絶縁物中の過度空間電荷制限伝導のシュミレーション
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(2) . 北海道教育大学紀要(第2部A)第3 0巻 第1号. 昭和54年9月 Sep t 9 embe r ,197. fHokka lo idoUn ive i fEduca i Sec i l t Jou t t na r r s IA)Vo on( onl yo ,30 ,I ,No. 絶縁物中 の過渡空間電荷制 限伝導のシュ ミ レー シ ョ ン. 中. 村. 岩. 美. 北海道教育大学岩見沢分校電気工学研究室. ion of1rausient Space Charge Lirnited Currentin lnsulator Simulat lwami NAKAMURA E1 ica IEng ineer ing Labo l l ido Un iver i ion ect r tyofEduca t r at ory zawa Co ege s ,lwami ,Hokka , lwa n n ー zawa068. Abstract. Up to the present,itis known thatthere are two methods forinves iga ing a numerical t t h h i i l f M f h l i i d i t T dZahnby t t r anal s s s a c ec a r e C u r e n e n ome n a n n s u a o r s o p eo eo m e n any a r g p y ー ,. ’ l ingpar ia l l i f f ia lequations andthe otheri t t so v eren sthe authors using simulation methodby yd. l i l i l l ingresul tsaboutt hee t mode s ect r c currentand othersin ereported byth s methodca cu a . 汎r i i i j thcond t lers somecases,f orinstance,inthecaseofchargein ect on wi ons ,inthe Casethatcarr. l l iers wi ighbourhood o f a col th mo accumu atein a ne ector ‐ n the case thatthere are carr ,andi. . lkinds b i i i 1 t esofp ura . imp i f l i imu l i Since wes l ied and ame thod by the same models, we can t oratedthe s a on me i in mor ts mo lythan bef reeas ore obta eaccurateresul . 工nthe present paper westatethe wayto l l ts when D tagei ca cul ate currentsand resul sadded ,C.vo ,. 巷1. 緒. 言. 4 1 2 3 }及 びZahn 氏ら( )の偏微 ・ ’ 絶縁物中の過渡電気伝導現象を数値的に解析する方法は Many 氏ら{ 5 6 ) ( 分方程式を解く方法と著者ら ’ の考案したモ デルによるシュ ミレーショ ン法が報告さ れている,. Many 氏らは直流ステッ プ電圧, Zahn 氏らは交流電圧を印加した場合の電流波形, 電位, 電界, 電 荷密度等々 の経時変化を計算した. しかし, これらの偏微分方程式による方法は高度の数学的テク ニッ クが必要であり, 一般に困難な部分 もある, 特に試料の導電率または異なる移動度を有する複. 数のキャリア等を考慮に入れた場合, それはもはや不可能に近く, 汎用性に欠けている. 著者らはこれまでにも種々の条件 (電荷注入に条件がある場合, 集電極近傍に電荷が蓄積する場 5 1 1 ~ }を報告してきたが 今回同一モデルを更 合, 二種類の移動度を有する場合) における計算結果( , に簡単化した手法によっ てより正確な計算ができるようになったの で直流ステッ プ電圧印加時の計 算法及びその結果をここに報告する, (73 ).
(3) . 中 村 岩 美. 登2 過渡現象の簡易モデル 〈2, 1〉 一般式の導出. 単位体積当りのキャリアの数をm, 電界による駆動速度をV, 電極間距離をd, 電界をE, 印加 電圧をV, 電流密度をiとすれば, 絶縁物中に既存のキャリア(添字‘で表わす)と注入された電荷 (添字ばで表わす)が共存するとき, 平行平板電極間の絶縁物空間へのエネルギー入力を考えれば,. 結局jとして次式を得る. ただしqはキャリアの電荷量である.. i‐ 桝 /( x q獅 汁 咽 めEd. (1). i) mf < m‘のとき, すなわち注入電荷が極く僅かの間は Eとv 乙が×に拘らず-定とすれば mz +; キ し (1) よ り と て mトキm‘ ; + ”ト 山 , ”‘. i-勾M須苦 )叩←ぬ ( 音 ) } t. (2). こ こ で M乙は t = 0 に お け る m‘の値 である.. i i) mf > m‘のとき, 簡単のために mぎ ぎおよ びEがxに無関係に一 定とし,(1)の第2項を無視 ,v. すれば, てをキャリアが電極間を移動する時間とするとき 0 < t ≦ てで、は t > てでは. i『ぎd(勘t. (3). 一皿一昔 ). ( ,4). ただし r:d2/”V. i i i) mf》m乙のとき, その極限として空間電荷制 限伝導となる. この場合に対しては Many 氏が一般. 的に取り扱いみごとな解析結果を与えている. しかし, その結果を実際に数値計算するとき相当困 難な領域がある. そこ で, 筆者らは次のようなモデルを考え, 過渡空間電荷制限伝導現象の数値計 算を行っ た.. いま, 注入電極, 対向電極とも誘電体とオ÷ム接触 で接しており, 注入電極近傍の電界が常に● 0 になるよう電荷を連続的に注入できる, そのため注入電極側には充分大きな電荷の蓄積 があり, 電. 圧は電極間の誘電体にのみ加わるとする. そのうえで, 更に絶縁物中の注入電極近傍の電界がある 値 Eoになれば,その電界に比例 した密度の面電荷が層状に注入されるとする.(Eo→0のとき空間電. 荷制 限伝導となる) この面電荷 び ,(=aEo .が , aは定数) は外部 電界に比例す る速さで駆動され, ロ ある距離移動したところ で絶縁物中の注入電極近傍の電界が Eoになれば第2の電荷層 び ,とす 2(=〃. る) が注入される. 以下これを繰り返して層状電荷が非連続的に注入されて移動する結果, 外部回 路に電流が誘起することになる.び .=o 2=aEoの比例定数a が誘電体の誘電率に等しいとき最大の電. 流となる. 電荷は更に拡散によっ ても移動するが, いまはこれを無視し,Eo=Eα / n(EQは印加 電界) になっ たとき電荷注入が起るとする. このようにして注入された電荷層 が第1図のようにn層あるとし, それぞれの電荷層の面電荷密. 度をび , 2 ,o , …, の, …, の,(添 字 の 番 号 は 注 入さ れ た 順 番. ま た, こ れ を 電 荷 層 の名 称 と して も つ か う) そ れ ぞれ の 注 入 電 極 か ら の 距 離 を ×, , , x2 , … …, xf , … …, xれ , 電 極 と 電 荷層 及 び電 荷 層 と 電 荷 層 と の 間 の 電 界 (内 部 電 界) を B, , E2 , … …, E! , … …, E“” と す る と (74 ).
(4) . . 絶縁物中の過渡空間電荷制 限伝導のシュミレーション. Xn. , ,. 注入電極. En十 ,. Eハ ,. ,. Xn. X n F. = , -. 第1図. ,. 噺‐ ,. ---------- E『ー-----. 附. EI. gn. 鮒. . E2. 注入電極. ー n十. 集電極. 集電極. 層状電荷によるモ デル図. 第2図. 駆動電界を求 めるモ デル図. EI-E2=の 左 E2」日3= の 左 … … Ef-Ef 十.=の/e … … Eね-Bれ十 .=ひ れな. (5). E1 d-〆. ( ( )十E2 )十E x2-x + … +Eぜ xl-x2 (ルー .-× + … +E“+ 1.xれ= V. (6). となる, (5) , (6) 式より E,を求めれば )なd EユニV/d十(ぴ 2x2+ … +ぴね.x“ lxl十ぴ =E。十 . びmxmだd. (′ .E“= V/d). (7). 故に E2以下は (5) 式より /e=E“+ ー dmxm/ E2;E 「 び, Ed-び 6 ,/ E3=E2- の 左 =Eq十 刃. 物x可どd-(び ,十ぴ 2)/6. (8). ed-(の十び2+ … +dル,ye /e=l dmx粥/ E“+ ,=E 一α“十1 =1 m. と な る.. また, 各電荷層の駆動電界は, 電荷層が存在する位置のその電荷層がないと考えた場合の電界と. し, そ れ ぞれ を Eo .を 求 め る と き の 電 荷 分 布 状 態 は 第 2 図 の よ う に , , Eの, … …, Eのzと す る と Eo. なる, 電界 E, ,を求めると , E2等を求めたときと同じ手順を繰り返して Eo Eび ) /ed 1=E。十(α 2X2+ … … +び”×。. (9). =E,-〃 .×,/ed (75 ).
(5) . 中 村 岩 美 同 様 に Eの 以 下 を求 め る と. I a. Eび 2=E2- のX2/ed Ed 3; E3- α 3x3た d. ,. . . ↑ (10). 第3図. →. Edれ=Eカーび“×”/ed. 印加 電圧 の立上りに. 対する電界変化. となる. 一方, 電圧投入時には t =0十において印加電圧は0からVまで変化する. すなわち注入電 極面近傍の電界が0から E。= V/d ま で変化する.そこ で第3図のように印加電圧に極めて微少な立 f ( t )を次のように決める, 上り時間 △tがあるとする. このとき平均電界を E・ ( t )で変化するとし,f. 駁. t )=t △ / とき 漉 室 〆¥. ・ ・ ) } (. f t ( )=Eα / n=Eoとなり,第1層目の電荷層 が注入される.次に t = そ う す れ ば, t =△t/n の と き E・. f 2△t/n の と き E・ t ( );2E。 /n=2Eoとなり,第2層目 が注入される.同様な手順で次々と電荷層が注入 f t ( )=nE。/ n=nBoとなり, 第n層目が注入され, 印加 電圧の立上りが終 さ れ, t =n△t/n の と き E・. る,すなわち t =0十では面電荷密度 ぴ=eEoの電荷層がn層注入される.そして各電荷層の初速度を. v. , … …, v“と す る と 次 の よ う に な る. , v2 V,ニメ Eα. v2=”(EQ一Eo). . 2 (1 ). . )EO! =”Eo n-1 v“=” {E“-(. 次 に △t < tのときは, 先に述べたように注入電極面の電界が Boになっ たときn十1層目が注入. され, 以下順次これを繰り返す。. 〈2. 2〉 シ ュ ミ レ ー シ ョ ン 式 の 導 出. ある時間t=t .における 各電荷層の位置, 電界, 駆動電界を第1図及 び第2図の各記号にカッコ付 t t t ) ) ( )等々) を付け, それから △t時間後の各々 の値にカッ コ付き添字 ( )(x き添字 ( , . f , . , Eo , B傘. t )等々) を 付 け る と t ) ( t ) ( (t .十△t .十△t .十△t .十△t) (xご , Ef , Eの( t t )=×ぎ ( t )+ 十”Eの( ) ( ,△t Xf l l十△t l. &(t )-B( )+ 歯 薯 △ 馴 . t ,十△t , ,. (13). E o為 △×. Eの( t )=E式t )- 為( +△t ) .EO/d l十△t l十△t. (14) (15). となり,△t時間における電荷層の移動距離及 び電界変化分を△x f ,△E とすると各々の式は次式のよ うになる. △xf=”Eび ( t ).△t f l. ) (1 6. △E‐ 部 葛△×. 7 ) (1. (76 ).
(6) . 絶縁物中の過度空間電荷制限伝導のシュ ミレーション. ( t )ニ ル( t xf )+△xf l十△t l. 8) (1. E命,十△t )=Eぎ )+△E ( t ,. (1 9 ). 外部回路に誘起される電流は変位電流成分のみと仮定し, その電流密 度をiとすると i=e dE/dt. となる. なお, 電圧印加時 (または短絡時) に伴う幾何学的静電容量を充 (または放) 電する電流 分は無視した.. S3 計算結果及び考察 0〔V〕 計 算 に おけ る 条 件 は,印加 電 圧 V=100 ,0〔cm〕 ,OX , 移 動 度 ”=1 , 電 極 間 距 離 d;1. 3〔F/ 4〔cm2/Vs〕 誘 電 率 e=2 OXI0‐1 プ I0‐ cm〕 . , , n =25 と した, 第 4 図 は 直 流 ス テ ッ 電 圧 を 印加. 1 1〔A/ 0- 〕 した時の電流波形である. 同図によれば電流初期値i cm2 o=1 .05×1 , 電流極大値 虚=2,. 1 1〔A/cm2〕 極 大 発 生 時 間t =7 92〔sec〕 と な っ 1〔A/cm2〕 定常 電 流 値 jm=2 25×10而 72×10-1 m . , , , た,これらの値を Many 氏の結果と比較するために J =eにV2/d3=2.OXI0‐11〔A/cm2〕,て=d2/”v=. 1 0〔 0. c〕 で諸量を規格化すると表1のようになる. 両者には 多少の差はあるが, ほぼ一 致してい s e ると言っ て良い であろう,. 第5図は本方法における計算 でnを変化させたときのi吻im mの値の収束状況を示したもの で あ る,nが小さいときは Many 氏の結果とかなりの誤差を生じているが,nを大きく していけ ばよい 表1 諸量の規格値 本研究の. Manyの. J o. 0.525. 0,50. Jm. 1,360. 1.359. tm. 0.787. 0、787. J㈲. 1.126. 1,125. 諸 量. 結. 果. 結 果. ( 筈 ど ぶb r る 8 「. \ \. E 「. \\ 返 0 t(締 ) 第4 図. 5. 第5図. 直流ステ ッ プ電圧 印加 時の電 流波形 (77 ). 10. -- -- ---ー‐ a. ‐ (A/cm ). 78. Sec). ( u. の . (A/ ox 1 lが1 ) cm2 .. 1誉. 20. 25,の. n に 対 する 」 ,i, , tmの収束状況. 燃 E -.
(7) . 中. 村. 岩. 美. 2 ( 塾 Q o の b も十. ( EO ) × 舞 搬 S. 繋榔泡 翠. 貴 雄 祷< 増. 0. 注入電極からの距離 X( Cm). t;. 0. 15 t( Sec). 15. 時間 t ) ( Sec. 第7図 注入電荷層の移動状態. 第6図 空間電荷密度の発達状態. 時間. 10. 5. 20. sec. 注入電強力あ の距離. X( Cm). 第9図 電位の経時変化. 第8図 注入電荷層の速度変化. 一致を見ることができる. 第6図は空間電荷の発達 状況を示したもの である, 電荷は最初注入電極 側に集中しているのがクーロン力によって反発し, 除々に集電極に向かっ て分散している. また電 流に極大が発生する時間と波頭の 電荷層 が集電極に到 達する時間が一致しているのがわかる. 図中 2〔 〕 以後はこの破線のような分布となる. s ec の 点線は定常状態を示しており, t =7,9. 第7図は各電荷層の移動状態を示したもの である.太線で囲まれた部分がt=0十で注入された電 荷層 であり, 電流極大値に寄与している. また, その後に注入される電荷層よりも短かい時間で柴. 電極に到達 している, t=0十以後に注入された電荷層は定常電流値に寄与しており, 各電荷層の移 動曲線は時間の経過とともにし だいに平行に 分布するようになる.(曲線の番号は注入される順番を. 示したもので1は波頭を意味する) 同様に第8図を各電荷層の速度と時間の関係を示したものであ る. t=0十で注入された電荷層は, それぞれ印加 電圧の立上りにより特性づけられた初速 度をもっ sec〕 ,=”E。=0.1〔cm/ て 注 入 さ れ て い る. (同 図 の 場 合 は n = 5 で計 算 し て あ り, (7) 式 よ り ▽ , ) 8 (7.
(8) . 絶縁物中の過渡空間電荷制限伝導のシュミレーション. v2=”(E“-Eo) =0.08〔cm/ sec〕 ec〕 と な っ て い る) ま た t = 0十で , ……, v5=”Eo=0,02〔cm/s. 注入された電荷層の加速度は, 前面に空間電荷がないため時間とともに増加する, やがて, 電荷の 波頭が集電極に到達し, 消滅する時間には, 空間電荷が全電極間に 分布するようになる. そのため. 各電荷層の加速度は空間電荷効果により一定となり, 速度の曲線も直線となる,(曲線の番号は注入 される順番を示す) 第9図は電位の経時変化を示したものである. 破線で示したのがt = 0十の とき の 分 布 であ る. 電. 位は時間の経過とともに空間電荷によるふくらみを生じ, そのふく らみは集電極に向かっ て進んで. いく. また電流に極大が発生する時間に集電極近傍の電位傾度も極大を示している. 以上により, 本方法による計算結果は空間電荷の発達状況, 電荷の移動状態と時間との関係にお いて Many 氏の結果及 び理想的絶縁物において予想される現象とよい一致をみることができた。 そ 1 2 } 矩形波パルス列電圧印加時 (単極 して, 本方法はさらに異なる移動度を有する複数のキャリア( , 1 2 1 1 { ) { } 性 , 両極性 ) 等々種々の条件における計算にも拡張できることがわかっ ている.. 登4. 謝. 辞. 本研究は昭和5 3年度国内留 学 で岩手大学工学部電気科電力工学講座に行っ たときに行なっ たも. ので, 佐藤淳教授に御指導いただいたことを記し, ここに厚く御礼申し上げる またコンピュ ータ , のソフトウェアの手ほ どきをしてく れた久保田賢二助手に感謝する .. 登5. 文. 献. l 1 ( ) Many ,Rev .126 ,Vo , 他:Phys ,ppl980 ,1962 l ( 962 2 ) Many ,Rev .126 , 他:Phys ,Vo ,ppl989 ,1 i。non E1 ll 1 i 1 t ( 3 ) Zahn EEB TransaC亡 ectdca nsu a on r ・E1一11 .4 ,VO ,NO ,Decembe ,1976 i i l工nsu l i l 2 i l ( 4 t ) Zahn:IEBE Transact on。n E1 ect r ca a on .EE-1 ,4 ,Vo ,No ,Apr ,1977 ( 5 ) 佐藤, 兼平;昭48年電気関係学会東北支部大, I C -10. ( 6 ) ( ) 7 ) ( 8 ( 9 ) o q ) 側 0の. 中村, 他:昭53年電気四学会北海道支部大, 1 09 佐藤:昭48年電気四学会全国大会, 8 0 佐藤, 他:絶縁材料シンポ, エー1 0 , 昭和48年9月 佐藤, 他:絶縁材料研究会資料,IM-7 4一28 9年5月 , 昭和4 佐藤, 類家:放電研究会資料, ED-7 8一5 4 3年6月 , 昭和5 中村, 他:昭53年電気関係学会東北支部大, 2E -14 佐藤, 他:昭54年電気四学会全国大会. ) 9 (7.
(9) . 中 村 岩 美. 附. 録. 本シュミレーショ ンで使用したプログラムのフローチャートを示す. 本文とプロ グラムで使用した記号の対応は 次の通りである. SIGDX, Eの一 AE( 1 B E0 ) U,△ t一DT V→ V, d一 D,e‐)BP , 鱗)一DE, ,”=A 4 , n一K,AMP一 i, o一 , 宝△xm. 1 1 1 ) ) ) 餌,一DX( ,一X( , B,一E( ,x. C TRANSIBNT SPACB CHARGE LIMITED CURRENT 10 1 00 DIMBNS工ON X( 1 0 ) 100 00 ) ) ) ( , AE( ,DX( ,E V,D,EP,AMU,DT,N,K V,D,EP,AMX,DT,N,K LABEL,T, AM[P,K DOIOI = 1 ,K. O IO X(1)=0 . FN = N. D※FN) EO = V/( KK = K 十 I KK Dolll=1 , AI=工. 1 0 E( )※EO )=V/D-(AI-1 ,. II CONTINUE O AM[ P=0 . T=0 O .. O SIGDX =0 , DO12工=1 ,K. 1 1 AE 1 )※EO )=E( )-×( (. 工 DXO)=AMU※AE( )※DT 1) SIGDX=SIGDX十DX( 12 CONTINUE DE=EO※SIGDX DO131=1 ,K. 1 1 E( )= E( )十DE 1 1 1 X( ) )=×( )十DX( (80 ).
(10) . 絶縁物中の過度空間電荷制限伝導のシ ュミレーション. 13 CONTINUB E(K十1)=E(K十1)十DE T=T十DT AMP=EP※DE/DT 5. K 十 1)- E. 4. 4 X(K十 1)=0 O .. E(K十2 )=E(K十1)-EO K=K十1. 5 1Y;O DO 14 1=1 ,K 14. ×( 1)-10. 6. 14 CONT工NUE 8. 工Y R U. 7. 7 DO15工=工Y,K. 工YY=エーIY十 I. B( 1 IY)=E( 工十1) XOIY)=×( 1+1) 15 CONTINUE 31 GO TO I 31. T, AMP ,K T -65 0 .. 31. ) (81. 9. 9. sTOP.
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