電容器用聚丙烯薄膜中空間電荷擊穿機(jī)理的研究基本信息

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(jī)制對(duì)空間電荷在這個(gè)過(guò)程中的重要作用很少涉及。近年來(lái)，空間電荷在電介質(zhì)老化與擊穿過(guò)程中的重要作用逐漸被人們所認(rèn)識(shí)?？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(chǎng)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(chǎng)畸變作用（即空間電荷的快速脫陷過(guò)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(chǎng)畸變的作用機(jī)理目前還不清楚。介質(zhì)薄膜中的空間電荷行為會(huì)嚴(yán)重影響電容器運(yùn)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(chǎng)畸變作用,對(duì)于聚丙烯薄膜電容器使用壽命的預(yù)測(cè),對(duì)于新型薄膜介質(zhì)高速電容器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,對(duì)于儲(chǔ)能與脈沖功率技術(shù),對(duì)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(shí)，會(huì)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(chǎng)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(guò)程釋放的能量可能使價(jià)鍵斷開產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。新的電子空穴對(duì)又分別被加速與晶格發(fā)生碰撞，如果平均每個(gè)電子（或空穴）在經(jīng)過(guò)耗盡區(qū)的過(guò)程中可以產(chǎn)生大于 1 對(duì)的電子空穴對(duì)，那么該過(guò)程可以不斷被加強(qiáng)，最終達(dá)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(chǎng)方向經(jīng)過(guò)單位距離而引發(fā)新的電子空穴對(duì)的幾率，對(duì)于硅而言，電子與空穴對(duì)應(yīng)的碰撞電離率 α 是不相同的，為簡(jiǎn)化計(jì)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(shuō)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(duì)于這些化合物半導(dǎo)體式（1-1）是嚴(yán)格成立的，對(duì)于硅，α的有效值約為 1.8×10E[2]。如果考慮到曲面結(jié)，電場(chǎng)不是簡(jiǎn)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(chǎng)的方向矢量，為耗盡區(qū)邊界的位置。例如，對(duì)于球面結(jié)，電場(chǎng)的方向沿球面的半徑方向，載流子被徑向的電場(chǎng)加速直到與晶格發(fā)生碰撞或到達(dá)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(duì)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(gè)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(chǎng)分布的條件下，擊穿電壓可表示為：

如考慮到電場(chǎng)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(dá)式為：

擊穿電壓 BV 為電場(chǎng)沿其起點(diǎn)至其終點(diǎn)的路徑積分值。