西安交通大学：《高电压绝缘专论》研究生课程教学资源（课件讲稿）05 先进表征及诊断方法（固体电介质材料的陷阱特性）

西安交通大学XIANJIAOTONGUNIVERSITY先进表征及诊断方法-I一固体电介质材料的陷阱特性西安交通大学电气工程学院先进高电压与等离子体技术研究中心1898

先进表征及诊断方法-I ——固体电介质材料的陷阱特性 西安交通大学 电气工程学院 先进高电压与等离子体技术研究中心

电介质物理学4大基本介电参数一般应用条件下地练散环组病电阻率介质损耗材料介电特性表因数(tan)征和评价(p/ps)击穿场强已有成熟可靠的介电常数(s)(Eb)测量技术和商用仪器西安支通大学1962.8是否需要新的介电参数，或者说扩展介电参数？-2-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -2- 是否需要新的介电参数，或者说扩展介电参数？ 电阻率 (v /s) 介电常数(r) 介质损耗 因数(tan) 击穿场强 (Eb) 一般应用条件下 材料介电特性表 征和评价 已有成熟可靠的 测量技术和商用 仪器 4大基本介电参数

目录1.固体能带理论2.固体的陷阱特性·3.陷阱参数的测量方法·4.陷阱对材料特性的影响-3-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -3- 目录 • 1.固体能带理论 • 2.固体的陷阱特性 • 3.陷阱参数的测量方法 • 4.陷阱对材料特性的影响

1.固体能带理论·20世纪30年代初Bloch和Brillouin等人建立固体的能带理论，它是研究固体中电子运动的重要理论基础固体由大量的原子按照一定方式排列而成，根据原子排列的规则程度，可分为晶体和非晶体对于晶体，其原子排列短程有序和周期性（长程有序）；对于非晶体，原子排列仅满足短程有序，能带理论，就是从能量角度，研究载流子（电子或空穴，可以认为空穴也是电子的作用）的运动情况。可以认为，电子是在晶体中所有格点上的离子和其他所有电子所产生的势场中运动其势场不能视为常数，而是位置的周期函数。，电子在整个固体中运动，是扩展状态而非局域的。因此可以对所有的电子不加区分，固体中电子运动可简化为单电子问题4《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -4- 1.固体能带理论 • 20世纪30年代初Bloch和Brillouin等人建立固体的能带理论，它 是研究固体中电子运动的重要理论基础。 • 固体由大量的原子按照一定方式排列而成，根据原子排列的规 则程度，可分为晶体和非晶体。 • 对于晶体，其原子排列短程有序和周期性（长程有序）；对于 非晶体，原子排列仅满足短程有序。 • 能带理论，就是从能量角度，研究载流子（电子或空穴，可以 认为空穴也是电子的作用）的运动情况。可以认为，电子是在 晶体中所有格点上的离子和其他所有电子所产生的势场中运动， 其势场不能视为常数，而是位置的周期函数。 • 电子在整个固体中运动，是扩展状态而非局域的。因此可以对 所有的电子不加区分，固体中电子运动可简化为单电子问题

能带的形成电子的共有化运动>两个原子相互靠近时，将会发生什么？0）相五BT（）招此辣器围1-42两个N2原了氧题交化时的办能典级和能级示盘图图1-43N个原了妞成实际品体时的劳经和能摄示意围《高电压绝缘专论》5Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -5- 能带的形成——电子的共有化运动 Ø两个原子相互靠近时，将会发生什么？

绝缘体、导体和半导体的能带结构空带空带空带禁带E禁带禁带(a)绝缘体(b)导体(c)导体(d)半导体绝缘体、导体和半导体的能带结构示意图-6-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -6- 绝缘体、导体和半导体的能带结构 空 带 空 带 满 带 满 带 满 带 禁 带 禁 带 满 带 禁 带 导 带 空 带 E 导 带 (a)绝缘体 (b)导体 (c)导体 (d)半导体 绝缘体、导体和半导体的能带结构示意图

2.陷特性>陷阱态的定义弗仑开尔缺陷：某晶格结点上的离子离开晶格结点位置，则在该晶格结点形成空穴。肖特基缺陷：正、负离子逸出电介质表面，而在晶格结点出现两个空穴0?e④田O-O④e④O田+4田O?D缺陷，陷阱??00O田④OO?OC?O田?+0OOO④O?晶格缺陷a一弗仑开尔缺陷；b一#肖特基缺陷-7《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -7- 缺陷，陷阱 2.陷阱特性 晶格缺陷 a—弗仑开尔缺陷；b—肖特基缺陷 弗仑开尔缺陷：某晶格结点上的离子离开晶格结点位置，则在该晶格结点 形成空穴。 肖特基缺陷：正、负离子逸出电介质表面，而在晶格结点出现两个空穴。 Ø陷阱态的定义

陷态对材料介电特性的影响>扩展态：1包括导带和价带，电子导带(或空穴）迁移率，主要受晶格散射所限制。注意：理想晶体中扩展态中载流子的迁移率远远大于非晶体。 WHY?>陷阱态（局域态）：散布在禁带Fermi能级禁带：中，对整个固体的介电特性产生很大的影响。>陷阱态载流子有两种运输机制：V一是陷阱调制电导(Trap-limitedconduction），通过热振动的载流子价带不断被激发到导带中，有很快落入陷阱态电子陷阱空穴陷阱V二是电子隧穿效应(tunneling)陷阱分布示意图-8-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -8- Ø陷阱态对材料介电特性的影响 陷阱分布示意图 Ø扩展态：包括导带和价带，电子 （或空穴）迁移率，主要受晶格散 射所限制。注意：理想晶体中扩展 态中载流子的迁移率远远大于非晶 体。WHY？ Ø陷阱态（局域态）：散布在禁带 中，对整个固体的介电特性产生很 大的影响。 Ø陷阱态载流子有两种运输机制： ü一是陷阱调制电导(Trap-limited conduction)，通过热振动的载流子 不断被激发到导带中，有很快落入 陷阱态。 ü二是电子隧穿效应(tunneling)

陷阱态载流子的两种运输机制ReV(x)ERa-aEEal1at-1陷调制电导(Trap-limitedconduction)电子隧穿效应(tunneling)-9-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -9- 陷阱态载流子的两种运输机制 陷阱调制电导(Trap-limited conduction) 电子隧穿效应(tunneling)

3.陷参数的测量方法>测量固体介质陷阱能级分布的方法主要有：空间电荷限制电流法(SpaceChargeLimitedCurrent,SCLC)热刺激电流法(ThermallyStimulatedCurrent，TSC)热刺激表面电位法(Thermally Stimulated SurfacePotential,TSSP)光刺激电流法(Photon StimulatedCurrent,PSC)热刺激发光法(Thermally Stimulated Luminescence,TSL/TL)等温电流衰减法(IsothermalRelaxationCurrent,IRC)等温表面电位衰减法(Isothermal SurfacePotential Decay,3ISPD)-10-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -10- 3.陷阱参数的测量方法 Ø 测量固体介质陷阱能级分布的方法主要有： ü 空间电荷限制电流法(Space Charge Limited Current, SCLC) ü 热刺激电流法(Thermally Stimulated Current, TSC) ü 热刺激表面电位法(Thermally Stimulated Surface Potential, TSSP) ü 光刺激电流法(Photon Stimulated Current, PSC) ü 热刺激发光法(Thermally Stimulated Luminescence, TSL/TL) ü 等温电流衰减法(Isothermal Relaxation Current, IRC) ü 等温表面电位衰减法(Isothermal Surface Potential Decay, ISPD)