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關于電擊穿試驗儀設備的特點
閱讀：1688發(fā)布時間：2022-4-15
固體介質的擊穿的介紹：
1 概 述
介質擊穿
Ub 為擊穿電壓（擊穿電場Eb=Ub/d ，d為介質厚度）
• 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）：如固體介質擊穿。
? 發(fā)生可恢復性變化：介質在電場的作用下被擊穿，把外電 場撤除后，介質又恢復其絕緣性能，如氣體。
? “自愈現象"（Self-Healing），如金屬化紙介電容器 。
• 固體介質擊穿的一般規(guī)律
1. 固體介質的擊穿電場大于液體和氣體介質
Eb （氣體） =3×106V/m
Eb （液體） =107~108V/m
Eb （固體） =108~109V/m
2. 固體介質擊穿是破壞性的
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、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：電擊穿為固體介質的本征擊穿。
產生原因：電子過程——電子碰撞電離
近代關于固體介質電擊穿的理論。
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，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，電子倍增到一定數值，足以破壞介 質絕緣狀態(tài)作為擊穿判據，這類理論稱為“雪崩"擊穿 理論。
碰撞電離理論
單位時間內，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，并作為介質擊 穿場強。
希伯爾低能判據
A與B在數值上有三種情形：
?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
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，產生 碰撞電離并導致擊穿。處于ξ＜Wi狀態(tài)的電子，存在時間 長，在經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，就能導致擊穿。
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)，經過約40次碰撞 電離，介質材料即被破壞，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D≈10-4m2/s。
在t=1μ s內，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，即破壞圓柱體內所有 原子所需能量為：1018eV。
每個電子經過1cm從電場中獲得的能量約為106eV，故只要
有1012個電子就破壞介質晶格。碰撞電離過程中電子數以
2 α增加
2α = 1012
α = 40
隧道擊穿
由于隧道效應使介質中電流增 大，介質失去絕緣性能的現象稱 為隧道擊穿。
隧道電流為：
A、B為與電極－介質間功函數有 關的常數，與溫度關系不大。 這個公式給出，從電極進入介質 導帶的隧道電流的密度與場強的 關系。
電極至介質隧道電流密度：
① 在強電場時隧道電流隨場強的增大而迅速增大，因 而必將導致介質失去絕緣性能。
② 福蘭茲提出用隧道電流導致介質溫升達到一定溫度 （臨界溫度Tc）作為介質隧道擊穿的判據。
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)均勻的固體介質材料是困難的， 通常固體介質中含有氣隙，以下兩種形式：
（1）電極與介質層之間留有氣隙
（2）介質內部存在氣隙或氣泡
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，使介質發(fā)生不貫穿電極的局部擊穿，這種現 象被稱為局部放電擊穿。
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