發(fā)布時間：2018-08-12 17:29

【摘要】：聚合物介質材料的電荷輸運特性決定介質的空間電荷積聚特性�？臻g電荷積聚會造成介質中電場畸變,當介質中的局部電場達到一定閾值,電-機械應力、或電荷脫陷過程中釋放的能量會造成材料的老化或劣化、甚至擊穿,影響電力設備、航天器的安全運行和壽命。介質的電荷輸運特性決定著材料的空間電荷積聚水平,然而一些高阻聚合物介質材料的電導機制、空間電荷形成與傳導等電荷輸運特性和機理尚不完全清楚。因此,有必要深入系統(tǒng)地研究聚合物介質材料電荷輸運特性和機理。本文研究了聚合物介質材料中存在單一分立能級陷阱、多重分立能級陷阱和指數(shù)能級分布陷阱時,介質中的電荷入陷/脫陷動力學響應特性,穩(wěn)態(tài)載流子有效遷移率及其隨陷阱分布、電荷密度、溫度和電場的變化關系,及空間電荷限制電流(SCLC)特性。測試了電子束輻射后聚酰亞胺(PI)材料的二維表面電位衰減(SPD)特性,建立了SPD模型,計算了材料的表面和體電荷輸運參數(shù)。采用雙極性電荷輸運模型(BCT)仿真計算了SPD過程中的表面電荷衰減、體內電荷和電場分布時空演變特性。研究了高溫強場下PI薄膜的SCLC電流特性、及不同SCLC電流區(qū)的電荷輸運特性和機理。首先,研究了陷阱捕獲效應對介質電荷入陷/脫陷動力學響應特性、電荷輸運特性和SCLC電流的影響規(guī)律。提出了庫侖勢壘電荷捕獲修正模型,得到了陷阱捕獲截面和捕獲概率解析表達式。推導了載流子有效遷移率和SCLC電流隨陷阱能級、載流子遷移率邊緣、溫度、電荷密度和電場變化的解析表達式。其次,研究了溫度在298-338K、電場強度小于5.4×107Vm-1時,厚度為27μm PI材料的SPD特性和電荷輸運特性�？紤]材料的表面?zhèn)鲗Ш腕w傳導過程,建立了結合遺傳算法的二維SPD模型,計算得到了不同溫度下PI材料的視在表面電阻率、體歐姆電阻率和載流子有效遷移率,及視在表面電阻率和體歐姆電阻率的活化能和材料的深陷阱能級。再次,采用BCT模型仿真研究了PI材料在室溫不同初始表面電位時的SPD特性和空間電荷時空演變特性,提取了材料的電荷輸運參數(shù)。BCT模型結合遺傳算法計算得到了不同初始表面電位時材料的SPD曲線,得到了經過優(yōu)化的松弛極化和電荷輸運參數(shù)。將優(yōu)化過的參數(shù)帶入BCT模型中,計算得到了SPD過程中材料的表面沉積電荷、體內自由電荷分布、陷阱電荷分布和電場分布隨時間的變化特性。接著,研究了多重分立能級陷阱和指數(shù)能級分布陷阱中電荷動力學響應特性,及穩(wěn)態(tài)載流子有效遷移率隨陷阱分布、電荷密度和溫度等的變化特性。通過理論推導和數(shù)值仿真研究了電荷入陷/脫陷動力學響應特性,得到了等效電路模型。推導得出了穩(wěn)態(tài)時陷阱電荷密度與自由電荷密度的關系式,得到了指數(shù)能級分布陷阱中載流子有效遷移率的解析表達式。最后,研究了在高溫(593-673K)、強場(107-3×108Vm-1)條件下,厚度為1.4μm PI薄膜的電荷輸運特性和空間電荷分布特性。研究PI薄膜的單一分立能級陷阱和指數(shù)能級分布陷阱SCLC電流特性,計算得到了PI材料的陷阱分布參數(shù)。然后,計算得到了介質的準費米能級和載流子有效遷移率隨電荷密度和溫度的變化關系,以及不同SCLC電流區(qū)介質中的電荷密度和電場隨位置的分布特性。
[Abstract]:Charge transport characteristics of polymer dielectric materials determine the space charge accumulation characteristics of the medium.Space charge accumulation will cause electric field distortion in the medium.When the local electric field in the medium reaches a certain threshold,the electrical-mechanical stress or the energy released during the process of charge collapse will cause aging or deterioration of the material,even breakdown,and affect the power equipment. Safe operation and lifetime of spacecraft. Charge transport properties of dielectric determine the level of space charge accumulation of materials. However, the conductivity mechanism, space charge formation and conduction characteristics and mechanism of some high-resistivity polymer dielectric materials are not completely clear. Therefore, it is necessary to study the charge of polymer dielectric materials thoroughly and systematically. Transport properties and mechanisms. The dynamic response of charge trapping/detachment, the effective mobility of steady-state carriers and its dependence on trap distribution, charge density, temperature and electric field are investigated in polymer media with single discrete level traps, multiple discrete level traps and exponential level distribution traps. Space Charge Limited Current (SCLC) Characteristic. The two-dimensional surface potential attenuation (SPD) characteristics of polyimide (PI) materials irradiated by electron beam were measured. The SPD model was established and the surface and bulk charge transport parameters were calculated. The surface charge attenuation, internal charge and electrical properties were simulated by bipolar charge transport model (BCT). The characteristics of SCLC current and charge transport in different SCLC current regions are studied. Firstly, the effects of trap trapping on the dynamic response of dielectric charge entrapment/detachment, charge transport and SCLC current are studied. The analytical expressions of trap capture cross section and trap probability are obtained by modifying the model. The analytical expressions of carrier effective mobility and SCLC current with trap energy level, carrier mobility edge, temperature, charge density and electric field are derived. Secondly, the thickness of 27 micron PI material is studied when the temperature is 298-338K and the electric field intensity is less than 5.4 *107Vm-1. SPD characteristics and charge transport properties of PI materials are studied. Considering the surface conduction and bulk conduction process of PI materials, a two-dimensional SPD model based on genetic algorithm is established. The apparent surface resistivity, bulk ohmic resistivity and carrier effective mobility of PI materials at different temperatures, and the activation energies of apparent surface resistivity and bulk ohmic resistivity are calculated. Thirdly, the SPD characteristics and space-time charge evolution of PI materials at different initial surface potentials at room temperature are simulated by BCT model. The charge transport parameters are extracted. The SPD curves of PI materials at different initial surface potentials are obtained by BCT model and genetic algorithm. The relaxation polarization and charge transport parameters are obtained. The surface deposition charge, the free charge distribution, the trap charge distribution and the electric field distribution in the SPD process are calculated by introducing the optimized parameters into the BCT model. The dynamic response characteristics of charge trapping/detachment are studied by theoretical derivation and numerical simulation, and the equivalent circuit model is obtained. The relationship between trap charge density and free charge density is deduced. Finally, the charge transport and space charge distribution characteristics of PI thin films with thickness of 1.4 micron at high temperature (593-673K) and high field (107-3 *108Vm-1) are studied. The current characteristics of single discrete level trap and exponential level distribution trap SCLC of PI thin films are studied. The trap distribution parameters of PI material are calculated. Then, the relationship between the quasi-Fermi level and carrier effective mobility with charge density and temperature, and the distribution characteristics of charge density and electric field with position in different SCLC current regions are obtained.
【學位授予單位】：西安交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM21

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本文編號：2179780