雷清泉院士电介质中的空间电荷效应

电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学雷清泉陈庆国一、概述1、定义：空间电荷（Spacecharge-SC）通常是指局部空间内存在的一种正或负的净电荷。可呈点、线、面及体分布。在与半导体与绝缘体有关的许多情况下都会出现空间电荷。2、SC的类型：电子型、空穴型、离子型、偶极子型、极化子型和等离子体型。3、固体：定域态、陷阱、局域能级，代表干扰晶体周期性势场的物理及化学结构缺陷（前者阱深0.5-1.5eV，后者可达3-8eV）、杂质在禁带内构成的能级、表面态、表面偶极子态、体内偶极子态、体内分子离子态、杂质、端链、支链、叠链、晶区-非晶区边界、断键、极化子态、局域密度涨落等。杂质、添加剂、反应附产物，既可接受注入电荷，又可通过化学作用，增加电荷注入。哈尔滨理工大学电介质中的空间电荷效应4、液体：电极附近的双电层5、气体：雪崩，正离子。哈尔滨理工大学电介质中的空间电荷效应二、SC的形成阻挡接触：，电子从，电子耗尽层，能带向上弯，阻挡势垒。，注入接触（空穴）、空穴积累层；欧姆接触：，注入接触（电子）、电子积累层；中性接触：，无界面电荷；imimimimmi1）电接触（M-I，M-S体系）1接触2）化学与物理吸附，双（偶）电层，依据两相的电负性交换电荷。3）摩擦，流动带电、机加、挤出、压制等。哈尔滨理工大学电介质中的空间电荷效应3）Fowler-Nordheim发射(高场区)(3)2）场助热电子发射(中场区)(2)1）热电子发射(高温区)(1))exp(2kTATJmT)exp(kTEJJsTE21)4(03es)exp(2'EBEAJE2．电极发射4）隧道效应(7)3）从陷阱中释放(6)2）电子碰撞电离(5))]exp(exp[~)exp(~0iieEUddn)exp(~kTEnnPFtsPF2)exp(~2EBAEn3．体内SC1）杂质离子移动形成异极性SC哈尔滨理工大学4）热助场电子发射(中温区)(4))exp()('20EBETAJ电介质中的空间电荷效应mhgEh4．环境辐射效应吸潮，物理及化学吸附，空间电磁环境，真空等。1）低能（非电离）电磁辐射，光（红外、可见、紫外）0-40eV。2）高能（电离）辐射、原子或原子核过程产生的辐射，包括X射线、γ射线、快电子、重带电粒子（α粒子、质子）、重离子、中子、电子束、离子束等。3）辐射的作用：电子、离子→电导，俘获，受激分子、激子、激子电离→电导，发光→老化，自由基→化学反应、老化。（1）光电子效应，激子生成，（2）辐射感应电导，光驻极体哈尔滨理工大学电介质中的空间电荷效应5．电场效应：直流,同极,异极电荷,工频交流,载流子注入与抽出,产生应力应变。哈尔滨理工大学图1SC对电场分布的影响电介质中的空间电荷效应电流密度方程式(8)电位移方程式(9)局部电荷密度方程式(10)温度；电性能,；电荷、电场。xTxTr)(xT)(xxE···EEJ··00EEDE·00）（6．非均匀（复合）电介质1）MW界面极化(体内或M-I界面)2）不均匀性哈尔滨理工大学电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学通过光生载流子，在偏压电场或SC自身电场作用下，形成空间调制的周期分布。)(x7、非线性光析变材料(-OEO材料)条件：光生载流子，光电导；电荷在外场或自建场中分离运动，形成周期性SC分布；周期场调制材料的光折射率（EO效应），形成位相光栅。应用：全息实时存储、光象放大器、振荡器、相位共轭器、空间调制器、光学信息处理及光学计算技术等。问题：探索陷阱中心的化学本质，陷阱深度及密度同光析变效应的关系，以及如何稳定陷阱结构等。电介质中的空间电荷效应8.PWM作用下SC形成如图所示,低频正弦电压极化，正、负半周，电极电荷极性反转。PWM电压，由于电压突然反转，导致特定符号的自由电荷再吸收，但电荷符号与束缚电荷的相反，此时两种类型电荷共存。松弛时间快的偶极子对SC无贡献，慢的对SC有贡献，形成“宏观”偶极子.极性反转时，重复上述现象，最终造成表面电荷积累，因此在表面存在三种电荷：自由电荷、束缚电荷（极化）、阻挡电荷，源于PWM极性反转太快。)201(SkVdtdV哈尔滨理工大学图2正弦与PWM电压作用的极化模型电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学三、SC的极性和分布1．按邻电极的符号，分为同极性与异极性电荷。图3真空二极管中SC、电位及电场分布电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学),(1),(1),()(),(),()(),()(),(),()(),(22txntxntxnTtxntxpTrxtxnTDxtxEtxnTttxnttftn0),(),(txenxtxE2．空间（位置）：体、表、箱、薄层、δ分布。3．时间：动力学过程、电极接触、电荷产生释放、扩散、受陷、退陷、复合等。（1）迁移项、（2）扩散项、（3）复合项、（4）杂质电离项、（5）再俘获项、（6）退陷项。(11)(12)电介质中的空间电荷效应4）离散分布，(16)哈尔滨理工大学3）指数分布，(15)2）多重离散陷阱能级分布，(14)1）单一陷阱能级分布，(13))(tEE)(,,1ititniEEE)exp()(cckTEkTHEh]2)(exp[)2()(2221ttmtEExHdxht4．能量：深陷阱（1.5eV）、浅陷阱（0.5eV）、复合中心、划界能级。离散函数的偏差，最高陷阱密度能级。tmE电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学1．时间放电电流，表面电位衰减。2．温度TSC(热激电流)，热发光、热激表面电位衰减。3．压力压激电流。4．光光激放电电流，光激表面电位衰减。5．电场Poole-Frenkel效应；Onsager效应-激子电离。6．联合作用TSC-TSL；等温与非等温衰减。四、SC的释放电介质中的空间电荷效应lappoiEE82五、空间电荷效应1.电场畸变异极电荷，阴极电场可增加。哈尔滨理工大学02E02)(xE(17)(18)图4温度对柱形电极电场分布的影响电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学2．导电特性1）异极(离子)电荷，增加dc的电导率。Ea平均电场,(19))exp(~kTEJas2）改变Schottky发射特性Ed充电电流时的阴极电场，(20))exp(~kTEJcscEc放电电流时的阴极电场，(21))exp(~kTEJasd电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学图5SC畸变阴极电电场的Schottky发射图形电介质中的空间电荷效应32089dVJdVendVJ32089710,jjtnnn002089edVn02398Vdj2023edVNTFLt利用VTFL求出计算：有陷阱时,无陷阱时，3）SCLC哈尔滨理工大学(22)(23)(24)(25)(26)(27)电介质中的空间电荷效应应指出，若陷阱能级在禁带内呈分立或连续分布，则SCLC的理论将更为复杂。哈尔滨理工大学图6SCLC图形电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学2）放电电流Jd偶极子放电电流Jd与Jc反向。Vdtt2~3．充电与放电电流电荷在SC自建场中运动产生放电电流，反常(向)放电电流与充电电流方向相同。1）充电电流JcSCLC的渡越时间有关SC的Jd与陷阱的能量及空间分布、材料的不同均匀性、再受陷、电极附近的Schottky势垒，以及电极接触类型、试样历史、M-I的电化学势等因素有关。电介质中的空间电荷效应（1）Jd与Jc反向，tp105V/cm,tp足够长。（2）同极SC，Jd与Jc反向，零电场面x+，dx+/dt向右，Ｊd向左。哈尔滨理工大学图7零场面运动决定的SC放电电流电介质中的空间电荷效应（3）异极SC,与同向，注入电荷从源极至局部阻挡漏极，向左，向右。一般表达式,为受陷SC的平均深度，，Jd与Ｊc同向。dJcJdtdxJ2)2(~QLLxjdx2Lx哈尔滨理工大学图8阴极局部阻挡时的放电电流Jd电介质中的空间电荷效应（4）注入同极SC，欧姆电导中和。（5）欧姆电导，异极电荷。哈尔滨理工大学图9欧姆电导中各示意图电介质中的空间电荷效应4．SC波包电荷波包源自相反电极边界类波状电荷注入，空间电荷波包调制，在边界脉冲状放电。哈尔滨理工大学图10抗氧剂掺杂的氧化XLPE导电电流电介质中的空间电荷效应2）热激极化电流（TSP），极化达到饱和，再升温阻碍极化。,cTT,cTTkTEQNPd32223)(kTENdTdPdtdPTJdd影响充电、放电、TSC、TSP的特性有人为因素、平衡时间、电极、环境、试样条件（处理）、温度梯度、电化学效应、电磁干扰等。TSC峰反转。在相变温区，反常TSC峰，1）偶极退极化电流（TSC）5．热激电流哈尔滨理工大学电介质中的空间电荷效应TSC峰反转。理论模型哈尔滨理工大学1）固体电介质6．击穿特性(1)电子击穿过程000(0TETEFroehlichHippleTEddEbbbb非晶单晶集合电子近似（高能）判据（低能）判据单电子近似：试样密度）本征击穿电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学电子雪崩击穿0dEb薄层强化效应集合崩单崩0TEb场发射（隧道）击穿0dEb0TEb自由体积击穿0gTTbTE电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学（2）热击穿过程0TEb电力机械击穿0fTTbTE稳态热击穿脉冲热击穿（3）力学击穿过程电介质中的空间电荷效应0dEb0TEb0tEb高聚物击穿的典型特征哈尔滨理工大学a)20℃时击穿场强Eb的范围1-9MV/cm，显著高于晶体的值（0.5-1MV/cm）。b)在低温区，Eb最高，极性高聚物的Eb可超过10MV/cm，比非极性的高。c)在-190℃时，聚乙烯醇的Eb为15MV/cm，由于在侧链内含极性基-OH。d)老化击穿，电树，水树，电化学老化，局部老化等。电介质中的空间电荷效应时间关系时间区间：10-9s→数小时时延固体介质，，，服从气体放电规律。汤逊雪崩tf长，流柱tf短哈尔滨理工大学])(exp[)(0sftttNtNsts~nstf~短时材料结构、极性基、交联、立体异构、添加剂、M—I界面等作用SC、PD等作用消除边缘放电电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学2）液体介质的导电与击穿高绝缘性能液体电导低场（106V/cm）离子电导：剩余离子，分子离解，电极界面交换电荷电子电导，M—L界面电子转移Schottky势垒高度受双电层（SC）电场调节高场（106—107V/cm），F—N发射，击穿击穿过程电子过程：电极发射—雪崩气泡过程：电、热作用—雪崩电极处形成双电层电场降低界面张力，低密度微气泡Auger效应，电子与空穴宽能隙的非辐射跃迁复合，产生次级高能电子流注形成M—L界面机理电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学图11L-M界面能级平衡图（双电层结构）电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学图12阴极上正孔/离子中和，Auger效应电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学图13阳极上负离子/电子中和，Auger效应电介质中的空间电荷效应哈尔滨理工大学偶电层形成机理（类似于P-N结）体内离子运动，可测原始短路电流极性与可极化液体分子的取向有序电子从或到M的转移（接触带电）形成离子态偶电层特点与作用有效厚度（Debye屏蔽长度）~1nm等效电荷密度，20nC/cm2电场107V/cm，电极局部电场增强系数M=1~10产生电极处微气泡：“冷型”，M—L界面张力下降气泡形成时间：40nsdc，ac，脉冲，n，Eb；T，气泡，Eblaser脉冲，n，Eb；T，Eb烷烃：