耗隨頻率的升高而增大 當所加電壓的值相同時 電介質(zhì)的發(fā)熱隨頻率而增加 致使熱擊穿場強下降 熱擊穿電壓與電介質(zhì)厚度無關(guān) 電介質(zhì)厚度增大時 熱擊穿場強表現(xiàn)出降低的趨勢 15 三 固體電介質(zhì)的電擊穿 理論基礎(chǔ) 氣體放電的碰撞電離理論 又 估算得 晶格質(zhì)點 不能自由熱運動 只能在晶格平衡位置上做微小振動 這些熱振動相互關(guān)聯(lián) 形成一系列頻率的晶格振動 以波的形式在固體介質(zhì)中傳播 晶格波 電子與晶格波的相互作用 電子可以失去能量 而被制動 電子從晶格波得到能量而進一步加速 只有在電場很強時 電子才可以獲得引起碰撞電離的能量 16 在強電場下固體導帶中可能因場致發(fā)射或熱發(fā)射而存在一些導電電子 這些電子在外電場作用下被加速獲得動能 同時在其運動中又與晶格振動相互作用而激發(fā)晶格振動 把電場的能量傳遞給晶格 1 當這兩個過程在一定的溫度和場強下平衡時 固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導 2 當電子從電場中得到能量大于損于給晶格振動的能量時 電子的動能就越來越大 當電子能量大到一定值后 電子與晶格振動的相互作用便導致電離產(chǎn)生新電子 自由電子數(shù)迅速增加 電導進入不穩(wěn)定階段 擊穿開始發(fā)生 碰撞電離理論 本征電擊穿理論 碰撞電離開始作為擊穿判據(jù) 雪崩擊穿理論 碰撞電離開始后 電子數(shù)倍增到一定數(shù)值 足以破壞電介質(zhì)結(jié)構(gòu)為擊穿判據(jù) 按擊穿判定條件不同 電擊穿理論可分為兩大類 本世紀30年代 Hippel和Frohlich以固體物理為基礎(chǔ) 量子力學為工具 發(fā)展起來了固體電介質(zhì)電擊穿的碰撞電離理論 17 一 本征電擊穿理論 在電場E的作用下 電子被加速 它的平均速度為 電子單位時間從電場獲得的能量 松弛時間 與電子能量有關(guān) 晶格振動的能量是量子化的 聲子 電子放出聲子的概率總大于電子吸收聲子的概率 所以電子給予晶格振動的能量總大于它們從晶格振動獲得的能量 設(shè)單位時間內(nèi)電子與晶格振動相互作用為1 次 則電子單位時間中損失給晶格振動的能量為 晶格振動與溫度有關(guān) 上式可改寫為 使該式成立的 為擊穿場強 18 本征電擊穿理論又分為單電子近似和集合電子近似兩種理論 單電子近似理論 假設(shè) 略去電介質(zhì)中導電電子間的相互作用 用強電場下單個電子的平均特性來求取擊穿場強 把導電電子與晶格振動的相互作用 看成是對晶格周期勢場的微擾 解出相互作用概率 然后通過能量平衡方程求出臨界擊穿場強 平衡點隨著場強的增加向電子能量減小的方向移動 即場強增大 到達平衡時電子具有的能量減小 19 1 Hippel低能電擊穿判據(jù) 低能電子 希伯爾電擊穿臨界條件意味著 低能電子單位時間從電場獲得的能量超過最大的能量損耗 才能導致碰撞電離的發(fā)生 當然能量大于的其他電子 也一定可以從電場得到足夠的能量而引起碰撞電離 希伯爾認為擊穿是由低能電子造成的 故稱為低能判據(jù) 20 2 Frohlich高能電擊穿判據(jù) 以電子能量u u1時的平衡條件作為擊穿的臨界條件 Frohlich臨界擊穿場強 晶格電離能 得 Frohlich認為 晶體導帶中的電子是按能量以一定幾率分布的 具有各種能量的電子都以一定幾率存在 其中大多數(shù)電子能量較低 少數(shù)是高能量電子 如果加速附近的電子 就能引起碰撞電離 Frohlich認為擊穿是由高能電子造成的 故稱為高能判據(jù) 21 Hippel和Frohlich判據(jù)的區(qū)別 Hippel 電場開始加速 的低能電子引起的 這電場可以加速幾乎所有 充分條件 高 Frohlich 電場開始加速能量接近 的高能電子引起的 這電場可以加速少 部分電子 必要條件 低 表5 10中 的電子 由實驗規(guī)律知 電擊穿在T0較低時 這是因為低溫時 含雜質(zhì)晶體或非晶態(tài)電介質(zhì)中 存在于雜質(zhì)能級上的電子很少 它們之間的相互作用可以忽略不計 但高溫時 雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)目增多 不僅同導電電子相互作用 且自相作用 形成電子系 22 集合電子近似理論 由Frohlich針對無定形固體電介質(zhì)的高溫擊穿提出來的 以nC nS和nD分別表示導帶 淺陷阱和深陷阱上的電子數(shù) 假設(shè) 則有 導帶底部和淺陷阱底部附近能級密度之比 單位時間自由電子獲得能量為 能量損失主要是由雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上電子傳給晶格 它是由吸收和放出聲子來實現(xiàn)的 A B都是通過雜質(zhì)能級激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)nS來實現(xiàn)的 平衡關(guān)系 T0 晶格溫度 Te 電子系溫度 23 能量增益速率A B能量損失速率與電子系溫度Te的關(guān)系 由圖中可以看出 電子系從電場獲得的能量隨電子系溫度升高而迅速增大 而傳遞給晶格的能量也隨電子系溫度升高而增加 但增加速率愈來愈慢 Ec 集合電子近似的臨界擊穿場強 解得 上式表明 隨著晶格溫度T0的增加 擊穿場強Ec下降 這與固體電介質(zhì)的高溫電擊穿場強隨著電介質(zhì)溫度升高而下降的實驗規(guī)律是一致的 24 場致發(fā)射擊穿 2 雪崩擊穿理論 根據(jù)雪崩激勵的不同 分為 場致發(fā)射擊穿碰撞電離雪崩擊穿 價帶向?qū)鲋掳l(fā)射電子 電子雪崩 向晶格注入能量 if 臨界溫度 導致?lián)舸?場致發(fā)射擊穿 Zener 用量子力學計算 FranZ 再修正 應(yīng)用脈沖熱擊穿的標準作為臨界條件 忽略傳導熱 25 電離能 即禁帶寬度 至擊穿的時間 式中I的單位為eV tc單位為 s 對于大多數(shù)電介質(zhì)來說 I約為2 7eV 在加壓時間為 s的寬廣范圍內(nèi) 上式給出的臨界擊穿場強為109V m 碰撞電離雪崩擊穿 基礎(chǔ) 導帶中的電子 發(fā)生碰撞電離 由陰極向陽極發(fā)展 形成電子雪崩 當電子雪崩區(qū)域達到某一界限時 晶格結(jié)構(gòu)被破壞 固體發(fā)生擊穿 26 SeitZ單電子理論 根據(jù)SeitZ理論 一個由陰極出發(fā)的初始電子 在其向陽極運動過程中 1cm內(nèi)大致發(fā)生40次的碰撞電離 固體電介質(zhì)即可破壞 崩頭的擴散長度 體積 原子數(shù) 若要破壞晶格 每個原子只需要10eV的能量 則體積V內(nèi)需要的能量為1018eV n 10 6cm3 1023 cm3 1017 D 1cm2 s N 1023 cm3 27 走1cm后 電子獲得能量為106eV 需要的電子數(shù)為1012個 電子一代撞擊產(chǎn)生兩個電子 經(jīng)n代碰撞 共有電子數(shù)2n 由 n 40 40代理論 注意 這種擊穿的特征是擊穿場強具有低溫區(qū)的特性 且擊穿場強隨試樣厚度減薄而增加 進行推論 當介質(zhì)厚度很薄 碰撞電離不足以發(fā)展到四十代 電子崩已進入陽極復合了 介質(zhì)就不易擊穿 即擊穿場強將要提高 工程上使用薄膜即為此理論的應(yīng)用 28 小結(jié) 固體介質(zhì)的擊穿 熱擊穿 非本征 電擊穿 本征 不均勻介質(zhì)的擊穿 瓦格納熱擊穿 低阻通道 均勻固體熱擊穿 脈沖熱擊穿 穩(wěn)態(tài)熱擊穿 T f d的影響 本征電擊穿 雪崩電擊穿 單電子近似理論 集合電子近似理論 低能判據(jù) 高能判據(jù) 場致發(fā)射擊穿 碰撞電離雪崩擊穿 40代理論