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固體電介質擊穿電壓與熱擊穿理論
固體電介質擊穿理論
固體電介質的擊穿是指在相當高的電場下，在電介質中產生破壞性的導電路徑，使其從介電狀態(tài)變成導電狀態(tài)的一種不可逆現(xiàn)象。其中導致材料破壞的電場強度稱為擊穿場強，又稱電擊穿強度，反映固體電介質承受電壓能力。固體電介質的擊穿是一個復雜的過程，可以發(fā)生在材料的不同部位，存在隨機性。且擊穿過程具有瞬時性，很難實時觀測，使得研究材料的擊穿機制存在較大困難。目前，尚無統(tǒng)一和完善的理論用于解釋固體電介質的擊穿行為，主要發(fā)展起來的擊穿理論有熱擊穿理論，電擊穿理論，電機械擊穿理論和弱點擊穿理論。在發(fā)生擊穿時，可能同時有不同的擊穿理論在起作用，其中能導致低擊穿強度的機制起主要作用。下面先對不同的擊穿理論和機制作簡要介紹。
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熱擊穿理論
熱擊穿是指介質內部發(fā)熱來不及散失導致介質溫度升高，直至喪失介電性能而引起的擊穿。在電場作用下，通過介質的電流由于存在介電損耗而使介質發(fā)熱，而介質的電導隨著溫度的升高而增大，電導的增大又使介質發(fā)熱更嚴重。如果散熱良好，發(fā)熱和散熱在一定溫度下平衡，介質仍然保持穩(wěn)定狀態(tài)。如果散熱不好，介質溫度不斷上升，介質中的電流就由于溫度升高而不斷增大，直到喪失絕緣性能，介質材料就失效而遭到破壞。
實際上，在外電場下由于散熱條件的不同及介質材料微觀結構的不均勻性，材料各部分的溫度存在差異，只要某一局部溫度超過其臨界溫度，在這個局部區(qū)域就會發(fā)生熱擊穿。研究發(fā)現(xiàn)，在介質陶瓷材料上加電場往往會伴隨著熱量的產生，所以發(fā)生擊穿的過程中經常出現(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]在直流電場下觀察 PZT95/5 介質陶瓷的擊穿通道，發(fā)現(xiàn)明顯的熔融區(qū)（見圖 1.4），說明樣品擊穿時伴隨著大量的熱量產生。同時研究還發(fā)現(xiàn)，熱擊穿現(xiàn)象一般發(fā)生在直流擊穿的情況，對于脈沖電場特別是脈寬為微秒級時，由于電場加載時間很短，一般不會出現(xiàn)熱擊穿。
電擊穿理論 ：
電擊穿理論認為電子從外電場獲得的能量大于電子與晶格作用損失的能量，電子的動能將會越來越大，電子的能量達到一定值時，電子與晶格的相互作用導致電離產生新的電子。隨著電子數目的不斷增加，導致電導進入不穩(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，基于一個單電子的平均行為并假設電子之間的相互作用可以忽略，這樣電子在外電場作用下被加速而獲得能量，在加速過程中和晶格碰撞把能量傳遞給晶格而損失能量。當獲得能量的速率大于在碰撞過程中傳遞的能量速率時，擊穿就會發(fā)生。與西伯爾只考慮電子的平均行為不同，弗羅利赫認為由于晶體導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導致?lián)舸?/p>
（2）雪崩擊穿理論
固體中電子碰撞電離產生的雪崩擊穿理論是指從陰極出發(fā)的電子一方面向陽極移動，一方面從電場獲得足夠能量使其它束縛電子經過 i 次碰撞電離形成電子崩，若 i 足夠大，將導致雪崩擊穿。賽茲提出以電子崩傳遞給介質的能量足以破壞介質晶格結構作為擊穿判據，平均每個電子所需能量為 10 eV。經過計算，從陰極出發(fā)向陽極運動的電子，引起雪崩擊穿的電子至少需要經過 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電擊穿強度高，即當介質厚度降低，為保證 40 次碰撞，必須提高電場強度。
電機械擊穿理論
電機械擊穿是指加電場后由于電場和機械的相互作用而使材料擊穿破壞的情形，擊穿過程可以看成在外電場作用下誘導材料內部微裂紋成核，長大和傳播而形成的。電機械擊穿常發(fā)生于類橡膠等聚合物電介質中，是電場作用下麥克斯韋應力產生的機械形變造成的。我們知道，材料的斷裂破壞是由于表面或內部的缺陷引發(fā)和傳播所造成，本質是裂紋的拓Robert M.等對介質陶瓷材料的裂紋與其電擊穿之間的關系進行研究后，認為裂紋處的 Maxwell 應力會造成材料的機械破壞，從而引發(fā)電機械擊穿。
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弱點擊穿理論
實際上，處在高電場下的絕緣介質的擊穿由于電場分布不均勻特別是材料內部的不均勻性，導致?lián)舸┈F(xiàn)象的分散性。研究人員從實踐中提出了弱點擊穿理論，該理論認為，不均勻固體電介質的擊穿實際上是由材料的弱點擊穿所造成，材料的弱點包括氣孔、晶界、第二相以及裂紋等。由于弱點處場強集中，當弱點處的電場強度達到發(fā)生擊穿的條件時，弱點處形成貫穿的通道從而出現(xiàn)介質材料擊穿現(xiàn)象。由于介質陶瓷材料存在晶粒、晶界、第二相和氣孔等使其微觀結構比較雜，容易引發(fā)擊穿的弱點多，從而影響陶瓷材料的電擊穿強度。通常介質陶瓷材料的電擊穿強度約為晶體材料的 1/10 至 1/100。
由于弱點的存在具有隨機性，因此同一批原料制成介質陶瓷樣品的擊穿電壓將受到弱點分布的影響。材料的尺寸越大，所包含的弱點可能就越多，對應的電擊穿強度就越低。許多文獻指出介質陶瓷的電擊穿遵循弱點擊穿理論，因為介質陶瓷材料的微觀結構復雜，可引起擊穿的缺陷多，因而有不同的機制，這就使得弱點引發(fā)的擊穿理論變得十分復雜。根據介質陶瓷材料引發(fā)擊穿的弱點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。氣孔放電模型認為，在電場下，氣孔內氣體電離為導體，氣孔表面產生感應電荷，由電場力和表面張力平衡得到電擊穿強度的表達式 Eb=(16πγ/3εr)1/2（式中 Eb為電擊穿強度(V/m，γ 為材料表面張力(N/m)，r 為氣孔半徑(m)）。實驗表明，只有氣孔半徑合適（一般為 0.1μm）時，由此式計算的理論值才和實際值相符合。 串聯(lián)氣孔模型基于以下四個假設：①氣孔是材料內部的唯缺陷②氣孔的尺寸大小分布均勻，并均勻分布在材料中③氣孔比周圍介質電擊穿強度低④氣孔擊穿以后，氣孔內的電擊穿強度為零。根據該模型，推測出介質陶瓷的擊穿發(fā)生在氣孔數量最多的路徑上，擊穿路徑上有 x 個氣孔的介質陶瓷的電擊穿強度的計算公式為：
其中，Eb為所測樣品的電擊穿強度，E0為不含氣孔的理想樣品的電擊穿強度，n為擊穿通道上所含的以氣孔平均直徑為邊的立方體數，xm為擊穿通道上所含氣孔的個數。所以，材料的氣孔率越大，即 xm越大，則材料的電擊穿強度就越低。
（2）晶界引發(fā)的擊穿理論
介質陶瓷是一種多晶多相的復合體系。Konorov等人研究了四種不同介電常數的鈦酸鹽的電擊穿強度，得出電擊穿強度與介電常數成反比的結論。他們認為電擊穿強度與介電常數成反比不是由于材料內部氣孔造成，而是由于晶界相的存在?？紤]晶粒和晶界以串聯(lián)方式連接，晶粒和晶界的場強與各自的介電常數成反比，由于晶粒的介電常數大于晶界，導致電場集中在晶界，從而擊穿容易發(fā)生在晶界處。
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