聚丙烯载流子输运与能量积累调制直流击穿威布尔分布特性仿真研究

摘要

聚丙烯因其优异的电气和化学性能被广泛应用于薄膜电容器,但直流电场中电介质的击穿是制约电容器储能密度提高的关键因素.外施强电场作用下,电极/绝缘电介质界面注入的电荷在电场力驱动下输运并积累能量,形成泄漏电流,积聚空间电荷、畸变电场,最终导致绝缘电介质发生击穿破坏.从载流子输运和能量积累造成绝缘电介质击穿的物理过程,提炼出决定击穿场强分散性的电荷注入势垒、试图逃逸频率、载流子迁移率、陷阱能级、陷阱密度和陷阱捕获概率六个电荷输运特征参数.将电荷输运特征参数设置为随机变量,采用电荷输运和分子链位移调制击穿模型仿真了载流子输运与能量积累过程,得到的击穿强度计算结果服从威布尔分布.建立了威布尔特征击穿强度与形状分布参数随不同电荷输运随机变量方差的变化关系:随着方差的增大,特征击穿强度基本稳定在试验值附近,形状分布参数由于击穿数据分散性增大而下降.对比各输运参数方差与威布尔分布的关系,发现威布尔分布对陷阱能级的依赖性较强,对试图逃逸频率和迁移率的依赖性较弱,对注入势垒和陷阱捕获概率的依赖性最弱.研究结果阐释了电荷输运随机变量通过调控载流子输运与能量积累改变击穿威布尔分布特性的作用机理.