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(chǎng)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(fù)性變化：介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下被擊穿，把外電 場(chǎng)撤除后，介質(zhì)又恢復(fù)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(chǎng)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(dǎo)體（電擊穿）

? 介質(zhì)本身的破壞：有明顯的擊穿通道（熱擊穿、機(jī)械擊 穿）

4. 擊穿與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)：

電極形狀、媒質(zhì)、散熱條件、電壓類型、加壓時(shí)間、厚度

電擊穿的特點(diǎn)

①擊穿前的強(qiáng)電場(chǎng) ，符合玻爾定律： I = I0 eAU   或弗蘭克爾定律： I = I0 eB   U

②擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，擊穿電場(chǎng)范圍較窄108~109V/m       

③在均勻電場(chǎng)中，電擊穿發(fā)生時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度直到厚度為 0.1u-1u范圍都與厚度無關(guān)。                        

④擊穿場(chǎng)強(qiáng)與周圍媒質(zhì)溫度無關(guān)                     

⑤擊穿場(chǎng)強(qiáng)與加壓時(shí)間無關(guān)

電擊穿必須滿足：

電導(dǎo)率γ 小、tgδ小、散熱條件好，無氣隙、無邊緣放電

熱擊穿的特點(diǎn)

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(diǎn)結(jié)論：

?熱擊穿電壓Ub與溫度T密切有關(guān)，和電阻率ρ與溫度 的關(guān)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(zhǎng)度d成正比，但實(shí)驗(yàn)未證實(shí)。

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(guān)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(shí)間內(nèi)，電子從電場(chǎng)獲得能量為A，同時(shí)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(yīng)為其整數(shù)倍n?ω。

平衡狀態(tài)：

當(dāng)電場(chǎng)提高使平衡狀態(tài)破壞時(shí)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(chǎng)強(qiáng)，并作為介質(zhì)擊 穿場(chǎng)強(qiáng)。

希伯爾低能判據(jù)

A與B在數(shù)值上有三種情形：

?當(dāng)電場(chǎng)較弱時(shí)，A＜B，電子將損失能量達(dá)到其穩(wěn)定值；    ?A＝B時(shí)，為平衡狀態(tài)，對(duì)應(yīng)電子的最大能量，臨界能量 ξc ?A＞B時(shí)，電子將不斷從電場(chǎng)中獲得能量。

EH為希伯爾場(chǎng)強(qiáng)，或臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

電場(chǎng)要使具有這樣小能量以上的所有電子加速才能導(dǎo)致

擊穿，故稱為慢電子擊穿理論。

①當(dāng)電場(chǎng)E很低時(shí)，A(E1)與B相交于兩點(diǎn)，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(shí)為止。若ξ＜ξ1，則A＞B電 子能量增加，直至ξ＝ξ1達(dá)到平衡，電導(dǎo)的穩(wěn)定狀態(tài)不 會(huì)破壞，電強(qiáng)度也不致破壞。

②當(dāng)電場(chǎng)E很高時(shí)，在任何情形下總是A(E2)＞B，肯定發(fā) 生擊穿。

③當(dāng)電場(chǎng)為某一臨界場(chǎng)強(qiáng)EH時(shí)，A(EH)曲線與B曲線相切， 切點(diǎn)對(duì)應(yīng)于B＝f2 (ξ)為最大值處，此時(shí)平衡關(guān)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(chǎng)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(chǎng)作用下被加速而能量增至Wi，產(chǎn)生 碰撞電離并導(dǎo)致?lián)舸?。處于ξ＜Wi狀態(tài)的電子，存在時(shí)間   長(zhǎng)，在經(jīng)過較長(zhǎng)的自由行程后，積累足夠大的能量，易形成 電子崩，使電強(qiáng)度破壞達(dá)到擊穿，因此只要能量ξ稍小于Wi 的電子被加速，就能導(dǎo)致?lián)舸?/span>

碰撞電離理論

堿鹵晶體擊穿場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值

?希伯爾電場(chǎng)充分但不必要：欲加速幾乎全部電子，所需 的電場(chǎng)強(qiáng)度自然偏高。

?弗洛里赫電場(chǎng)必要但不充分，計(jì)算出的電場(chǎng)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(gè)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(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度E=108V/m，電子遷移率μ≈10-4m2/V · s， 擴(kuò)散系數(shù)D≈10-4m2/s。

在t=1μ s內(nèi)，電子運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為1cm，崩頭的擴(kuò)散半徑

約為

在該圓柱體中原子數(shù)為

πr2 × 10?2 × 1029  ≈ 1017

設(shè)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(gè)電子經(jīng)過1cm從電場(chǎng)中獲得的能量約為106eV，故只要

有1012個(gè)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(yīng)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(guān)的常數(shù)，與溫度關(guān)系不大。   這個(gè)公式給出，從電極進(jìn)入介質(zhì) 導(dǎo)帶的隧道電流的密度與場(chǎng)強(qiáng)的 關(guān)系。

電極至介質(zhì)隧道電流密度：

① 在強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)隧道電流隨場(chǎng)強(qiáng)的增大而迅速增大，因 而必將導(dǎo)致介質(zhì)失去絕緣性能。

② 福蘭茲提出用隧道電流導(dǎo)致介質(zhì)溫升達(dá)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(guān)系，禁帶狹窄時(shí)，較 低場(chǎng)強(qiáng)下就有很大的隧道電流。

機(jī)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(dāng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)較低的氣體（氣隙或氣泡）中的局部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，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。