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固體電介質(zhì)擊穿電壓與熱擊穿理論
固體電介質(zhì)擊穿理論
固體電介質(zhì)的擊穿是指在相當(dāng)高的電場(chǎng)下，在電介質(zhì)中產(chǎn)生破壞性的導(dǎo)電路徑，使其從介電狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)的一種不可逆現(xiàn)象。其中導(dǎo)致材料破壞的電場(chǎng)強(qiáng)度稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)，又稱電擊穿強(qiáng)度，反映固體電介質(zhì)承受電壓能力。固體電介質(zhì)的擊穿是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，可以發(fā)生在材料的不同部位，存在隨機(jī)性。且擊穿過(guò)程具有瞬時(shí)性，很難實(shí)時(shí)觀測(cè)，使得研究材料的擊穿機(jī)制存在較大困難。目前，尚無(wú)統(tǒng)一和完善的理論用于解釋固體電介質(zhì)的擊穿行為，主要發(fā)展起來(lái)的擊穿理論有熱擊穿理論，電擊穿理論，電機(jī)械擊穿理論和弱點(diǎn)擊穿理論。在發(fā)生擊穿時(shí)，可能同時(shí)有不同的擊穿理論在起作用，其中能導(dǎo)致低擊穿強(qiáng)度的機(jī)制起主要作用。下面先對(duì)不同的擊穿理論和機(jī)制作簡(jiǎn)要介紹。
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熱擊穿理論
熱擊穿是指介質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱來(lái)不及散失導(dǎo)致介質(zhì)溫度升高，直至喪失介電性能而引起的擊穿。在電場(chǎng)作用下，通過(guò)介質(zhì)的電流由于存在介電損耗而使介質(zhì)發(fā)熱，而介質(zhì)的電導(dǎo)隨著溫度的升高而增大，電導(dǎo)的增大又使介質(zhì)發(fā)熱更嚴(yán)重。如果散熱良好，發(fā)熱和散熱在一定溫度下平衡，介質(zhì)仍然保持穩(wěn)定狀態(tài)。如果散熱不好，介質(zhì)溫度不斷上升，介質(zhì)中的電流就由于溫度升高而不斷增大，直到喪失絕緣性能，介質(zhì)材料就失效而遭到破壞。
實(shí)際上，在外電場(chǎng)下由于散熱條件的不同及介質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，材料各部分的溫度存在差異，只要某一局部溫度超過(guò)其臨界溫度，在這個(gè)局部區(qū)域就會(huì)發(fā)生熱擊穿。研究發(fā)現(xiàn)，在介質(zhì)陶瓷材料上加電場(chǎng)往往會(huì)伴隨著熱量的產(chǎn)生，所以發(fā)生擊穿的過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)熱擊穿。Tani T.等發(fā)現(xiàn)不同形狀電極的Sr、Nb 摻雜 PZT 介質(zhì)陶瓷樣品在由裂紋拓展造成的擊穿前出現(xiàn)了熱擊穿。同樣地，張福平等[37]在直流電場(chǎng)下觀察 PZT95/5 介質(zhì)陶瓷的擊穿通道，發(fā)現(xiàn)明顯的熔融區(qū)（見(jiàn)圖 1.4），說(shuō)明樣品擊穿時(shí)伴隨著大量的熱量產(chǎn)生。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，熱擊穿現(xiàn)象一般發(fā)生在直流擊穿的情況，對(duì)于脈沖電場(chǎng)特別是脈寬為微秒級(jí)時(shí)，由于電場(chǎng)加載時(shí)間很短，一般不會(huì)出現(xiàn)熱擊穿。
電擊穿理論 ：
電擊穿理論認(rèn)為電子從外電場(chǎng)獲得的能量大于電子與晶格作用損失的能量，電子的動(dòng)能將會(huì)越來(lái)越大，電子的能量達(dá)到一定值時(shí)，電子與晶格的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新的電子。隨著電子數(shù)目的不斷增加，導(dǎo)致電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，從而造成電擊穿。電擊穿理論包括本征電擊穿（碰撞電離）理論和雪崩擊穿理論。
（1）本征電擊穿理論（碰撞電離理論）
西伯爾最早提出本征電擊穿理論，基于一個(gè)單電子的平均行為并假設(shè)電子之間的相互作用可以忽略，這樣電子在外電場(chǎng)作用下被加速而獲得能量，在加速過(guò)程中和晶格碰撞把能量傳遞給晶格而損失能量。當(dāng)獲得能量的速率大于在碰撞過(guò)程中傳遞的能量速率時(shí)，擊穿就會(huì)發(fā)生。與西伯爾只考慮電子的平均行為不同，弗羅利赫認(rèn)為由于晶體導(dǎo)帶電子能量不同而形成的分布必須加以考慮，各種能量的電子都以一定的幾率存在，只要把能量略低于電離能的電子加速到碰撞電離就會(huì)導(dǎo)致?lián)舸?/p>
（2）雪崩擊穿理論
固體中電子碰撞電離產(chǎn)生的雪崩擊穿理論是指從陰極出發(fā)的電子一方面向陽(yáng)極移動(dòng)，一方面從電場(chǎng)獲得足夠能量使其它束縛電子經(jīng)過(guò) i 次碰撞電離形成電子崩，若 i 足夠大，將導(dǎo)致雪崩擊穿。賽茲提出以電子崩傳遞給介質(zhì)的能量足以破壞介質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)，平均每個(gè)電子所需能量為 10 eV。經(jīng)過(guò)計(jì)算，從陰極出發(fā)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的電子，引起雪崩擊穿的電子至少需要經(jīng)過(guò) 40 次碰撞才能發(fā)生雪崩擊穿，因此雪崩擊穿理論又稱 40 代理論。用雪崩擊穿理論可以很好的解釋薄層介質(zhì)電擊穿強(qiáng)度高，即當(dāng)介質(zhì)厚度降低，為保證 40 次碰撞，必須提高電場(chǎng)強(qiáng)度。
電機(jī)械擊穿理論
電機(jī)械擊穿是指加電場(chǎng)后由于電場(chǎng)和機(jī)械的相互作用而使材料擊穿破壞的情形，擊穿過(guò)程可以看成在外電場(chǎng)作用下誘導(dǎo)材料內(nèi)部微裂紋成核，長(zhǎng)大和傳播而形成的。電機(jī)械擊穿常發(fā)生于類橡膠等聚合物電介質(zhì)中，是電場(chǎng)作用下麥克斯韋應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)械形變?cè)斐傻?。我們知道，材料的斷裂破壞是由于表面或?nèi)部的缺陷引發(fā)和傳播所造成，本質(zhì)是裂紋的拓Robert M.等對(duì)介質(zhì)陶瓷材料的裂紋與其電擊穿之間的關(guān)系進(jìn)行研究后，認(rèn)為裂紋處的 Maxwell 應(yīng)力會(huì)造成材料的機(jī)械破壞，從而引發(fā)電機(jī)械擊穿。
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弱點(diǎn)擊穿理論
實(shí)際上，處在高電場(chǎng)下的絕緣介質(zhì)的擊穿由于電場(chǎng)分布不均勻特別是材料內(nèi)部的不均勻性，導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象的分散性。研究人員從實(shí)踐中提出了弱點(diǎn)擊穿理論，該理論認(rèn)為，不均勻固體電介質(zhì)的擊穿實(shí)際上是由材料的弱點(diǎn)擊穿所造成，材料的弱點(diǎn)包括氣孔、晶界、第二相以及裂紋等。由于弱點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)集中，當(dāng)弱點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到發(fā)生擊穿的條件時(shí)，弱點(diǎn)處形成貫穿的通道從而出現(xiàn)介質(zhì)材料擊穿現(xiàn)象。由于介質(zhì)陶瓷材料存在晶粒、晶界、第二相和氣孔等使其微觀結(jié)構(gòu)比較雜，容易引發(fā)擊穿的弱點(diǎn)多，從而影響陶瓷材料的電擊穿強(qiáng)度。通常介質(zhì)陶瓷材料的電擊穿強(qiáng)度約為晶體材料的 1/10 至 1/100。
由于弱點(diǎn)的存在具有隨機(jī)性，因此同一批原料制成介質(zhì)陶瓷樣品的擊穿電壓將受到弱點(diǎn)分布的影響。材料的尺寸越大，所包含的弱點(diǎn)可能就越多，對(duì)應(yīng)的電擊穿強(qiáng)度就越低。許多文獻(xiàn)指出介質(zhì)陶瓷的電擊穿遵循弱點(diǎn)擊穿理論，因?yàn)榻橘|(zhì)陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可引起擊穿的缺陷多，因而有不同的機(jī)制，這就使得弱點(diǎn)引發(fā)的擊穿理論變得十分復(fù)雜。根據(jù)介質(zhì)陶瓷材料引發(fā)擊穿的弱點(diǎn)類型和擊穿的不同特征，主要分為氣孔引發(fā)的電擊穿，晶界引發(fā)的電擊穿，裂紋引發(fā)的電擊穿等。下面主要介紹氣孔引發(fā)的擊穿理論和晶界引發(fā)的擊穿理論。
（1）氣孔引發(fā)的擊穿理論
目前發(fā)展起來(lái)的主要有串聯(lián)氣孔模型和氣孔放電模型。氣孔放電模型認(rèn)為，在電場(chǎng)下，氣孔內(nèi)氣體電離為導(dǎo)體，氣孔表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，由電場(chǎng)力和表面張力平衡得到電擊穿強(qiáng)度的表達(dá)式 Eb=(16πγ/3εr)1/2（式中 Eb為電擊穿強(qiáng)度(V/m，γ 為材料表面張力(N/m)，r 為氣孔半徑(m)）。實(shí)驗(yàn)表明，只有氣孔半徑合適（一般為 0.1μm）時(shí)，由此式計(jì)算的理論值才和實(shí)際值相符合。 串聯(lián)氣孔模型基于以下四個(gè)假設(shè)：①氣孔是材料內(nèi)部的唯缺陷②氣孔的尺寸大小分布均勻，并均勻分布在材料中③氣孔比周圍介質(zhì)電擊穿強(qiáng)度低④氣孔擊穿以后，氣孔內(nèi)的電擊穿強(qiáng)度為零。根據(jù)該模型，推測(cè)出介質(zhì)陶瓷的擊穿發(fā)生在氣孔數(shù)量最多的路徑上，擊穿路徑上有 x 個(gè)氣孔的介質(zhì)陶瓷的電擊穿強(qiáng)度的計(jì)算公式為：
其中，Eb為所測(cè)樣品的電擊穿強(qiáng)度，E0為不含氣孔的理想樣品的電擊穿強(qiáng)度，n為擊穿通道上所含的以氣孔平均直徑為邊的立方體數(shù)，xm為擊穿通道上所含氣孔的個(gè)數(shù)。所以，材料的氣孔率越大，即 xm越大，則材料的電擊穿強(qiáng)度就越低。
（2）晶界引發(fā)的擊穿理論
介質(zhì)陶瓷是一種多晶多相的復(fù)合體系。Konorov等人研究了四種不同介電常數(shù)的鈦酸鹽的電擊穿強(qiáng)度，得出電擊穿強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比的結(jié)論。他們認(rèn)為電擊穿強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比不是由于材料內(nèi)部氣孔造成，而是由于晶界相的存在。考慮晶粒和晶界以串聯(lián)方式連接，晶粒和晶界的場(chǎng)強(qiáng)與各自的介電常數(shù)成反比，由于晶粒的介電常數(shù)大于晶界，導(dǎo)致電場(chǎng)集中在晶界，從而擊穿容易發(fā)生在晶界處。
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