半导体闪络引起的材料表面破坏现象研究

长期以来,沿半导体表面的闪络现象使得很多高功率半导体器件只能工作在相对较低的电场下,限制了它们的发展,而目前对半导体闪络的物理机理尚不明确.开展了冲击高压下Si及GaAs半导体的表面闪络实验,通过红外摄影观察到闪络过程中半导体表面存在的细丝状电流通道,且发现电极中央区域会出现明显红外辐射集中点.在闪络后的材料表面可以观察到细丝状破坏现象,其中在破坏后的n100型Si材料表面的细丝通道周围发现了凹坑形结构,凹坑中心存在圆锥状突起.结合电极边缘细丝状的破坏现象,讨论了电极边缘的热注入和内部多数载流子的弛豫特性 关键词： 半导体 表面闪络 细丝电流 表面破坏     

工业X光二极管重复频率实验研究

工业X光二极管型单焦点高重复频率闪光X光机在科学研究、工业检测等领域具有重要应用前景。基于光导开关脉冲驱动源开展了金属阴极工业X光二极管重复频率运行实验, 采用烘烤处理方法研究阴极表面吸附特性对重复频率发射特性的影响;以二极管阻抗模型为理论基础, 通过重复频率实验获得的二极管电压维持时间和阻抗特性分析等离子体扩散过程。研究表明:对于高阻抗结构工业X光二极管, 金属阴极为表面吸附杂质或气体解吸附形成等离子体发射机制, 一次放电后阴极表面对气体的再吸附过程限制了其在高重复频率条件下的电流发射能力, 同时由于阴极等离子体扩散过程变慢使得二极管电压脉宽变长。具有高重复频率电流发射能力的阴极是发展单焦点重复频率X光机的基础。     

释气对介质沿面闪络击穿影响的粒子模拟

为研究释气下的高功率微波介质沿面闪络击穿物理机制,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、次级电子发射、蒙特卡罗碰撞模型以及碰撞退吸附气体分子模型;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别研究了弱退吸附、强退吸附以及释气分子运动速率对沿面闪络击穿的影响.研究结果表明:介质沿面闪络击穿本质是沉积功率的持续增加.弱退吸附下,次级电子倍增占优,随着退吸附系数的增加,碰撞电离效应对次级电子倍增有促进作用,主要表现为介质窗表面静电场、表面碰撞电子平均能量以及表面碰撞电子数目的增加,此处的表面碰撞电子主要是次级电子倍增形成的;释气分子运动速率高导致介质面附近气压下降,不利于次级电子与气体分子间碰撞电离过程形成.强退吸附下,气体碰撞电离效应占优,随着退吸附系数的增加,离子数增加速度表现为电离频率增加的指数增长形式,碰撞电离效应对次级电子倍增有抑制作用,主要表现为介质窗表面静电场为负、表面碰撞电子平均能量的降低,但是表面碰撞电子数目却得以增加,此处的表面碰撞电子主要是贴近介质面的气体碰撞电离形成的;释气分子运动速率高导致气体厚度增加,扩大了气体碰撞电离作用区域,有利于气体碰撞电离.     

聚四氟乙烯沿面闪络电压规律

由于聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的绝缘性、化学稳定性，因此常被用于航天器线缆制作。为了研究聚四氟乙烯材料沿面闪络特性，实验在正常大气压下对聚四氟乙烯材料两端施加直流高压，得到放电电压值以及电压、电流波形。通过整理、对比发现:随着闪络次数的增加，材料放电电压呈先增大后稳定的规律，闪络平均场强呈降低趋势。对实验结果进行分析，认为介质表面粗糙程度的改变、材料表面化学变化是影响聚四氟乙烯沿面闪络电压的重要原因。根据闪络次数对电压的影响提出了较为准确描述PTFE闪络电压的方法。     

百纳秒脉冲下绝缘材料沿面闪络特性北大核心CSCD

为研究百纳秒脉冲下两种典型的绝缘材料(尼龙和有机玻璃)在气体中的沿面闪络特性,设计了百纳秒脉冲沿面闪络实验平台。通过实验研究了绝缘材料的闪络电压随气体气压、闪络距离、等物理因素的变化规律,实验表明:闪络电压随着气压的增加而增加,但是闪络场强随着闪络间距的增加而降低;在相同条件下,有机玻璃的闪络电压比尼龙高。同时通过沿面闪络实验,得到在百纳秒脉冲下不同气压、不同闪络间距的闪络电压值。     

硒化锗纳米片在氧气和丁烷气体中的电导性能

利用机械剥离和高温减薄方法制备了厚度约为5 nm的GeSe纳米片,并通过设计实验装置测试了GeSe纳米片在不同浓度氧气(O_2)和丁烷(C_4H_(10))气体中的电导性能.结果表明,随着氧气浓度的增加, GeSe纳米片在相同电压下所测得的电流增大,而在丁烷气体中所测得的电流减小.通过第一性原理计算发现,O_2分子从GeSe获得电子.气体浓度越大, P型半导体GeSe主要载流子空穴的浓度也越大,从而电导率增大.当GeSe吸附丁烷气体时,随着丁烷气体浓度的增加,相同电压下电导率减小.其原因可归结为GeSe薄膜器件在加工过程中从空气中吸附了O_2分子,由于薄膜中存在较高密度的Se空位,导致O_2的高密度吸附.从而导致在吸附还原性气体时,丁烷气体易失电子.即电子从丁烷气体分子中转移到GeSe薄膜表面与空穴中和,降低了GeSe薄膜中的载流子空穴浓度,从而降低电导率.本文的研究有助于GeSe纳米片在氧气和丁烷气中的光电器件应用.     

圆形平板电极与薄膜层叠结构的沿面闪络性能

强电磁脉冲模拟装置中用于脉冲压缩的陡化电容器常采用电极与薄膜介质层叠的结构，其主要绝缘失效模式为沿面闪络。采用圆形平板电极，在SF₆绝缘环境中和加载电压为前沿约30 ns的纳秒脉冲电压的条件下，实验研究了陡化电容器关键结构参数和气压对沿面闪络性能的影响。结果表明:（1）电极厚度、气隙和表面涂覆均不能明显改变层叠结构的沿面闪络电压；（2）气压可以提高层叠结构的沿面闪络性能，但是存在饱和趋势；（3）薄膜介质层数与沿面闪络电压近似线性比例关系；（4）增长薄膜介质伸出长度能显著提高沿面闪络电压。基于流注理论对上述结果进行了探讨，认为极不均匀场中，闪络起始主要由高场强区域决定，但是闪络通道的形成和发展主要由闪络路径上的背景电场决定，因此减小层叠结构三结合点处电场对闪络性能影响不大，但减小闪络通道发展路径上的背景电场，可以有效提高层叠结构的沿面闪络电压。     

脉冲条件下绝缘介质气体沿面闪络发光特征

对大气环境中脉冲电压加载下绝缘介质沿面闪络放电开展了初步放电图像诊断研究。采用超高速可见光分幅相机诊断指状电极结构下有机玻璃材料在大气环境中不同时刻闪络通道发光图像特征。实验结果表明:闪络通道形成和扩张阶段中，阴极区域和阳极区域均产生放电发光，放电通道沿固体电介质表面快速贯穿，贯穿时间约15 ns，贯穿后发光通道逐渐扩张至一定区域，发光强度大，维持时间长，整体发光时间可持续到μs量级，放电通道内能量分布有所差异。     

窄丝化工艺对第二代高温超导带材临界电流特性的影响

超导带材应用于超导电力设备时,其临界电流特性受外界交变磁场大小和方向的影响,展现出明显的各向异性.为了减小外场对超导带材的影响,本文通过窄丝化工艺将4 mm宽的高温超导带材分切成2 mm宽的高温超导细丝.本文通过冷热循环疲劳测试实验和带材显微观察两个角度相互验证,对2 mm超导细丝临界电流性能做了具体评估.创新性地提出"在窄丝化工艺中引入电镀铜工艺作为过渡来改善超导细丝临界电流特性",通过实验以及显微观察证实"电镀铜工艺能够在超导细丝表面生成铜保护层,有效降低超导细丝临界电流的衰减".本文也为后续超导细丝在复合结构的应用中提供了重要参考.     

刻槽绝缘子真空表面闪络光学特性

利用超高速相机Hsfc-Pro对绝缘子真空表面闪络光学特性进行了研究,重点分析了平板和刻槽结构圆盘形介质样品在指状电极下闪络通道的差异以及刻槽结构对材料绝缘强度的提升。实验结果表明:槽纹的引入改变了闪络通道的形成位置,平板结构介质样品的表面闪络一般是沿两电极中心连线发展,而刻槽结构介质样品的表面闪络则是沿介质边缘发展。这导致后者的闪络时延至少是前者的/2倍,证明了刻槽结构可以在不增加器件尺寸的前提下有效提高介质材料的绝缘强度。     

高梯度绝缘子的实验研究与性能分析

为解决脉冲功率系统中绝缘部件的真空沿面闪络问题,开发了基于二次电子崩理论的层叠式高梯度绝缘材料。利用全金属超高真空分析系统,对高梯度绝缘子的真空出气特性进行检测;利用四极质谱仪,对高梯度绝缘子真空出气的气体成分进行分析。利用阻抗分析仪测试不同结构绝缘材料的高频介电性能。基于纳秒脉冲真空实验平台,对高梯度绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试。研究结果表明:高梯度绝缘子具有良好的高频介电性能,其拐点频率高达200 MHz;锻炼后高梯度绝缘子的闪络场强可达190 kV/cm,其闪络性能和高梯度绝缘结构中绝缘层的材料及绝缘层与金属层的比例直接相关。     

Process of Surface Flashover in Vacuum Under Nanosecond Pulse

In a wide variety of high-power pulsed devices, vacuum surface flashover plays a key role in the system performance. High-speed electrical measurements with temporal resolution in the nanosecond range were employed to measure the flashover characteristics, and high-speed three-frame photography was used to image the flashover channels at different phases along the insulator surface. From these test results, the flashover under nanosecond pulse would experience a process with three typical phases: initial phase, developing phase, and extinguishing phase. Spectra luminosity of the flashover channel is also discussed for better understanding the mechanism of the flashover process.      

SF6中氧化铝环氧复合材料的纳秒脉冲闪络特性

氧化铝掺杂环氧树脂复合材料在电力绝缘设备中应用广泛,然而人们对其在纳秒脉冲下的绝缘性能研究较少,这限制了它在指导脉冲功率装置中的应用。为探究其在纳秒脉冲下的沿面绝缘性能,对氧化铝掺杂环氧树脂复合材料在前沿数十ns快脉冲电压下的闪络特性进行了研究,结果显示,其闪络电场较纯环氧有较大提高,闪络电压符合韦伯分布。实验表明,闪络电压随电压上升率的增加而显著增加,从5.8 kV/ns时的108 kV上升到20.5 kV/ns时的226 kV,增幅超过1倍。闪络时延随电压上升率的上升呈现“先快速下降、后趋于平缓”的趋势。在试样闪络通道表面观测到明显的碳化现象,说明实验中的闪络放电对复合材料有破坏性影响。     

影响高功率光导开关临界频率热因素的数值分析

基于时域有限差分法(FDTD)对非线性模式面结构砷化镓光导开关的热传导过程进行了数值模拟。研究了光导开关临界频率与电流丝位置、半径、数量、芯片尺寸、环境温度等参数的关系。研究表明:临界频率随电流丝半径、数量的增加,呈指数上升趋势;临界频率随着电流丝深度、芯片厚度的增加,呈指数下降趋势;临界频率在一定范围内随环境温度的增加呈线性下降趋势。     

Real-time monitoring of the desorption process of chlorine-covered Si(111)-‘1×1’ surface with second-harmonic generation

To elucidate the fundamental process underlying the semiconductor surface fabrication, isothermal desorption from a Cl/Si(111)-‘1×1’ surface was monitored by means of second-harmonic generation with 1064 nm light. During the desorption, surface Cl-coverages were obtained in real time. The temperature dependence of the desorption rates revealed that the energy barrier against chloride desorption is 2.1 eV. A very slow second phase in the recovery of the second-harmonic intensity is associated with reconstruction of 7×7 DAS structure following the desorption. The activation energy for the reconstruction was 2.4 eV.     

微秒脉冲电场下Pb_(0.99)(Zr_(0.95)Ti_(0.05))_(0.98)Nb_(0.02)O_3陶瓷击穿过程电阻变化规律

陶瓷作为应用非常广泛的一种材料,其电击穿问题一直是研究的重点和热点.由于击穿过程涉及热、光、电多场耦合效应,目前还没有一个普适的模型能够解释陶瓷击穿问题.针对此问题进行分析,实验中采用脉冲高压发生装置击穿陶瓷,通过对陶瓷击穿过程中等效电阻的研究,揭示了PZT95/5陶瓷样品体击穿和沿面闪络形成过程的异同.结果显示,在两种击穿模式下,陶瓷样品内部均会在40 ns左右形成导电通道,陶瓷等效电阻急剧下降至10~5?量级;然后体击穿与沿面闪络的导电通道以不同的速率继续扩展;电阻减小速率与导电通道上载流子的浓度有关,二者的等效电阻以不同速率减小,直至导电通道达到稳定.