電容器用聚丙烯薄膜中空間電荷擊穿機理的研究

聚丙烯薄膜是最常用最重要的電容器介質(zhì)材料之一，人們研究關(guān)于聚丙烯薄膜電容器的擊穿失效的機制對空間電荷在這個過程中的重要作用很少涉及。近年來，空間電荷在電介質(zhì)老化與擊穿過程中的重要作用逐漸被人們所認識?？臻g電荷的注入，積累和遷移與介質(zhì)的老化擊穿密切相關(guān)，特別是空間電荷的非電場畸變作用可能導(dǎo)致聚丙烯薄膜的意外擊穿，導(dǎo)致電容器失效?？臻g電荷的非電場畸變作用（即空間電荷的快速脫陷過程中可能導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿）是空間電荷與介質(zhì)的一種特殊的相互作用形式，但非電場畸變的作用機理目前還不清楚。介質(zhì)薄膜中的空間電荷行為會嚴(yán)重影響電容器運行的安全和穩(wěn)定性。所以,研究聚丙烯薄膜中的空間電荷非電場畸變作用,對于聚丙烯薄膜電容器使用壽命的預(yù)測,對于新型薄膜介質(zhì)高速電容器的設(shè)計與應(yīng)用,對于儲能與脈沖功率技術(shù),對于電氣設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性等,都具有十分重要的意義。

當(dāng) PN 結(jié)的反向偏壓較高時，會發(fā)生由于碰撞電離引發(fā)的電擊穿，即雪崩擊穿。存在于半導(dǎo)體晶體中的自由載流子在耗盡區(qū)內(nèi)建電場的作用下被加速其能量不斷增加，直到與半導(dǎo)體晶格發(fā)生碰撞，碰撞過程釋放的能量可能使價鍵斷開產(chǎn)生新的電子空穴對。新的電子空穴對又分別被加速與晶格發(fā)生碰撞，如果平均每個電子（或空穴）在經(jīng)過耗盡區(qū)的過程中可以產(chǎn)生大于 1 對的電子空穴對，那么該過程可以不斷被加強，最終達到耗盡區(qū)載流子數(shù)目激增，PN 結(jié)發(fā)生雪崩擊穿。定義碰撞電離率 α 為載流子沿電場方向經(jīng)過單位距離而引發(fā)新的電子空穴對的幾率，對于硅而言，電子與空穴對應(yīng)的碰撞電離率 α 是不相同的，為簡化計算，我們常用α的有效值代替空穴和電子各自的α，從而雪崩擊穿發(fā)生的臨界條件可表示為：

值得說明的是，有一些化合物半導(dǎo)體如 GaAs 中電子與空穴的碰撞電離率α是相等的，對于這些化合物半導(dǎo)體式（1-1）是嚴(yán)格成立的，對于硅，α的有效值約為 1.8×10E[2]。如果考慮到曲面結(jié)，電場不是簡單的一維分布，將式（1-1）以矢量路徑積分的形式表出：

式（1-2）中l(wèi)表示電場的方向矢量，為耗盡區(qū)邊界的位置。例如，對于球面結(jié)，電場的方向沿球面的半徑方向，載流子被徑向的電場加速直到與晶格發(fā)生碰撞或到達耗盡區(qū)邊界，發(fā)生雪崩擊穿的臨界條件為：

定義 PN 結(jié)發(fā)生臨界擊穿對應(yīng)的電壓為 PN 結(jié)的擊穿電壓 BV，BV 是衡量 PN結(jié)可靠性與使用范圍的一個重要參數(shù)，在 PN 結(jié)的其它性能參數(shù)不變的情況下，我們希望 BV 的值越高越好。在一維電場分布的條件下，擊穿電壓可表示為：

如考慮到電場的非一維分布如曲面結(jié)或不規(guī)則結(jié)面的情況，擊穿電壓更普遍的表達式為：

擊穿電壓 BV 為電場沿其起點至其終點的路徑積分值。