关于电击穿试验仪设备的特点

固体介质的击穿的介绍：

1  概 述

介质击穿

Ub 为击穿电压（击穿电场Eb=Ub/d ，d为介质厚度）

•     击穿的分类

? 本征击穿（Intrinsic Breakdown）：电击穿

? 非本征击穿：热击穿（Thermal Breakdown）

? 放电击穿（Discharge Breakdown）

•     介质击穿两种情况

? 发生久性变化（或叫不可逆变化）：如固体介质击穿。

? 发生可恢复性变化：介质在电场的作用下被击穿，把外电 场撤除后，介质又恢复其绝缘性能，如气体。

? “自愈现象"（Self-Healing），如金属化纸介电容器 。

•     固体介质击穿的一般规律

1. 固体介质的击穿电场大于液体和气体介质

Eb （气体） =3×106V/m

Eb （液体） =107~108V/m

Eb （固体） =108~109V/m

2. 固体介质击穿是破坏性的

3. 击穿的发展过程

? 介电性能的破坏：绝缘变成导体（电击穿）

? 介质本身的破坏：有明显的击穿通道（热击穿、机械击 穿）

4. 击穿与实验条件有关：

电极形状、媒质、散热条件、电压类型、加压时间、厚度

电击穿的特点

①击穿前的强电场 ，符合玻尔定律： I = I0 eAU   或弗兰克尔定律： I = I0 eB   U

②击穿场强高，击穿电场范围较窄108~109V/m       

③在均匀电场中，电击穿发生时的电场强度直到厚度为 0.1u-1u范围都与厚度无关。                        

④击穿场强与周围媒质温度无关                     

⑤击穿场强与加压时间无关

电击穿必须满足：

电导率γ 小、tgδ小、散热条件好，无气隙、无边缘放电

热击穿的特点

电击穿和热击穿的判断

热击穿电压比电击穿电压较低

固体介质的热击穿理论

两点结论：

?热击穿电压Ub与温度T密切有关，和电阻率ρ与温度 的关系相同，只是指数减半，logUb的斜率差不多为  logρ斜率的一半；

?热击穿电压Ub与沟道长度d成正比，但实验未证实。

概念：电击穿为固体介质的本征击穿。

产生原因：电子过程——电子碰撞电离

近代关于固体介质电击穿的理论。

按照击穿发生的判定条件，电击穿理论分为两大类：

1. 以碰撞电离开始作为击穿判据，这类理论为碰撞电 离理论，或称本征电击穿理论；

2. 以电离开始后，电子倍增到一定数值，足以破坏介 质绝缘状态作为击穿判据，这类理论称为“雪崩"击穿 理论。

碰撞电离理论

单位时间内，电子从电场获得能量为A，同时与晶格碰撞  失去能量为B。晶格波能量是量子化?ω的，电子与晶格波

的交换能应为其整数倍n?ω。

平衡状态：

当电场提高使平衡状态破坏时A＞B，碰撞电离立即发生。 由上式确定碰撞电离开始发生的起始场强，并作为介质击 穿场强。

希伯尔低能判据

A与B在数值上有三种情形：

?当电场较弱时，A＜B，电子将损失能量达到其稳定值；    ?A＝B时，为平衡状态，对应电子的最大能量，临界能量 ξc ?A＞B时，电子将不断从电场中获得能量。

EH为希伯尔场强，或临界击穿场强。

电场要使具有这样小能量以上的所有电子加速才能导致

击穿，故称为慢电子击穿理论。

①当电场E很低时，A(E1)与B相交于两点，电子能量ξ1＜ ξ＜ξ2的电子，由于损耗大于获得，将不断损失其能量 直至降低到ξ1而建立平衡时为止。若ξ＜ξ1，则A＞B电 子能量增加，直至ξ＝ξ1达到平衡，电导的稳定状态不 会破坏，电强度也不致破坏。

②当电场E很高时，在任何情形下总是A(E2)＞B，肯定发 生击穿。

③当电场为某一临界场强EH时，A(EH)曲线与B曲线相切， 切点对应于B＝f2 (ξ)为最大值处，此时平衡关系成立，

即A(EH ,ξc ) = B(T0 ,ξc )

弗洛里赫高能判据

晶体电击穿是一些高能量的快电子碰撞电离引起，而不需要 所有的慢电子参与，电场只需加速部分高能量（接近晶格电离能）的电子即可使晶体击穿。

有两种可能情况：

ξ′ >  ξ3  > Wi                    ①如此大能量的电子数极少，且速度快、碰撞频繁、自由程短，不易积累能量，电子崩不易形成。

ξ2  <  ξ′ < Wi                   ②由于A＞B，电子在电场作用下被加速而能量增至Wi，产生 碰撞电离并导致击穿。处于ξ＜Wi状态的电子，存在时间   长，在经过较长的自由行程后，积累足够大的能量，易形成 电子崩，使电强度破坏达到击穿，因此只要能量ξ稍小于Wi 的电子被加速，就能导致击穿。

碰撞电离理论

碱卤晶体击穿场强的计算值与实验值

?希伯尔电场充分但不必要：欲加速几乎全部电子，所需 的电场强度自然偏高。

?弗洛里赫电场必要但不充分，计算出的电场自然偏低。

“雪崩"电击穿理论

（1）碰撞电离雪崩击穿

Seitz理论：一个电子从阴极出发，经过约40次碰撞 电离，介质材料即被破坏，又称为“40繁代理论"。

设电场强度E=108V/m，电子迁移率μ≈10-4m2/V · s， 扩散系数D≈10-4m2/s。

在t=1μ s内，电子运动长度为1cm，崩头的扩散半径

约为

在该圆柱体中原子数为

πr2 × 10?2 × 1029  ≈ 1017

设破坏晶格原子所需能量约为10eV，即破坏圆柱体内所有 原子所需能量为：1018eV。

每个电子经过1cm从电场中获得的能量约为106eV，故只要

有1012个电子就破坏介质晶格。碰撞电离过程中电子数以

2 α增加

2α = 1012

α = 40

隧道击穿

由于隧道效应使介质中电流增   大，介质失去绝缘性能的现象称 为隧道击穿。

隧道电流为：

A、B为与电极－介质间功函数有 关的常数，与温度关系不大。   这个公式给出，从电极进入介质 导带的隧道电流的密度与场强的 关系。

电极至介质隧道电流密度：

① 在强电场时隧道电流随场强的增大而迅速增大，因 而必将导致介质失去绝缘性能。

② 福兰兹提出用隧道电流导致介质温升达到一定温度 （临界温度Tc）作为介质隧道击穿的判据。

③ 隧道电流与禁带宽度有密切关系，禁带狭窄时，较 低场强下就有很大的隧道电流。

机械击穿

局部放电引起的击穿

在工程上要制取一种连续均匀的固体介质材料是困难的， 通常固体介质中含有气隙，以下两种形式：             

（1）电极与介质层之间留有气隙                     

（2）介质内部存在气隙或气泡

在外施电压作用下，当击穿场强较低的气体（气隙或气泡）中的局部电场强度达到气体的击穿场强时，这部分气 体开始放电，使介质发生不贯穿电极的局部击穿，这种现 象被称为局部放电击穿。