擊穿電壓的定義、影響擊穿的因素、擊穿機(jī)理及擊穿后狀態(tài)分析、工程中的應(yīng)用

擊穿電壓的定義、影響擊穿的因素、擊穿機(jī)理及擊穿后狀態(tài)分析、工程中的應(yīng)用

一、擊穿電壓的定義與物理內(nèi)涵

基本概念 擊穿電壓指在特定條件（溫度、壓強(qiáng)、介質(zhì)形態(tài)）下，當(dāng)施加電壓超過(guò)某一臨界值時(shí)，介質(zhì)的絕緣性能突然失效的最小電壓值。此時(shí)物質(zhì)由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為電擊穿。

臨界特征參數(shù)

瞬時(shí)電流強(qiáng)度：超過(guò)0.1A/cm3

場(chǎng)強(qiáng)閾值：常溫常壓下不同介質(zhì)的典型值 空氣：3×10? V/m 礦物油：10? V/m 陶瓷介質(zhì)：10? V/m

電流增長(zhǎng)率：在納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)激增10^4倍

二、擊穿電壓的主要影響因素

介質(zhì)本征特性 （1）原子電離能級(jí) 當(dāng)外加電場(chǎng)提供的能量達(dá)到介質(zhì)原子最外層電子的勢(shì)阱深度（以SiO?為例需要8.4eV），將引發(fā)電子雪崩效應(yīng)。

（2）晶體結(jié)構(gòu)各向異性 六方氮化硼（h-BN）沿c軸的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比平面方向低12-15%；立方氮化硼（c-BN）各向異性差異小于3%。

（3）能帶間隙寬度 寬禁帶半導(dǎo)體（如GaN >3.4eV）相較硅（1.12eV）具有更高的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)，理論極限提高2.8倍。

微觀(guān)缺陷作用 （1）孔隙度影響 當(dāng)陶瓷介質(zhì)孔隙率從0.5%增至5%時(shí)，擊穿電壓下降系數(shù)符合指數(shù)關(guān)系： V_b = V_b0(1 ε/ε_(tái)c)^n 式中臨界孔隙率ε_(tái)c≈7.3%，n=2.4

（2）位錯(cuò)密度效應(yīng) 每平方厘米的位錯(cuò)密度每提升1×10^6/cm2，硅基介質(zhì)擊穿電壓下降0.75-1.2%

（3）晶界偏析現(xiàn)象 雜質(zhì)在晶界的偏析導(dǎo)致局部電阻率降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，形成優(yōu)先擊穿路徑

外部條件作用 （1）溫度響應(yīng)特征 不同材料呈現(xiàn)差異性表現(xiàn)：

硅橡膠：溫度系數(shù)-12mV/℃

藍(lán)寶石：溫度系數(shù)+3.5mV/℃

PMMA：非線(xiàn)性突變點(diǎn)在Tg溫度附近

（2）場(chǎng)強(qiáng)調(diào)控方式 均勻場(chǎng)與極不均勻場(chǎng)的擊穿閾值差異可達(dá)3.5-5倍。球-板電極的場(chǎng)強(qiáng)校正因子： K = 0.65√(d/r) + 0.35 d為間距，r為球半徑

（3）介質(zhì)厚度效應(yīng) 遵循"厚度-強(qiáng)度"折中關(guān)系，優(yōu)厚度區(qū)段由介質(zhì)損耗角正切值決定

三、典型擊穿機(jī)理分析

氣體介質(zhì)擊穿 （1）湯森理論適用條件 pd值（氣壓×間隙）在100-105 Pa·m范圍，電離系數(shù)α滿(mǎn)足e^αd≈10^4

（2）流注發(fā)展動(dòng)力學(xué) 初始電子崩發(fā)展至臨界尺度（約50μm）時(shí)，光致電離形成二次電子崩，發(fā)展速度達(dá)10^8 cm/s

（3）氣體組份協(xié)同效應(yīng) SF6/N2混合比每增加10% SF6，擊穿電壓上升25.4kV/mm

液體介質(zhì)擊穿 （1）電子注入機(jī)制 肖特基熱發(fā)射電流密度達(dá)到10^-3 A/cm2時(shí)引發(fā)擊穿前導(dǎo)

（2）微氣泡形成規(guī)律 局部焦耳熱使液體汽化，氣泡臨界半徑r_c= (2σ)/(E^2ε0) σ為表面張力，ε0絕對(duì)介電常數(shù)

（3）懸浮顆粒影響 當(dāng)顆粒尺寸超過(guò)德拜長(zhǎng)度λD=√(εr kT)/(2nz^2 e2)，引起場(chǎng)強(qiáng)畸變放大因子達(dá)1.78倍

固態(tài)介質(zhì)擊穿 （1）本征擊穿的量子隧穿 福勒-諾德海姆發(fā)射的電流密度： J = (e^3 E2)/(8πhΦ) exp[(8π√(2m) Φ^(3/2))/(3heE)] Φ為勢(shì)壘高度

（2）熱擊穿的能量平衡 穩(wěn)態(tài)條件滿(mǎn)足： σ(T)E2 = κ?2T + h(T-T0) σ為電導(dǎo)率，κ導(dǎo)熱系數(shù)，h散熱系數(shù)

（3）電樹(shù)枝引發(fā)判據(jù) 局部場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)80%擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，缺陷處會(huì)引發(fā)電樹(shù)枝生長(zhǎng)，擴(kuò)展速率約為0.5-2μm/s

四、擊穿后的電壓狀態(tài)分析

動(dòng)態(tài)特性演變 （1）導(dǎo)通瞬間電壓跌落 在形成導(dǎo)電通道后的50ns內(nèi)，電壓會(huì)驟降至起始值的10-25%

（2）維持電流與電壓關(guān)系 二次擊穿后呈現(xiàn)負(fù)阻特性，滿(mǎn)足V = V_h kI^m (m≈0.5～0.7)

最大值判定準(zhǔn)則 （1）理想條件推導(dǎo) 在無(wú)任何限流情況下，理論擊穿瞬間V_max=V_b。但實(shí)際系統(tǒng)中的寄生電感會(huì)導(dǎo)致過(guò)沖電壓： V_overshoot = V_b(1 + √(L/(C)) )

（2）不同介質(zhì)系統(tǒng)對(duì)比 電容器擊穿峰值可達(dá)擊穿電壓的1.2-1.8倍，電力電纜系統(tǒng)則通常低于擊穿電壓

五、實(shí)際工程應(yīng)用研究

變壓器油檢測(cè)技術(shù) （1）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo) 微粒數(shù)濃度 >5000個(gè)/ml時(shí)，擊穿電壓將低于35kV/2.5mm

（2）老化管理 酸值每增加0.1mg KOH/g，擊穿電壓下降8.2kV/2.5mm

半導(dǎo)體器件保護(hù)設(shè)計(jì) （1）緩沖層厚度優(yōu)化 SiC器件中緩沖區(qū)厚度t與擊穿電壓Vbr關(guān)系： Vbr=2.1×10^5  t^0.63 (單位V，μm量級(jí))

（2）終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 斜角終端的優(yōu)化角度θ滿(mǎn)足： θ=arccos(1 x/L) 其中x為耗盡層擴(kuò)展距離，L為終端長(zhǎng)度

高壓套管制造工藝 （1）層間應(yīng)力控制 每增加1%的殘余應(yīng)力，局部放電起始電壓降低0.75kV/mm

（2）界面處理技術(shù) 氟化處理使復(fù)合絕緣界面粘附能提升2.1J/m2，有效提升沿面閃絡(luò)電壓