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

? 發生久性變化（或叫不可逆變化）：如固體介質擊穿。

? 發生可恢復性變化：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：

當電場提高使平衡狀態破壞時A＞B，碰撞電離立即發生。 由上式確定碰撞電離開始發生的起始場強，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定值；    ?A＝B時，為平衡狀態，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，電導的穩定狀態不 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 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，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，使介質發生不貫穿電極的局部擊穿，這種現 象被稱為局部放電擊穿。