第七讲
7.2 表面空间电荷区的基本性质
p0
0s s D 0p0
2()
n k T qV E F qL k T p =±，p0
r 00s S r 0s D 0p0
2()
n k T qV Q E F qL k T p εεεε=-= ，p0s S 0p00r 0
s p0S D
0p0
[exp()1][exp()1]
)n qV qV
k T p k T C n qV L F k T p εε--++-=
（，001
p0p0
2
0p00p00()[11)]qV qV
k T k T n n qV qV qV F e e k T p k T p k T
-=+-+--，（当金属接正，即V S > 0 时，E S 取正， Q S 取负；当金属接负，即V S < 0 时，E S 取负， Q S 取正。
其中:
MIS 结构P 型半导体表面空间电荷区的电场、电荷分布、电容与表面势的一般表达式
V G < 0时，即V S < 0，且当
和 足够大时，F 函数可以简化为：
||s V G ||V p0s s
0p00()exp()2n qV qV F k T p k T
≈-
，0s s D 02exp()2k T qV
E qL k T
=-
-rs 00s
s D 02exp()
2k T qV Q qL k T
εε=-rs 0s
s 0D
exp()
22qV C k T L εε=
-所以：
此时，E S 、Q S 、C S 随V S 按指数规律增大。
一、多子堆积状态
V G = 0 时，V S = 0，故因此有 E S = 0 Q S = 0采用求极限的方法可以得到
其中，
，强电离时， N A = p p0，只要知道 N A ，可求出 L d ，便可求出表面的平带电容 C S0
二、平带状态
p0
s 0p0
(
)0n qV F k T p =，2
rs 0s0D
4C b ac
L εε=-1
rs 002D 2p0
()k T L q p εε=
三、耗尽状态
V G 为正，但不是很大 。由于V G > 0，V S > 0，且 ，故 F 函数可以化简为
p0
p0
1
n p <<1
p0s s 2
0p00())n qV qV F k T p k T
=，
（11
0s 0s 22
s D 0D 22()()k T qV k TV E qL k T L q
==11
rs 00s rs 0
0s 22
s D 0D 22()()k T qV k TV Q qL k T L q
εεεε=-=-1
rs 0s
2
s 0D (
)
2qV C k T
L εε-
=
可以看出，随着V S 增大， 增大， 增大， 减小。
||s E s Q s C 因为V S >0，所以E S 为正，Q S 为负
于是有:
将L D 表达式代入 C S ，因全电离时 N A = p p0 ，整理得：
rs 0s
d A
2V x qN εε=
rs 0
s d
C x εε=
从上式可以看出，当 V s 增大时，x d 增大，C s 减小。相当于一个平行板电容器。
三、耗尽状态
在耗尽状态，利用耗尽层近似通过求解泊松方程可求得空间电荷区的宽度，即：
四、本征状态
进一步增大V G，能带将进一步向下弯曲，当V G增大到使得E i(0) = E F时，有： E i (体) – E i (0) =E i(体) - E F=qV B
式中V B称为费米势，是一确定的值。
由于表面势V S 的存在，表面处的E C ，E i ，E V都相对体内下降了qV S，所以有：
E i(0) = E i (体)-qV S
即从体内到表面，E i 向下弯曲了qV S 。故有：
V B=V S
在本征状态，表面势V s 就等于费米势V B 。
1
p0s B 20p00()()n qV qV F k T p k T
=，1
rs 0B
2
s 0D (
)
2qV C k T
L εε-
=
1
rs 002s B D 2()()
k T Q V L q
εε=-1
02s B
D 2()k T
E V L q
=表面势等于费米势，V B =V S >0
且V S 较大，又因为
，F 函数可以化简为： p0p0n p <<所以有:
四、本征状态
五、反型状态
V G > 0, V S > 0, 发生反型的条件为： V S > V B ，反型有两种情况：
①弱反型：
，但 ，反型不明显；②强反型： ,
即反型区的少子浓度大于体内的多子浓度。
进入强反型的标志为：
s p0n p <s p0
n p =2S S i s p0p0
0p00exp exp =qV qV n n n p k T P k T ????
== ? ?????
由载流子浓度的定义：
所以： 即：S p 0i 0exp 2qV P n k T ??
= ?
??
22S
p0i
exp qV P n k T ??
= ?
??
s B 2V V ≥显然： 时发生了强反型。
0A B i =ln k T N V q n ??
?
??
已知：
0A S i 2ln k T N V q n ??
≥ ???
所以进入强反型的标志也可表示为：即： 为发生强反型的临界条件。
S B 2V V =五、反型状态
F
V i V i F B p0V V i 0000exp exp exp exp E E E E E E qV P N N n k T k T k T k T ????????
---=-=-?= ? ? ? ?????????
又因为：所以有：S B p0i i s
00exp exp 2qV qV P n n n k T k T ????
=== ? ?????
11p0rs 0
s rs 0s 22
s p00p0
D D ()exp()()222n qV n C p k T p L L εεεε==11
p0rs 00s 22
s 0rs 0s D p002()exp()2)2n k T qV
Q k T n qL p k T
εεεε=-=-（11
p00s 0s 22
s D p00rs 0
22()exp()()2n k T qV k Tn E qL p k T εε==F函数可化简为：
1
p0p0s s 2
0p0p00()[exp()]n n qV qV F k T p p k T
=，所以：
由上面各式看到，E S ，Q S ，C S 都随
的增大而增大。S n
强反型状态的特点
1、进入强反型状态后，空间电荷区宽度 x d 达到一个极大值，即
1rs 0B 2
dmax
A
4()V x qN εε= x dmax
由半导体材料的性质和掺杂浓度决定：
11
rs 0B rs 00A 22
dmax
2A A i
44()[ln(]V k T N x qN q N n εεεε==）2、Q S 包含反型区的电荷 Q n 和耗尽区的电离受主电荷 Q A ，即
A A dmax
Q qN x =-其中s n A Q Q Q =+
3、当反型层的厚度小到与电子的德布罗意波长相比拟时，反型电子处于量子阱中。对应的电子能级发生分裂，形成不连续的电子能级，反型电子沿垂直界面方向的运动受到限制，但电子沿平行于界面方向的运动则不受约束。把这种电子称为二维电子气。简写为2DEG。
六、深耗尽状态
给MIS 的P 型结构施加高频正弦正电压时，随着 V G 的快速变化，空间电荷区内少子的产生速率跟不上电压的变化，反型层来不及建立，耗尽层将延伸得很宽，远远大于强反型时的最大耗尽层宽度（ x d max ），且 x d 随 V G 幅度的增大而增大，这种状态称为深耗尽状态。
电容—电压法测量杂质浓度分布，电容—时间法测量衬底中少子寿命。 电荷耦合器件（CCD ）也工作在表面深耗尽状态。
12
r 0B d dmax
A 4V x x qN εε??>>= ???
谢谢!
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 摘要 纳米聚合物复合材料作为一种新材料，已经引起了越来越多的关注。通过向聚合物中填加少量的纳米填料，原有的性能将会被改善。纳米氧化镁交联聚乙烯复合介质已经被成功应用于高压直流输电系统中，这种新材料可以提升直流电压下的击穿电压。 在本论文中，将会对外国学者近年来对纳米聚合物复合材料电特性所做的研究和实验结果做总结。它们包括电导率，介电特性，局部放电，电树及空间电荷特性。还会对Toshikatsu Tanaka所提出的用于解释纳米复合材料各种性能的多核模型做介绍。 在实验部分，首先，用电声脉冲法对加入纳米MgO的复合介质做空间电荷测试。发现加入纳米粒子后，空间电荷降低。当填量大于0.5phr时，对空间电荷的抑制作用就会非常明显。 然后，通过光刺激电流法测量了XLPE和MgO/XLPE的陷阱能级。结果发现MgO/XLPE拥有更深的陷阱。 最后，对XLPE和MgO/XLPE的电致发光起始电压及发光光谱进行了测量。结果表明，复合介质提升了EL的起始电压并且降低了发光量。并且XLPE与MgO/XLPE的光谱存在很大的区别。 关键词纳米复合材料，交联聚乙烯，空间电荷，陷阱 - I -
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 Abstract Polymer nanocomposite materials have been attracting much attention as a new material because the properties of the original material can be drastically improved by adding a few percent of nano-sized filler. It has been found that nano-sized MgO-filler added into XLPE (crosslink polyethylene), which had been developed for HVDC cable insulation, improved the dc breakdown property of conventional XLPE cable. In this paper, recent topics and their important results will be reviewed on electrical properties of polymer nanocomposite materials. They include characteristics associated with electrical conduction, dielectric properties, partial discharge, electrical treeing and space charge formation. A multi-core model proposed by Toshikatsu Tanaka is discussed to understand various properties and phenomena in nanocomposite. At first, to investigate the influence of MgO nano-filler on space charge properties, we measured the space charge distributions using PEA (pulsed electro-acoustic method) system under DC electric field. In the case of LDPE with nano-filler, there is less space charge injection than LDPE. It is thought that space charge injection is drastically prevented by adding only more than 0.5phr of MgO to LDPE. Also, we measured the trap depth of conventional XLPE and MgO/XLPE by using a photo-stimulated discharge system. We found that the trap depth in MgO/XLPE is deeper than in XLPE. Space charge is expected to be closely related to the nature of carrier traps. Finally, electric field dependence, time variations and the spectra of EL - II -
目录 摘要 ..................................................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................................................... I II 第一章概述.. (1) 1.1聚合物绝缘在高压直流电缆中的应用和研究意义 (1) 1.2影响聚合物绝缘性能的关键问题和研究现状 (2) 1.2.1 高场下的非线性电导特性 (2) 1.2.2 绝缘内部的空间电荷积聚 (4) 1.2.3 复合绝缘结构的界面电荷 (5) 1.3聚合物绝缘内部的电荷输运模拟和研究现状 (7) 1.3.1 单层介质的空间电荷模拟 (7) 1.3.2 双层介质的界面电荷模拟 (8) 1.4本文的主要研究内容 (9) 第二章XLPE和EPDM中高场电导特性的实验研究 (11) 2.1试样制备和实验方法 (11) 2.2介质的准稳态电流密度和电导率 (12) 2.3高场电导的电场和温度特性分析 (15) 2.3.1 高场电导的阈值电场特性 (15) 2.3.2 高场电导的温度变化特性 (19) 2.4XLPE和EPDM的电导模型研究 (24) 2.4.1 传统的跳跃电导模型拟合 (24) 2.4.2 修正的跳跃电导模型拟合 (26) 2.5本章小结 (28) 第三章XLPE和EPDM中空间电荷分布的实验研究 (29) 3.1试样制备和实验方法 (29) 3.2单层介质内部的空间电荷分布 (30)
《环境科学》部分复习题 参考答案要点 1、怎样理解“环境”的基本概念，简要介绍环境的功能和特性 概念：从环境科学的角度看，环境即是以人类为主体的外部世界的总体，即人类生存与繁衍所必需的、相适应的环境或物质条件的综合体，可以分为自然环境和人工环境两种。 环境的功能： （1）为人类生存和繁衍提供必须的资源。 （2）环境的调节功能。在一定的时空尺度内，环境在自然状态下通过调节作用，使系统的输入等于输出，保持环境平衡或生态平衡。 （3）环境的服务功能。环境不仅为人类提供大量的生产和生活资料，还为人类提供许多服务，像森林调节气候，净化空气，为人类提供休闲娱乐的场所等等。 （4）环境的文化功能。优美的自然环境又是艺术家们创作和美学倾向的源泉。 环境的特性：包括环境的整体性与区域性、环境的变动性和稳定性、环境的资源性与价值性。 （1）整体性与区域性。环境的整体性是指人与地球环境是一个整体，地球的任一部分，或任一个系统，都是人类环境的组成部分。环境的区域性是指的是环境特性的区域差异。具体来说就是环境因地理位置的不同或空间范围的差异，会有不同的特性。 （2）环境的变动性和稳定性。环境变动性指的是在自然或人类社会行为的作用下，环境的内部结构和外在状态始终处于不断的变化中。 （3）资源性与价值性。环境的资源性是指环境就是一种资源。这是因为人类的生存与发展，社会的进步，都离不开环境。既然环境是一种资源，所以环境的价值性也就显而易见了。 2、怎样理解“环境问题”、“环境质量”、“环境污染”和“环境承载力”这几个概念？ 环境问题：任何由自然或人类引起的生态平衡破坏，最后直接或间接影响人类的生存和发展的一切客观存在的问题，都是环境问题。环境问题主要是由有两方面原因引起：一是自然因素；二是人为因素。 环境质量：环境质量就是指环境素质的好坏。一般是指在一个具体的环境内，环境的总体或环境的某些要素，对人群的生存和繁衍以及社会经济发展的适宜程度，是反映人的具体要求而形成的对环境评定的一种概念。 环境污染：由于人为的因素，使有毒、有害的物质排入了环境，并且使环境的化学组成或物理状态发生了变化，扰乱和破坏了生态系统和人们正常的生产和生活条件。环境污染具体表现于废气、废水和废渣等有害物对大气、水、土壤和生物的污染。 环境承载力：在某一时期，某种状态或条件下，某地区的环境所能承受的人类活动作用的阈值。这里，所谓“能承受”是指不影响环境系统正常功能的发挥。 3、人类应该怎样处理自身与环境之间的关系？ 答案要点：(需加入自己的观点) 假若有人要问，21世纪人类要为地球做什么的话，那我们应该毫不犹豫地回答：21世纪人类首先要联合起来，共同拯救地球，保护家园。未来人类怎样在地球上可持续生存发展，这是21世纪我们必须面对的最重大的问题。作为人类成员的每一位地球居民都应该非常清醒地认识到：拯救地球就是拯救人类自已。 怎样才能拯救地球？这就要求我们每个人从自己做起、从现在做起，要提高自己的绿
收稿日期:1999203226;修回日期:1999211210 基金项目:国家自然科学基金资助项目(19775069);核工业基金资助项目(H7196D0121) 作者简介:陈银宝(1940—),女,浙江嘉兴人,研究员,加速器物理专业 第34卷第4期 原子能科学技术Vol.34,No.4 2000年7月Atomic Energy Science and Technology J uly 2000 空间电荷引起的非线性共振与束晕形成 陈银宝,黄志斌 (中国原子能科学研究院核技术和计算机应用研究所,北京 102413) 摘要:采用束核2单粒子模型研究强流束中由空间电荷引起的非线性共振与束晕形成的关系。借助Poincare 截面技术,对粒子在相空间的运动进行数值分析。从束核包络振荡的两个本征模出发,推导得到强流束中非线性共振范围随束流空间电荷效应变化的表达式,以及由非线性共振而激发的束晕形成的空间电荷极限的表达式,并给出相应的结果。 关键词:非线性共振;束晕形成;Poincare 截面;空间电荷极限 中图分类号:TL50115 文献标识码:A 文章编号:100026931(2000)0420289207 束晕形成机理的研究已有不少报道[1～10],并且得到一些共识。对于空间电荷占主导地位的束流,在均匀聚焦的传输管道里,初始束流的root 2mean 2square (rms )失配是束晕形成的一个重要原因;在周期性聚焦的传输系统中,rms 匹配束的电荷密度涨落也会引起束晕;混沌粒子运动和发生在束核粒子所占有的相空间边界附近的非线性共振,更是匹配束产生束晕的重要机制。不变的KAM (K olomogorov 2Arnold 2Morse )表面在约束与传播方向垂直的方向上的束晕粒子起重要作用。rms 匹配束的束晕比失配束相对要微弱些。根据Fedotov 和G lucksturn 等[6]对计入束流横向(r )和纵向(z )耦合效应的研究,以及32D 的数值模拟计算,发现两个方向的耦合效应对束晕形成有明显的影响。即使对于非常小的失配(如10%)也会引起束晕,特别是对于短束团(z /r <2),横向和纵向耦合效应更明显。 1 运动方程 采用束核2单粒子模型,首先研究束核包络在聚焦管道里的演变规律,然后再分析注入束核附近的试验粒子的行为。该模型中,束核的空间电荷效应为单粒子运动提供微扰力,并假设单粒子的运动不对束核运动产生影响。 111 束核运动方程 以X —和Y — 分别表示x 和y 方向的包络函数,它们不同于匹配半径R ,是z 的函数,束核运动满足包络方程[11]: X —″+k 20X —-2K X —+Y —-ε2X —3=0(1)
第二章 重要术语解释： 雪崩击穿：电子和空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷去内的电子发生碰撞产生电子-空穴对，在pn结内形成一股很大的反偏电流，这个过程就称为雪崩击穿。 载流子注入：外加偏压时，pn结体内的载流子穿过空间电荷区进入p区或者n区的过程。 临界电场：发生击穿时，pn结空间电荷去的最大电流密度。 扩散电容：正偏pn结内由于少子的存储效应而形成的电容。 扩散电导：正偏pn结的低频小信号正弦电流与电压的比值。 扩散电阻：扩散电导的倒数。 正偏：p区相对于n区加正电压。此时结两侧的电势差要低于热平衡的值。 产生电流：pn结空间电荷区内由于-空穴对热产生效应形成的反偏电流。 长二极管：电中性p区与n区的长度大于少子扩散长度的二极管。 复合电流：穿越空间电荷区时发生复合的电子与空穴所产生的正偏pn结电流。 反向饱和电流：pn结体内的理想反向电流。 短二极管：电中性p区与n区中至少有一个区的长度小于少子扩散长度的pn结二极管。 存储时间：当pn结二极管由正偏变为反偏时，空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳态值变成零所用的时间。 知识点： 学完本章后，读者应具备如下能力： 描述外加正偏电压的pn结内电荷穿过空间电荷区流动的机制。 说出空间电荷区边缘少子浓度的边界条件。 推出pn结内稳态少子浓度的表达式 推出理想pn结的电流-电压关系。 描述短二极管的特点。 描述什么是扩散电阻和电容。 描述pn结内的产生和复合电流。
描述pn结的雪崩击穿机制。 描述pn结的关瞬态。 习题 1.(a)正偏工作的pn结二极管，其环境温度为T=300K。计算电流变为原来的 10倍时，电压的改变。 (b)计算电流变为原来的100倍时，电压的改变 2.计算使pn结理想反偏电流时反向饱和电流大小90%的反偏电流值，T=300K。 3.T=300K时，V D=0.65V时，硅pn结二极管的电流I=10mA。空间电荷区内电 子电流与总电流的比值为0.1，且最大电流密度不大于20A/cm2.设计满足上述条件的二极管。 4.考虑T=300K时的硅p+n结。其扩散内容-正偏电流曲线的斜率为2.5*10-6F/A。 确定空穴的寿命以及正偏电流为1mA时的扩散电容值。 (a)解释为什么在反偏时扩散电容不重要。 (b)假如正偏下Si，Ge，GaAs pn结的总电流密度相同，讨论电子与空穴电流 密度的相对值
1、例2.2.4（38P ）半径为0r 的无限长导体柱面，单位长度上均匀分布的电荷密度为l ρ。试计算空间中各点的电场强度。 解：作一与导体柱面同轴、半径为r 、长为l 的闭合面S ，应用高斯定律计算电场 强度的通量。当0r r <时，由于导体内无电荷，因此有0=??→ →S S d E ，故有0=→ E ，导体 内无电场。当0r r >时，由于电场只在r 方向有分量，电场在两个底面无通量，因此 2ερπl rl E dS E dS a a E S d E l r S r r S r r r r S = ?=?=?=????→ →→ → 则有：r E l r 02περ= 例 2. 2. 6 圆柱坐标系中, 在 r = 2 m 与 r = 4 m 之间 的 体 积 内 均 匀 分 布 有 电 荷, 其 电 荷 密 度 为ρ/C ·m- 3。利用高斯定律求各区域中的电场强度。 解：当 0≤r ≤2m 时, 有 即Er = 0 当 2 m ≤r ≤4 m 时, 有 因此 当 r ≥ 4 m 时, 有 例 2. 3. 1 真空中, 电荷按体密度 ρ= ρ0 ( 1 -r2/a2) 分布在半径为 a 的球形区域内, 其中 ρ0为常数。试计算球内、外的电场强度和电位函数。 解 由于电荷分布具有球对称分布, 电场也应具有球对称分布, 因此, E_沿半径方向, 且只 是 r 的函数。作一半径为 r 的同心球面 S, 应用高斯定律的积分形式可得。当 r > a 时 而 Q 为球面 S 包围的总电荷, 即球形区域内 的总电荷。因此 当 r < a 时
取无穷远的电位为零, 得球外的电位分布为 球面上( r = a ) 的电位为 当 r < a 时 由于 Q = ( 8 /15 ) πρ0 a3, 在球外, 电场和电位还可以写成 由此可见, 具有球对称分布 的电荷, 在球外的电场和电位与点电荷的电场和电位具有相同的分布。 例 2. 5. 1 在 图 2. 5. 3 中 的 电 介 质 分 界 面 附 近,E_1 = a_x2 - a_y3 + a_z5V/m, 分界面上没有自由电荷分布, 求D_2 、角 θ1 和 θ2 。 解：根据不同介质分界面上的边界条件: 切向电场分量连续, 法向电位移矢量连续。可得 电场与分界面平面的夹角可用下面关系求得 6、例2.7.1（59P ）半径为R 的导体球上带电量为Q ，试计算空间中的电场分布、电位分布和静电能量。 解：当R r <时，对于导体球，球内无电场，球面为等位面。 当R r ≥时，利用高斯定律，电场强度为 2 04r Q E r πε= 电位分布为 r Q ? = Φ0 41 πε
空间电荷限制电流 半导体中的空间电荷及其相应的空间电荷效应是一个重要的基本概念。在半导体材料和器件中往往会遇到有关的问题，特别是在大电流时空间电荷可能起着决定性的作用。 （1）空间电荷： 存在于半导体内部局部区域的剩余电荷即为空间电荷。例如p-n结界面附近处的势垒区，其中就有空间电荷，并从在势垒区中产生出相应的内建电场。 空间电荷包含有电离的施主、受主杂质中心的电荷以及载流子（电子和空穴）的电荷。在载流子被内建电场驱赶出空间电荷区——耗尽的近似情况下，空间电荷就只是电离杂质中心的电荷；这时，对于n型半导体，空间电荷主要是电离施主中心的电荷（正电荷）；对于p型半导体，空间电荷则主要是电离受主中心的电荷（负电荷）。一般，空间电荷密度ρ为ρ= q(p-n+Nd-Na) 。 （2）空间电荷效应： 在偏压等外界作用下，在空间电荷区中，载流子的浓度可能超过或者少于其平衡载流子浓度。例如，对于n-p结，空间电荷区主要在p型一边（其中的空间电荷基本上都是电离受主的负电荷）；当加上正向电压时，即有大量电子注入、并通过空间电荷区，则这时在空间电荷区中的电子浓度将超过平衡电子浓度，有np>nopo=ni2；相反，当加上反向电压时，空间电荷区中的电场增强，驱赶载流子的作用更大，则这时在空间电荷区中的电子浓度将低于平衡电子浓度，有np 低密度聚乙烯纳米复合介质中电荷输运的实验研究和数值模拟吴建东 纳米复合介质中的陷阱分布 从早期的固态介质电导和介质击穿机理研究至今已经过了近五六十年，然而对固态介质的介电响应特性仍然很难进行定量的分析。在这期间内，当半导体物理的理论基础——能带理论刚被提出后不久，其众多概念和理论即被很快引入到固态介质研究中，特别是聚合物中与电荷输运相关的导电、击穿等领域，这在一定程度上推进了固态介质研究的发展[48,49]。载流子的局域化是基于能带理论的关键概念之一，电子和空穴在聚合物内部的局域化将直接影响载流子在聚合物内部的输运，并相应地改变聚合物的其它介电性能。能使载流子局域化的结构称为局域态中心，在众多文献中常被称为陷阱，因此，下文中用陷阱代表局域态中心[50]。描述陷阱特征的重要参数是陷阱深度和陷阱密度，对于有序结构的介质，陷阱深度可利用能带理论进行直接定义：俘获电子的局域能级（电子陷阱）与导带边沿的能级差，或俘获空穴的局域能级（空穴陷阱）与价带边沿的能级差。在内部无序的聚合物材料中，陷阱深度的定义相对复杂些，基于实际的应用，陷阱深度一般定义为载流子从局域态激发到导带能级所需的能量，需要特别指出的是导带能级并不一定与能带边沿一致[51]。 一般聚合物是由大量的分子链组成，一部分规则叠加形成晶区，另一部分无规则随机堆积形成无定形区，因此，聚合物内部结构本质上是无序的。图1-1为基于能带理论得出的无序聚合物的准能带模型[53]。以聚乙烯为例，通过对LDPE分子结构的模拟计算可知，其内部的禁带宽度约为8eV以上，无定形中的无序结构将在能带结构的边沿附近形成离散的局域态，能级差约在0.15~0.3eV[54]，这些局域态称为物理陷阱，由于能级差较低，又可称为浅陷阱。载流子在这类浅陷阱中受陷的时间数量级约为10-12s，因此，这些局域能级可认为具有局域传导性，并不对载流子产生长期的陷阱作用，文献[55]中也将这类靠近导带和价带的离散局域态称为准导带和准价带。另一种类型的陷阱为化学陷阱，主要由分子结构中的羟基、酮结构、双键和晶区内分子链错位或引入的杂质等形成。化学陷阱引入的陷阱能级范围在0.04~1.5eV[56]，这些化学陷阱中的高能级深陷阱可以长时间限制载流子，是形成空间电荷积累主要原因之一。 纳米颗粒引入到聚合物内部后，陷阱深度和陷阱密度分布都将发生明显变化，从而影响 聚乙烯表面形貌对其空间电荷特性的影响 王云杉1,周远翔1,王宁华2,孙清华1 (1.清华大学电机工程与应用电子技术系,电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室, 北京100084; 2.中国电力科学研究院,北京100085) 摘要:随着空间电荷测量技术在最近三十年的巨大进步,固体电介质空间电荷研究成为研究热点。聚乙烯的热压冷却条件会显著影响聚乙烯的形态结构。而聚乙烯在热压过程中,其表面会由于不同的基底材料而形成不同的附生结晶层,从而具有不同的表面形貌。此附生层的形态对空间电荷特性有很大的影响。通过研究聚乙烯不同表面形貌的形成过程及其显微特征,并结合微观形态对不同表面形貌的聚乙烯进行了空间电荷测量分析,发现不同表面形貌的聚乙烯试样具有不同的空间电荷积聚特性。 关键词:空间电荷;聚乙烯;表面形貌;微观形态;P EA 中图分类号:TM201.4;TQ325.12文献标志码:A文章编号:1009-9239(2008)04-0042-04 Eff ect of Surface To p o g ra p h y on S p ace Char g e Characteristic in Pol y eth y lene WAN G Yun-s ha n1,ZHOU Yua n-xia n g1,WAN G Ni n g-hua2,SUN Qi n g-hua1 (1.S t ate Ke y L aborator y o f Cont rol an d S i m ul ation o f Pow er S y stem an d Generation E q ui p ment, De p art ment o f Elect rical En g i neeri n g,Tsi n g hua U ni versit y,Bei j i n g100084,Chi na; 2.Chi na Elect ric Pow er Research I nstit ute,Hai di an Dist rict,Bei j i n g100085,Chi na) Abstract:Wit h g r eat p r o g r ess es of s p ace cha r g e meas ur e me nt t echnolo g ies i n t he las t t hr ee decades, lots of r es ea rches we r e f ocus e d on s p ace cha r g es i n s olid dielect rics.The heat p r essi n g a nd a nneali n g condition of p ol y et h y le ne(P E)aff ect its mor p holo gy obviousl y.Duri n g t he heat p r essi n g,t he s urf ace of P E f or ms diff e r e nt s urf ace t o p o g ra p hies becaus e of diff e r e nt s ubs t rat e mat e rials.Surf ace t o p o g ra p h y has g r eat r elation t o t he e p it axial c r y s t allization la y e r a nd i nfl ue nces t he s p ace cha r g e cha ract e ris tic of P E dra maticall y.The f or mation p r ocess of diff e r e nt s urf ace t o p o g ra p hies a nd t hei r mic r o g ra p hic cha r2 act e rs i n low de nsit y p ol y et h y le ne(L D P E)was s t udie d i n t his p a p e r.P EA met hod was us e d t o mea2 s ur e t he s p ace cha r g e dis t ribution of s a m p les wit h diff e r e nt s urf ace t o p o g ra p hies a nd mor p holo g ies i n L D P E.It’s f ound out t hat t he va rie d s urf ace t o p o g ra p hies have diff e r e nt accumulation cha ract e ris tics of s p ace cha r g e. K e y words:s p ace cha r g e;p ol y et h y le ne;s urf ace t o p o g ra p h y;mic r o-mor p holo gy;p uls e d elect r o-acous tic (P EA) 1前言 聚乙烯由于其优异的绝缘性能和力学性能而在电气绝缘领域被广泛应用。聚乙烯材料的研究目前非常关注空间电荷问题,空间电荷问题已经成为制约高压电介质材料发展的重要问题。电介质材料中的空间电荷分布可以改变介质内部的局部电场分布,从而影响介质材料的电导和击穿等过程[1～3],影响材料的性能和寿命[4]。 聚乙烯的热压冷却条件显著影响聚乙烯的形态结构[5]。事实上,聚乙烯在热压过程中,其表面会由于不同的基底材料,而形成不同的附生结晶(E p itaxial cr y stallization)层[6～8],而此附生层的形态对空间电荷特性有很大的影响。 附生结晶是一种物质在另一种物质(基底,Sub2 st rate)上的取向生长,实际上是一种表面诱导的取向结晶现象。研究聚合物在无机盐类离子上的附生结晶始于20世纪50年代后期,聚合物-聚合物间附生结 收稿日期:2008-06-25 基金项目:国家自然科学基金项目(NSFC50437030、NSFC50277023、NSFC50347010) 作者简介:王云杉(1983-),男,陕西人,博士研究生,研究方向为固体电介质的空间电荷特性及测量技术;周远翔(1966-),男,福建蒲田人,教授,博士生导师,从事高电压与绝缘技术的教学与科研工作,(电子信箱)zhou-y x@t sin g https://www.doczj.com/doc/a06801905.html,。 空间具有能量特性 1905年，爱因斯坦在其著名著作狭义相对论中提出了著名的质能方程，使人类对大自然的认识深了一大步。他指出了物质的本质是能量体，是能量的一种存在状态。时间已经过去一个多世纪了，他的理论依然发挥着重要作用。我们要发展他的理论，为我们更加全面的认识大自然，做好我们这一代人的接力工作。 爱因斯坦已经指出了物质的能量性，那么我们能否把他的理论来延伸一下：空间是否也具有能量特性？那就需要来证明一下这个命题：空间是具有能量特性的。 要证明这个命题有以下几个途径： 途径一：在微观环境下证明，可以利用光的特性，看看能否找到光和空间之间存在怎样的关系，从而推导出空间的能量特性。 途径二：是在宏观环境下证明，可以利用天体能量的变化寻找能量不守恒的证据，反证空间能量的存在。 途径三：是对空间开展科学实验，如果能够证明能量和空间存在着某种联系，同样可以证明。 途径四：是利用事物普遍联系的原理，进行大量事物现象的分析，佐证空间能量性的存在。 其他途径还有很多，暂时不做过多叙述。 下面尝试给出途径一的证明想法。 光是微观世界最基本的能量粒子，具有波粒二象性，拥有物质特性，又能被观察到，因 此光是我们研究微观世界的利器。所以，利用光子能够直接打开空间能量的大门。 然而，现如今要想使用光子打开这道大门还有很长一段路要走，并不轻松。 首先要确定光子的传播过程中是否依存传播媒介，这是关键。光子是否存在传播媒介的问题，在科学届进行了旷日持久的争论。水波的传播媒介是水体，通过水体的波动进行能量的扩散。通过水波的扩散可以总结出，波的实质是能量通过传播媒介的扩散过程。目前，因为光子根本找不到任何传播媒介，因此科学界的争论仍未停息。 那么我们打破常规，逆向思维一下。试想一下，能量能否通过能量本身作为传播媒介进行扩散传播呢？如果这个问题能够得到肯定回答，将对物理发展产生深远意义。如果光子的传播媒介就是能量本身，那么就能解释光子的波动性，又可以解释光子的能量性，甚至可以解释光子的粒子性及质量来源等方面。光子是能量粒子波，因此光子的传播媒介极大概率是能量本身，光子就是能量体内聚集形成的能量密集波动体，比周围的能量高而已。 如果光子的传播媒介真是能量本身，那么，我们还需要回答另一个问题：能量和空间存在着什么关系？ 事实上，光子是在空间内或透明介质中传播的。如果光子的传播媒介是能量，那么空间或透明介质必须具备能量特性，那样才能完成传播。对于透明介质来说，有一个共同特点，那就是不论他们是气体、液体或固体，它们在固态下均以晶体形式存在。晶体透明的根本原因，来自于晶体内的分子间距非常一致，基本可以看作是相等的，这种相等的间距对分子内的电子具有很强的约束作用，使得电子既不吸收也不反射光子，对于光子来说，这里相当于真空。因为透明介质是由物质组成，物质是能量体，因此光子在物质内传播也就相当于在能量体内传播。分子间距范围也相当于空间，因此和证明空间的能量性是一致的。 光子是波动体，根据波的性质，传播媒介是不会随着波一起做传播运动的。如果空间具有能量特性并提供媒介服务，那么空间能量的变化势必会引起光子显现出某种能量变化特征。 空间电荷效应 半导体中的空间电荷及其相应的空间电荷效应是一个重要的基本概念。在半导体材料和器件中往往会遇到有关的问题，特别是在大电流时空间电荷可能起着决定性的作用。 （1）空间电荷： 存在于半导体内部局部区域的剩余电荷即为空间电荷。例如p-n结界面附近处的势垒区，其中就有空间电荷，并从在势垒区中产生出相应的内建电场。 空间电荷包含有电离的施主、受主杂质中心的电荷以及载流子（电子和空穴）的电荷。在载流子被内建电场驱赶出空间电荷区——耗尽的近似情况下，空间电荷就只是电离杂质中心的电荷；这时，对于n型半导体，空间电荷主要是电离施主中心的电荷（正电荷）；对于p型半导体，空间电荷则主要是电离受主中心的电荷（负电荷）。一般，空间电荷密度ρ为ρ= q(p-n+Nd-Na) 。 （2）空间电荷效应： 在偏压等外界作用下，在空间电荷区中，载流子的浓度可能超过或者少于其平衡载流子浓度。例如，对于n-p结，空间电荷区主要在p型一边（其中的空间电荷基本上都是电离受主的负电荷）；当加上正向电压时，即有大量电子注入、并通过空间电荷区，则这时在空间电荷区中的电子浓度将超过平衡电子浓度，有np>nopo=ni2；相反，当加上反向电压时，空间电荷区中的电场增强，驱赶载流子的作用更大，则这时在空间电荷区中的电子浓度将低于平衡电子浓度，有np 空间电荷区 编辑 空间电荷区 也称耗尽层.在PN结中,由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运动,使PN结中间的部位(P区和N区交界面)产生一个很薄的电荷区,它就是空间电荷区. （1）当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P区和N区中原来的电中性条件破坏了。P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的PN结。 （2）在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。 （3）P区一侧呈现负电荷，N区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。 （4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。 （5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即PN结处于动态平衡 这是PN结的特性 在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导性 四维空间与能量本质 王大为 国网湖北电力中超建设管理公司湖北武汉微信号：wdw45740967在我们所生活的空间中我们能够直接接触到长宽高这样比较直观的维度，还有虽然我们不能直接接触但是可以感受到的维度--时间。这四个维度共同构成了我们的四维空间。虽然还不能直接接触到四维空间，但幸运的是我们拥有回忆，在回忆里，把我们一连串的活动记录下来，这就形成了我们脑海中的四维空间，虽然它不是真正的四维空间，仅仅由一系列三维片段构成，而且我们的大脑还做不到全方向、各个角度的审视和处理，但是这也足够使我们的智力得到发展并通过学习构建了今天的社会。 对于现实的生活空间人们使用数学这样的工具来描述它，并利用其严密的逻辑来证明我们宇宙空间的自洽性。在这里，只需要一些基本的物理规律，简洁的数学描述就足以促使我们的宇宙运行下去，终日不辍。 在这些基本的物理规律中有一条及其重要的定律，那就是能量守恒定律。数百年间，经历了无数人的质疑、验证，多少永动机梦碎，至今依然屹立不倒。1915年在爱因斯坦发表广义相对论的同年，伟大的德国女数学家埃米〃诺特发现了诺特定理，第一次从理论上证明了能量与时空的对应关系（诺特定理对于物理系统空间平移的不变性给出了动量守恒定律，对于时间平移的不变性给出了能量守恒定律）。而早在十年前的1905年，爱因斯坦就提出了令世人瞩目的质能方程2 E ，向世人揭示了质量与能量 mc 的关系，质量、能量还有空间之间的关系在人类不断的探索与追问下慢慢显露出了一丝真容。人们认识到能量与空间存在着现实对应的关系，对于空间，爱因斯坦的老师闵可夫斯基创立了闵可夫斯基空间，爱尔兰数学家、 物理学家哈密顿发现了四元数，它们都可以用来描述四维空间。然而最敏锐的还是爱因斯坦，他意识到速度与时间的关系以及光速的重要性，即时间随速度的增加而变慢这一日常难以观测到的事实并给出了关系式 t c v t )1('22 -=。在这里如果我们把速度与时间联系起来，可以惊喜的发现它们恰巧具有这样的关系，利用四元数可以表述如下： 2 222221z y x z y x z y x v v v v z y x v v v v i c v j c v k c v c v c v c ++=→→???? ??+++-?=有三个空间轴上的速度，、、分别表示、、表示光速，表示四维速度矢量，注：其中 或者简洁表述如1)1(22 222 =+-c v c v 这样的形式，时间与速度的平方和刚好就是光速的平方，这像极了三角形勾股定理，时间与空间的关系呼之欲出。利用四维空间可以很好的解释这个现象，因为空间是四维的，并以光速扩展，因此所有的物体都是在以光速运动，只有方向不同。在这里时间也是一维空间，物体在其间也具有速度，且物体的时间速度大小是22v c -，与空间速度v 对应（具体了解可以见拙作《关于四元数的几何意义和物理应用》）。 可以说以时间方向作为物体运动的正方向，不同速度的物体只是运动方向偏转了而已，其它并没有什么不同。利用三角函数可以很轻易的描述时间与空间的关系并体现出能量与空间的关联性。例如以时间方向作为运动正方向，构建时间、速度、光速关系的三角形，将光速作为斜边，速度作为对边，时间作为邻边，可以得到一个α角及如下三角函数： 2008年9月电工技术学报Vol.23 No. 9 第23卷第9期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2008 固体电介质空间电荷研究进展 周远翔王宁华王云杉孙清华梁曦东关志成 （清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京 100084） 摘要随着空间电荷测量技术在近30年的巨大进步，固体电介质空间电荷研究成为国际研究热点。本文论述了固体电介质空间电荷检测技术从有损发展到无损的过程，分析对比了目前应用较普遍的压力波法和电声脉冲法的原理及特点，介绍了国内空间电荷测量技术研究的发展特点。 在此基础上，从预电压效应、形态效应、空间电荷包现象、空间电荷的动态测量等方面论述了空间电荷效应对电介质电气性能的综合影响，对利用空间电荷进行固体电介质陷阱深度等性能参数的研究进行了探讨，强调了空间电荷在电介质材料的开发和评估中的重要作用以及不同应用领域对空间电荷特性的不同要求。指出空间电荷测量技术的进步为固体电介质的研究提供了新的有力手段，但仍需更多的深入研究，以完善电介质理论和促进空间电荷的工程应用。 关键词：空间电荷固体电介质预电压形态陷阱深度 中图分类号：TM215 Review of Research on Space Charge in Solid Dielectrics Zhou Yuanxiang Wang Ninghua Wang Yunshan Sun Qinghua Liang Xidong Guan Zhicheng （The State Key Laboratory of Power System Tsinghua University Beijing 100084 China） Abstract With great progress of space charge measurement technologies in the last three decades, lots of researches are focused on space charge in solid dielectrics. The space charge measurement technology for solid dielectrics has developed from destructive ways to non-destructive ways. Pressure wave propagation method and pulsed electro-acoustic method are two kinds of most popular methods nowadays. Theories and features of these two methods are compared and analyzed. Development of space charge measurement technologies in China is introduced. Based on above reviews, the influences of space charge effects on electrical properties are reviewed by prestressing effects, morphology effects, space charge phenomena and space charge dynamics, etc. Studies of some features of solid dielectrics by using space charge, such as trap depth, are discussed. The important role of space charge in developments and evaluations is emphasized. It’s also emphasized that different space charge characteristics are needed for applications in different areas. Progresss of space charge measurement technology provide new powerful ways for researches on solid dielectrics. However, more detail work should be carried out to improve dielectric theories and industrial applications of space charges. Keywords：Space charge, solid dielectrics, prestressing, morphology, trap depth 1引言 宏观固体物质通常可划分为一些相同的结构单元，一般来讲，每个结构单元应该是电中性的，如果在一个或多个这样的结构单元内正负电荷不能互相抵消，则多余的电荷称为相应位置上的空间电荷[1]。 空间电荷的存在、转移和消失会直接导致电介质内部电场分布的改变，对介质内部的局部电场起 教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-04-0095），国家自然科学基金（NSFC50437030、NSFC50277023、NSFC50347010）资助项目。收稿日期 2007-05-16 改稿日期 2007-11-29纳米复合介质中的陷阱分布与空间电荷机理
聚乙烯表面形貌对其空间电荷特性的影响
空间具有能量特性
空间电荷
空间电荷区
四维空间与能量本质
固体电介质空间电荷研究进展
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