采用等温表面电位衰减法表征LDPE与HDPE内陷阱的分布特性EI北大核心CSCD

空间电荷积聚对直流电缆的使用寿命和运行安全有重要影响,研究聚乙烯材料内陷阱电荷的分布特性并进一步分析其内部陷阱分布特性,对抑制聚合物材料中空间电荷积聚、提高直流电缆运行的可靠性具有重要意义。通过考虑聚合物材料内电荷的脱陷规律,提出了一个计算聚合物内陷阱分布的等温表面电位衰减(isothermal surface potential decay,ISPD)模型。通过测量低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)和高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)试样分别在正、负电晕放电充电条件下的表面电位衰减特性,获得其相应的陷阱分布规律,并根据2种试样不同的形态学特性进行分析。结果表明:LDPE与HDPE内陷阱主要以深陷阱为主,陷阱密度近似为1021 m^(-3),与其它文献报道的相一致;HDPE内电子深陷阱多于LDPE内电子深陷阱,电子浅陷阱少于LDPE内电子浅陷阱;LDPE内电子深陷阱多于空穴深陷阱,电子浅陷阱少于空穴浅陷阱。分析认为:LDPE与HDPE独特的聚集态结构,以及电子和空穴电导的差异对陷阱电荷分布产生重要影响。     

采用等温表面电位衰减法表征LDPE与HDPE内陷阱的分布特性

空间电荷积聚对直流电缆的使用寿命和运行安全有重要影响,研究聚乙烯材料内陷阱电荷的分布特性并进一步分析其内部陷阱分布特性,对抑制聚合物材料中空间电荷积聚、提高直流电缆运行的可靠性具有重要意义。通过考虑聚合物材料内电荷的脱陷规律,提出了一个计算聚合物内陷阱分布的等温表面电位衰减(isothermal surface potential decay,ISPD)模型。通过测量低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)和高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)试样分别在正、负电晕放电充电条件下的表面电位衰减特性,获得其相应的陷阱分布规律,并根据2种试样不同的形态学特性进行分析。结果表明:LDPE与HDPE内陷阱主要以深陷阱为主,陷阱密度近似为1021 m~(-3),与其它文献报道的相一致;HDPE内电子深陷阱多于LDPE内电子深陷阱,电子浅陷阱少于LDPE内电子浅陷阱;LDPE内电子深陷阱多于空穴深陷阱,电子浅陷阱少于空穴浅陷阱。分析认为:LDPE与HDPE独特的聚集态结构,以及电子和空穴电导的差异对陷阱电荷分布产生重要影响。     

纳米SiO_2/硅橡胶复合材料的陷阱特性

硅橡胶作为直流电缆附件中的主绝缘材料,存在空间电荷积聚的问题,研究硅橡胶纳米复合材料的陷阱特性对抑制聚合物材料的空间电荷积聚有重要意义。为此,以甲基乙烯基硅橡胶为基胶,制备了掺杂不同质量分数(5%、10%和20%)纳米SiO_2粒子的硅橡胶纳米复合试样,通过扫描电子显微镜观测了试样的断面形貌,采用电容探头测量了试样在正、负电晕充电条件下的电位衰减特性,并结合双陷阱能级模型和等温表面电位衰减模型,获得了各试样的空穴陷阱特性和电子陷阱特性。研究结果表明:无纳米掺杂的纯硅橡胶试样中空穴陷阱多为浅陷阱,电子陷阱多为深陷阱;与纯硅橡胶相比,掺杂纳米SiO_2粒子的质量分数为5%时,复合材料中空穴深陷阱密度增多,并且空穴陷阱和电子陷阱均以深陷阱为主;而当复合材料中纳米SiO_2粒子质量分数增大至10%和20%时,其空穴和电子深陷阱密度显著下降,材料内部大量的浅陷阱有助于其电荷的消散。研究成果可为直流电缆附件中硅橡胶材料的改性提供一定的参考。     

不同温度热老化对高压配网交联聚乙烯电缆绝缘表面陷阱参数的影响

陷阱参数可影响交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆绝缘中载流子的注入和迁移过程,进而对XLPE电缆绝缘的介电性能产生影响。针对商用110kV的高压配电电缆绝缘,通过等温表面电位衰减(isothermal surface potential decay,ISPD)测试系统研究不同温度热老化过程对XLPE电缆绝缘表面陷阱参数的影响。实验结果表明,未老化的XLPE电缆绝缘表面以电子深陷阱和空穴深陷阱为主,当老化温度低于XLPE的熔融温度(T_m)时,浅陷阱密度增加,深陷阱密度变化幅度不大,XLPE电缆绝缘表面仍以深陷阱为主。而当老化温度高于Tm时,电子、空穴浅陷阱密度大幅增加,深陷阱密度大幅下降,陷阱能级下降,老化临界时间之后,XLPE试样表面以电子浅陷阱和空穴浅陷阱为主。热老化试样中浅陷阱密度的增加可能来源于羰基(C=O)等老化副产物的增加,深陷阱密度的下降可能是来源于老化过程对球晶的破坏。不同老化温度条件下表面陷阱密度和能级变化规律的差异可能是由晶体结构劣化方式的差异造成。     

聚合物绝缘材料表面陷阱与电致发光现象研究

聚合物材料老化前会出现电致发光现象，其紫外分量可能导致材料的劣化。因此电致发光的研究可为分析材料老化和击穿机理提供依据。该文首先基于等温电流衰减理论，设计了材料表面陷阱参数测量装置，实验中采用多针电极对低密度聚乙烯(polyethylene，LDPE)、聚丙烯(polypropylene，PP)和聚四氟乙烯(polytetrafluoroetylene，PTFE)3种材料进行表面充电，记录表面电位衰减并按照等温电流衰减理论计算得到材料表面陷阱参数。结果显示，LDPE的陷阱密度较PTFE和PP大，LDPE和PTFE的电子空穴陷阱分布成对称结构，PP的电子陷阱密度明显大于空穴陷阱密度，这与材料的分子结构的对称性有密切关系。同时基于单光子计数模块设计了微弱发光数据采集系统，对上述材料在真空中交流电压下的电致发光特性进行了测量和分析。材料的陷阱密度对其电致发光特性具有重要的影响，材料的陷阱密度越高，发光越弱，反之则越强。     

工频电压叠加谐波作用下硅橡胶绝缘的陷阱和介电特性演变规律

我国电网容量的迅速增长与大量电力电子设备和非线性负载的广泛使用,导致电力系统产生了谐波。电力系统中的谐波会对电力设备的正常运行产生安全危害,加剧电力设备内部绝缘材料的老化,降低电力系统的整体运行可靠性。为此采用工频电压叠加谐波对电缆终端进行加压试验,然后测试运行不同时间的电缆终端上硅橡胶绝缘材料的红外光谱、介电谱、电导率、表面电位衰减等特性。试验结果表明:随着运行时间延长,硅橡胶的介电常数和介电损耗因数逐渐增大。特别是低频下硅橡胶的介电损耗因数出现了很大的变化,直流电导对介电损耗的作用显著增强,导致介电损耗因数随着频率的下降而呈现逆幂函数增大趋势。硅橡胶绝缘在正电晕和负电晕充电后的表面电位衰减速率随电缆终端运行时间的延长而加快,与电导率逐渐增大的试验结果一致。通过分析硅橡胶绝缘材料的电子陷阱和空穴陷阱分布特性,发现随着运行时间的延长,电子和空穴的陷阱能级均变浅。通过载流子跳跃电导模型计算发现电缆终端运行时间延长形成的浅陷阱将导致载流子迁移率增大,电导率上升。当电导率上升到一定值时,绝缘电介质将失去绝缘性能,导致绝缘失效。     

固体绝缘介质表面陷阱参数的分析

为了研究聚合物绝缘材料表面陷阱参数对其绝缘性能的影响,在简述了等温电流衰减理论后依该理论设计了材料表面陷阱分布测量装置,并实际测量了聚合物低密度聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯的表面陷阱分布。在对材料直流充电后将其短路1min以清除表面沉积的自由电荷,再移去短路电极并将探头迅速移至材料表面充电区域记录表面电位。实验保持恒温条件,用等温电流衰减理论计算材料的陷阱分布参数。实验表明电子空穴陷阱与材料的分子结构密切相关,聚合物不同高分子链影响着陷阱电荷的分布。     

环氧树脂/SiO_2纳米复合材料陷阱分布及直流闪络特性

气体绝缘管道输电和气体绝缘组合电器运行过程中盆式绝缘子表面电荷的积累与消散特性对其绝缘破坏具有重要影响,通过纳米颗粒调控环氧树脂表面电荷的动态行为及其闪络特性对提高其安全运行具有重要意义。制备了质量分数为0%、2%、4%、6%和8%的环氧树脂/SiO_2纳米复合材料,获得了其在正、负直流电压作用下表面电位衰减特性、陷阱分布特性及其闪络击穿特性,并建立了基于陷阱调控的闪络击穿失效物理模型。结果表明:正、负电晕充电条件下,SiO_2纳米颗粒均导致环氧树脂表面电位衰减速度减小,纳米质量分数为4%时达到最小值; SiO_2纳米颗粒引入了新的空穴陷阱和电子陷阱,深陷阱能级和陷阱密度均增加,纳米质量分数为4%时达到最大值; SiO_2纳米颗粒提高了环氧树脂的闪络电压,质量分数为4%的纳米复合材料与纯环氧树脂相比,正、负直流电压下闪络电压分别提升了58. 04%和64. 15%。     

采用表面电位衰减法表征高压交联聚乙烯电缆绝缘中空间电荷的输运特性

空间电荷积聚是影响高压直流交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)电缆运行安全的重要原因,定量表征XLPE中空间电荷的输运特性,对抑制空间电荷积聚、提高电缆绝缘可靠性具有重要意义。采用厚200μm的XLPE薄膜为试样,通过表面电位衰减(surface potential decay,SPD)法测量其陷阱能级分布、载流子迁移率和体电导率。结果表明,电子陷阱能级深度分布在0.8～1.07eV,在1.01eV处存在陷阱密度中心;空穴陷阱能级深度分布在0.71～1.06eV,分别在0.89eV和1.01eV处存在陷阱密度中心。正、负电荷的迁移率分别为1.5×10-14 m2/(V.s)、1.7×10-15 m2/(V.s)。体电导率随场强降低而减小,逐渐达到稳定值约5×10-17 S/m。研究表明:交联剂过氧化二异丙苯受热分解形成的副产物苯乙酮和α-甲基苯乙烯,是导致浅能级空穴陷阱密度显著大于电子陷阱密度、从而使正电荷具有较高迁移率的主要原因。     

基于等温表面电位衰减法的直流电缆用低密度聚乙烯和交联聚乙烯陷阱电荷分布特性

空间电荷积聚是影响直流电缆安全运行的重要原因,定量表征直流电缆用聚乙烯材料内陷阱电荷的分布特性并分析其内部陷阱产生的根源,对抑制空间电荷积聚、加强直流电缆安全可靠运行具有重要意义。为此,采用直流电晕充电法对低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)和交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)薄膜试样进行了充电,以模拟直流加压时电荷的注入过程。通过考虑材料内入陷电荷的出陷规律,建立了1个等温表面电位衰减(isothermal surface potential decay,ISPD)模型。通过分析LDPE和XLPE薄膜试样的ISPD数据,获得了其内部陷阱电荷的分布特性,并进一步分析了LDPE与XLPE形态学特性和添加剂对陷阱形成的影响。结果表明:LDPE和XLPE中分别存在2个陷阱中心,即浅陷阱中心和深陷阱中心;LDPE中与XLPE中空穴深陷阱电荷密度都高于空穴浅陷阱电荷,即2者空穴陷阱电荷主要以深陷阱为主;XLPE中空穴浅陷阱电荷与空穴深陷阱电荷之间的数量差距减少,XLPE中空穴浅陷阱高于LDPE中空穴浅陷阱。交联副产物对XLPE内部陷阱的形成产生重要影响,且添加剂形成的空穴类型陷阱的深度并不完全相同。     

复合材料的陷阱参数对其在真空中高压脉冲下沿面闪络特性的影响

长期以来真空沿面闪络现象一直制约着真空绝缘材料性能的提高，极大地限制了高功率脉冲设备的小型化和实用化进程。该文针对环氧基复合材料引入真空绝缘的背景，研究了脉冲电压作用下，复合材料的表面陷阱状况对其沿面绝缘特性的影响。通过对Simmons等温电流理论的进一步推导，完善了利用表面电位衰减测量材料表层陷阱能量分布的理论和方法，并分析了填料浓度对于材料表层陷阱的影响机制。在已有的二次电子发射雪崩(SEEA)闪络模型基础上，强调了深电子陷阱在沿面闪络过程中的作用，并定性分析了此过程中的物理机制和影响因素。复合材料中的深陷阱对于抑制材料表面的内二次电子发射有一定的作用，通过提高深陷阱的密度可以在一定程度上提高沿面闪络电压。     

Numerical simulation of time resolved charge transport in semiconductor structures for electronic devices

Excess charge carrier transport and relaxation in semiconductor layered structures have been numerically simulated by a finite-difference method. The standard mathematical model of charge transport in semiconductors has been used, consisting of two continuity, two diffusion and two drift equations and a Poisson equation involving electron, hole concentrations and potential. The relaxation process is described by means of Shockley-Read-Hall recombination statistics. The equations of the model are solved in a one-dimensional space domain and the time domain. The simulation program can be used to deduce semiconductor parameters like bulk lifetime, surface recombination velocity, diffusion coefficients and mobilities of electrons and holes from measurements of photoconductance decay. A technique for a direct measurement of the recombination velocity at a wafer’s surface or interface is presented. It is based on the measurement of the initial photoconductance decay after laser pulse excitation of excess charge carriers in a very shallow layer at the surface or interface. Under conditions to be fulfilled for a correct measurement, the initial decay process is dominated by recombination at the surface and the decay of the measured curve depends almost exclusively on the surface recombination velocity. In this case the simulation program is necessary to interpret the measurement data.     

Special reliability features for Hf-based high-/spl kappa/ gate dielectrics

Several special reliability features for Hf-based high-/spl kappa/ gate dielectrics are highlighted, including: 1) trapping-induced threshold voltage (V/sub th/) shift is much more of a concern than TDDB in determining the operating lifetime; 2) n-channel MOSFETs (nMOSFETs) are more vulnerable than p-channel MOSFETs (pMOSFETs); and 3) MOSFETs with polySi gates are more vulnerable than those with metal gates. These will be discussed in the context of existing electron/hole traps and trap generation by high-field stress. A novel technique to probe traps in ultrathin gate dielectrics, inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS), will be shown to be capable of revealing the energies and locations of traps in high-/spl kappa/ gate dielectrics.     

Correlation between trapping parameters and surface insulation strength of solid dielectric under pulse voltage in vacuum

As well known, the surface conditions of solid materials strongly affect the flashover phenomena under high electric field. The artificial doping ingredients could change the energy distribution and the density of electron and hole traps. The trapping parameters in the surface layer have some influences on the surface insulation strength. In order to adjust different trapping parameters, the composite materials of epoxy resin intermingled with aluminum hydroxide are prepared. The trapping parameters of the samples with different filler concentrations are investigated through the method of measuring the surface potential based on the isothermal current theory. The surface insulation performance in vacuum of each sample is tested according to the flashover voltage under pulsed excitation. Based on the experiment, the correlation between the trapping parameters and surface insulation strength is discussed and some novel models are presented     

玻璃陶瓷表面浅陷阱分布对其真空沿面闪络特性的影响

长期以来沿面闪络现象一直制约着真空绝缘系统的整体性能，极大地限制了高压电真空设备的发展进程。针对一种具有良好加工性能及表面耐电特性的低熔点可加工微晶玻璃陶瓷引入真空绝缘的背景，研究了不同制备工艺的可加工陶瓷试品在进行表面氢氟酸处理前后其电学特性的变化。利用表面电位衰减法测量了材料表层陷阱分布，分析了表面酸处理对其陷阱分布的影响；采用光电结合的方法，测量了不同表面处理的材料在真空中的表面耐电情况，分析了材料表面陷阱的密度和能级对闪络特性的影响。发现玻璃陶瓷材料表面存在的玻璃相结构是造成存在大量浅陷阱的重要原因，而浅陷阱对沿面闪络特性造成不利影响。得知通过氢氟酸处理可以腐蚀掉材料表面的玻璃相结构，从而降低浅陷阱密度，进而明显提高材料表面闪络的稳定性和降低分散性。     

电声脉冲法研究热老化对160kV直流电缆绝缘材料陷阱特性的影响

交联聚乙烯(XLPE)老化会引起内部陷阱特性的变化,进而造成空间电荷分布的变化,威胁直流电缆的安全运行。对160k V直流电缆切片进行了90℃和135℃不同程度的热老化试验,并利用电声脉冲法(PEA)探究了热老化对直流电缆空间电荷分布的影响。通过分析空间电荷的衰减规律并结合等温松弛理论,提出了利用PEA法分析绝缘材料陷阱特性的方法,并对老化前后试样内的陷阱特性进行了分析研究。研究结果表明,90℃热老化前期由于后交联反应,试样部分深陷阱转为浅陷阱,直流电缆内部空间电荷消散特性变好;但随着老化时间的进一步增加,试样内的陷阱深度及密度均有一定程度的增长,空间电荷积累量也随之增加。试样在135℃高温热老化情况下,内部发生强烈的热氧反应,结晶形态遭到严重破坏,陷阱能级及密度均大大增加。     

New methodology for surface potential decay measurements: application to study charge injection dynamics on polypropylene films

Our work shows, through measurements on polypropylene films, the validity of surface potential measurements as a technique for dielectric properties analysis. We propose a representation of the decay and potential return curves that separates different components of dielectric response, by using tdv/dt vs log t plots. Using this transformation, and varying some experimental conditions we have identified different contributions to the potential decay. From our experimental observations we suggest a qualitative interpretation of the initial seconds of potential decay for negative corona charged samples that uses a model controlled by surface trap emission and charge exchanges between corona discharge and the insulator surface.     

Stochastic simulation of bimolecular reactions in vicinity of traps and applications to electron–hole recombination in 2D and 3D inhomogeneous semiconductors

Stochastic models and simulation algorithms for spatially separated reactants in the vicinity of traps were developed. The methods were applied to simulate electron–hole recombination in inhomogeneous semiconductors. Continuous kinetic Monte Carlo methods were compared with a discrete cellular automata algorithm. Recombination kinetics for pure diffusion and diffusion in the vicinity of tunneling regimes were investigated. A difference in the electron–hole spatial correlations simulated by the discrete and continuous models and the relevant segregation phenomena in two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) semiconductors was discovered. This results in different spatial patterns during segregation of electron and hole clusters. Comparative analysis of different statistical characteristics evaluated by the two studied methods was performed. In addition, the execution time of codes implementing the two models was studied versus the number of electron–hole pairs simulated and the size of the semiconductor domain.     

Mechanisms of RF Current Collapse in AlGaN–GaN High Electron Mobility Transistors

The physical mechanisms underlying RF current- collapse effects in AlGaN-GaN high-electron-mobility transistors are investigated by means of measurements and numerical device simulations. This paper suggests the following conditions: 1) both surface and buffer traps can contribute to RF current collapse through a similar physical mechanism involving capture and emission of electrons tunneling from the gate; 2) surface passivation strongly mitigates RF current collapse by reducing the surface electric field and inhibiting electron injection into traps; 3) for surface-trap densities lower than 9 x 1012 cm^-2, surface-potential barriers in the 1-2-eV range can coexist with surface traps having much a shallower energy and, therefore, inducing RF current-collapse effects characterized by relatively short time constants.