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關于電擊穿試驗儀設備的特點
閱讀：2164發(fā)布時間：2022-4-15
固體介質(zhì)的擊穿的介紹：
1 概 述
介質(zhì)擊穿
Ub 為擊穿電壓（擊穿電場Eb=Ub/d ，d為介質(zhì)厚度）
• 擊穿的分類
? 本征擊穿（Intrinsic Breakdown）：電擊穿
? 非本征擊穿：熱擊穿（Thermal Breakdown）
? 放電擊穿（Discharge Breakdown）
• 介質(zhì)擊穿兩種情況
? 發(fā)生久性變化（或叫不可逆變化）：如固體介質(zhì)擊穿,。
? 發(fā)生可恢復性變化：介質(zhì)在電場的作用下被擊穿,，把外電 場撤除后，介質(zhì)又恢復其絕緣性能,，如氣體,。
? “自愈現(xiàn)象"（Self-Healing），如金屬化紙介電容器 ,。
• 固體介質(zhì)擊穿的一般規(guī)律
1. 固體介質(zhì)的擊穿電場大于液體和氣體介質(zhì)
Eb （氣體） =3×106V/m
Eb （液體） =107~108V/m
Eb （固體） =108~109V/m
2. 固體介質(zhì)擊穿是破壞性的
3. 擊穿的發(fā)展過程
? 介電性能的破壞：絕緣變成導體（電擊穿）
? 介質(zhì)本身的破壞：有明顯的擊穿通道（熱擊穿,、機械擊 穿）
4. 擊穿與實驗條件有關：
電極形狀、媒質(zhì),、散熱條件,、電壓類型、加壓時間,、厚度
電擊穿的特點
①擊穿前的強電場 ,，符合玻爾定律： I = I0 eAU 或弗蘭克爾定律： I = I0 eB U
②擊穿場強高，擊穿電場范圍較窄108~109V/m
③在均勻電場中,，電擊穿發(fā)生時的電場強度直到厚度為 0.1u-1u范圍都與厚度無關,。
④擊穿場強與周圍媒質(zhì)溫度無關
⑤擊穿場強與加壓時間無關
電擊穿必須滿足：
電導率γ 小、tgδ小,、散熱條件好,，無氣隙、無邊緣放電
熱擊穿的特點
電擊穿和熱擊穿的判斷
熱擊穿電壓比電擊穿電壓較低
固體介質(zhì)的熱擊穿理論
兩點結論：
?熱擊穿電壓Ub與溫度T密切有關,，和電阻率ρ與溫度 的關系相同,，只是指數(shù)減半，logUb的斜率差不多為 logρ斜率的一半,；
?熱擊穿電壓Ub與溝道長度d成正比,，但實驗未證實。
概念：電擊穿為固體介質(zhì)的本征擊穿,。
產(chǎn)生原因：電子過程——電子碰撞電離
近代關于固體介質(zhì)電擊穿的理論,。
按照擊穿發(fā)生的判定條件，電擊穿理論分為兩大類：
1. 以碰撞電離開始作為擊穿判據(jù),，這類理論為碰撞電 離理論,，或稱本征電擊穿理論；
2. 以電離開始后,，電子倍增到一定數(shù)值,，足以破壞介 質(zhì)絕緣狀態(tài)作為擊穿判據(jù),，這類理論稱為“雪崩"擊穿 理論。
碰撞電離理論
單位時間內(nèi),，電子從電場獲得能量為A,，同時與晶格碰撞 失去能量為B。晶格波能量是量子化?ω的,，電子與晶格波
的交換能應為其整數(shù)倍n?ω,。
平衡狀態(tài)：
當電場提高使平衡狀態(tài)破壞時A＞B，碰撞電離立即發(fā)生,。 由上式確定碰撞電離開始發(fā)生的起始場強,，并作為介質(zhì)擊 穿場強。
希伯爾低能判據(jù)
A與B在數(shù)值上有三種情形：
?當電場較弱時,，A＜B,，電子將損失能量達到其穩(wěn)定值,； ?A＝B時,，為平衡狀態(tài)，對應電子的最大能量,，臨界能量 ξc ?A＞B時,，電子將不斷從電場中獲得能量。
EH為希伯爾場強,，或臨界擊穿場強,。
電場要使具有這樣小能量以上的所有電子加速才能導致
擊穿，故稱為慢電子擊穿理論,。
①當電場E很低時,，A(E1)與B相交于兩點，電子能量ξ1＜ ξ＜ξ2的電子,，由于損耗大于獲得,，將不斷損失其能量 直至降低到ξ1而建立平衡時為止。若ξ＜ξ1,，則A＞B電 子能量增加,，直至ξ＝ξ1達到平衡，電導的穩(wěn)定狀態(tài)不 會破壞,，電強度也不致破壞,。
②當電場E很高時，在任何情形下總是A(E2)＞B,，肯定發(fā) 生擊穿,。
③當電場為某一臨界場強EH時，A(EH)曲線與B曲線相切,， 切點對應于B＝f2 (ξ)為最大值處,，此時平衡關系成立,，
即A(EH ,ξc ) = B(T0 ,ξc )
弗洛里赫高能判據(jù)
晶體電擊穿是一些高能量的快電子碰撞電離引起，而不需要 所有的慢電子參與,，電場只需加速部分高能量（接近晶格電離能）的電子即可使晶體擊穿,。
有兩種可能情況：
ξ′ > ξ3 > Wi ①如此大能量的電子數(shù)極少，且速度快,、碰撞頻繁,、自由程短，不易積累能量,，電子崩不易形成,。
ξ2 < ξ′ < Wi ②由于A＞B，電子在電場作用下被加速而能量增至Wi,，產(chǎn)生 碰撞電離并導致?lián)舸?。處于ξ＜Wi狀態(tài)的電子，存在時間 長,，在經(jīng)過較長的自由行程后,，積累足夠大的能量，易形成 電子崩,，使電強度破壞達到擊穿,，因此只要能量ξ稍小于Wi 的電子被加速，就能導致?lián)舸?/span>
碰撞電離理論
堿鹵晶體擊穿場強的計算值與實驗值
?希伯爾電場充分但不必要：欲加速幾乎全部電子,，所需 的電場強度自然偏高,。
?弗洛里赫電場必要但不充分，計算出的電場自然偏低,。
“雪崩"電擊穿理論
（1）碰撞電離雪崩擊穿
Seitz理論：一個電子從陰極出發(fā),，經(jīng)過約40次碰撞 電離，介質(zhì)材料即被破壞,，又稱為“40繁代理論",。
設電場強度E=108V/m，電子遷移率μ≈10-4m2/V · s,， 擴散系數(shù)D≈10-4m2/s,。
在t=1μ s內(nèi)，電子運動長度為1cm,，崩頭的擴散半徑
約為
在該圓柱體中原子數(shù)為
πr2 × 10?2 × 1029 ≈ 1017
設破壞晶格原子所需能量約為10eV,，即破壞圓柱體內(nèi)所有 原子所需能量為：1018eV。
每個電子經(jīng)過1cm從電場中獲得的能量約為106eV,，故只要
有1012個電子就破壞介質(zhì)晶格,。碰撞電離過程中電子數(shù)以
2 α增加
2α = 1012
α = 40
隧道擊穿
由于隧道效應使介質(zhì)中電流增 大，介質(zhì)失去絕緣性能的現(xiàn)象稱 為隧道擊穿。
隧道電流為：
A,、B為與電極－介質(zhì)間功函數(shù)有 關的常數(shù),，與溫度關系不大。 這個公式給出,，從電極進入介質(zhì) 導帶的隧道電流的密度與場強的 關系,。
電極至介質(zhì)隧道電流密度：
① 在強電場時隧道電流隨場強的增大而迅速增大，因 而必將導致介質(zhì)失去絕緣性能,。
② 福蘭茲提出用隧道電流導致介質(zhì)溫升達到一定溫度 （臨界溫度Tc）作為介質(zhì)隧道擊穿的判據(jù),。
③ 隧道電流與禁帶寬度有密切關系，禁帶狹窄時,，較 低場強下就有很大的隧道電流,。
機械擊穿
局部放電引起的擊穿
在工程上要制取一種連續(xù)均勻的固體介質(zhì)材料是困難的， 通常固體介質(zhì)中含有氣隙,，以下兩種形式：
（1）電極與介質(zhì)層之間留有氣隙
（2）介質(zhì)內(nèi)部存在氣隙或氣泡
在外施電壓作用下,，當擊穿場強較低的氣體（氣隙或氣泡）中的局部電場強度達到氣體的擊穿場強時，這部分氣 體開始放電,，使介質(zhì)發(fā)生不貫穿電極的局部擊穿,，這種現(xiàn) 象被稱為局部放電擊穿。
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