CN113406404B - 一种基于半导体器件的电场强度测量方法 - Google Patents

一种基于半导体器件的电场强度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于半导体器件的电场强度测量方法，包括：S1、从已测得击穿场强的多个不同型号的半导体器件中选择两种不同型号的半导体器件，编号Slow、Shigh，对应的击穿场强Dlow、Dhigh；其中，Slow能被待测位置处的场强击穿，Shigh不能被待测位置处的场强击穿；S2、判断Slow与Shigh之间的击穿场强之差是否小于测量允许误差，若小于，则待测位置处的场强为(Dhigh+Dlow)/2；若不小于，则进入步骤S3；S3、从已测得击穿场强的多个不同型号的半导体器件中选择击穿场强为半导体器件Slow与Shigh的击穿场强均值的半导体器件Smid，并放置在待测位置处；S4、判断Smid是否被击穿：若被击穿，则将Smid作为更新的半导体器件Slow并返回步骤S2；若未被击穿，则将Smid作为更新的半导体器件Shigh并返回步骤S2。

Description

一种基于半导体器件的电场强度测量方法
技术领域
本发明涉及电场强度测量方法，尤其是一种基于半导体器件的电场强度测量方法。
背景技术
电场强度是用来表示电场强弱的物理量，在电力领域经常需要对电场强度进行测量，如直流输电线路电场测量，用电设备表面电场测量等等。目前常用的电场测量方法包括光电测量法、参考地法及悬浮导体法。参考地法的主要问题在于对测量速度要求很高，只能对瞬态信号进行测量，测量误差较大。悬浮导体法的主要问题在于将悬浮导体放置在待测电场中时，导体自身感应的电荷产生电场与原待测电场叠加导致电场发生畸变，并且传输媒介也会增大信号畸变，导致测量精度较差。光电测量法利用Pockels电光效应，通过光纤耦合传输光信号，有良好的隔离作用，但是仍然没有解决探头引起的原电场畸变问题。
在实际电场测量中，由于探头尺寸相较于电场场域尺寸无法忽略，探头引起的电场畸变可能十分严重，探头测得的畸变电场强度与未引入探头的实际原电场强度可能存在巨大差异。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种基于半导体器件的电场强度测量方法，以解决现有测量方法会引起电场畸变而导致场强测量精度较低、测量误差较大的问题。
一种基于半导体器件的电场强度测量方法，包括如下步骤：
S1、从已测得击穿场强的多个不同型号的半导体器件中，选择两种不同型号的半导体器件，分别编号为Slow、Shigh，对应的击穿场强分别为Dlow、Dhigh；其中，半导体器件Slow能被待测位置处的场强击穿，半导体器件Shigh不能被待测位置处的场强击穿；
S2、判断半导体器件Slow与半导体器件Shigh之间的击穿场强之差是否小于测量允许误差，若小于，则所述待测位置处的场强为(Dhigh+Dlow)/2；若不小于，则进入步骤S3；
S3、从已测得击穿场强的多个不同型号的半导体器件中，选择击穿场强为半导体器件Slow与半导体器件Shigh的击穿场强均值的半导体器件Smid，并放置在待测位置处；
S4、判断半导体器件Smid是否被击穿：若被击穿，则将半导体器件Smid作为更新的半导体器件Slow并返回步骤S2；若未被击穿，则将半导体器件Smid作为更新的半导体器件Shigh并返回步骤S2。
本发明上述技术方案相对于现有技术而言，其有益效果在于：
1)本发明的方法能够测量的电场强度范围广。因为半导体器件的特征是在一定反向电压下发生击穿导致功能失效，击穿电压与击穿场强间存在一一对应关系，而半导体器件的击穿电压从几伏到数千伏，因此对应的击穿场强范围广，也就使得本发明能够测量的电场强度范围广；
2)半导体器件价格低廉，测量时将半导体器件放置在测量点，不需要价格高昂的传感器及其他设备，因此测量成本较低；
3)半导体器件空间尺寸很小，相对于待测电场的空间尺度而言小至可以忽略，因此半导体器件不会引起电场的畸变，能够准确测得电场强度；
4)本发明方法预先测量一系列半导体器件的击穿场强，进而可以建立半导体器件型号与击穿场强的对应关系，在测量实际电场强度时，仅需通过二分法缩小放置在测量点的半导体器件型号范围，再根据型号查得对应击穿场强即可获得实际电场强度，操作方便。
附图说明
图1是本发明实施例一种基于半导体器件的电场强度测量方法的流程图；
图2是本发明实施例中用来放置半导体器件的绝缘支撑件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例所提出的基于半导体器件的电场强度测量方法流程图，参考图1，该测量方法包括如下步骤S1～S4：
步骤S1、从已测得击穿场强的多个不同型号的半导体器件中，选择两种不同型号的半导体器件，分别编号为Slow、Shigh，对应的击穿场强分别为Dlow、Dhigh；其中，半导体器件Slow能被待测位置处的场强击穿，半导体器件Shigh不能被待测位置处的场强击穿。可以采用如下方法来选择出击穿场强符合上述条件的两个初始的半导体器件Slow、Shigh：
测量装置开始工作后，施加的电压一直保持不变。可以事先从已测得击穿场强的半导体器件中，选择一半导体器件S0来开始进行是否能被待测位置处场强击穿的试验：
将半导体器件S0放置在待测位置处，判断是否被击穿：
若被击穿，则将半导体器件S0作为初始的半导体器件Slow，然后继续选择击穿场强更高的半导体器件进行击穿试验，直至寻找到不被待测位置处场强击穿的半导体器件，作为初始的半导体器件Shigh；
若未被击穿，则将半导体器件S0作为初始的半导体器件Shigh，然后继续选择击穿场强更低的半导体器件进行击穿试验，直至寻找到可被击穿的半导体器件，作为初始的半导体器件Slow。
这样一来，就可以选择出初始的可被待测位置处场强击穿的半导体器件Slow以及不能被击穿的半导体器件Shigh。
步骤S2、判断半导体器件Slow与半导体器件Shigh之间的击穿场强之差是否小于测量允许误差，若小于，则所述待测位置处的场强为(Dhigh+Dlow)/2；若不小于，则进入步骤S3。
所述的测量允许误差是根据具体的场强测量要求来设定的。如果初始选择的两个半导体器件的击穿场强之差(绝对值)小于测量允许误差，则可以直接将初始的两个半导体器件Slow与Shigh的击穿场强均值作为待测位置处的场强。否则，利用二分法缩小范围，继续选择半导体器件，即进入步骤S3。
步骤S3、从已测得击穿场强的多个不同型号的半导体器件中，选择击穿场强为半导体器件Slow与半导体器件Shigh的击穿场强均值的半导体器件Smid，并放置在待测位置处。
步骤S4、判断半导体器件Smid是否被击穿：若被击穿，则将半导体器件Smid作为更新的半导体器件Slow并返回步骤S2；若未被击穿，则将半导体器件Smid作为更新的半导体器件Shigh并返回步骤S2。
通过采用上述方法，可以测量电场中任意位置处任意方向的场强大小。利用该方法，分别测量某点处的三维坐标系的三个方向的场强大小，可以合成该点的三维场强。具体而言，按照步骤S1～S4的方法分别测量待测位置处的x轴、y轴和z轴方向的场强，并利用三个方向的场强计算待测位置处的三维场强。比如，为了获得待测点的三维场强，可以以待测点为原点建立三轴坐标系，分别按照步骤S1～S4的方法测量三个方向的场强，对三个方向的场强进行三维合成得到待测点的电场强度。待测位置处的三维场强E＝(Ex 2+Ey 2+Ez 2)0.5，其中，Ex、Ey、Ez分别为待测位置处的x轴、y轴和z轴方向的场强大小。按照步骤S1～S4的方法分别测量待测位置处的x轴、y轴和z轴方向的场强时，在待测位置处放置一绝缘支撑件，如图2所示，该绝缘支撑件包含三个相互垂直的、分别沿三轴坐标系的x轴、y轴和z轴方向延伸的放置台，在执行步骤S1～S4以测量待测位置处的x轴方向场强大小时，半导体器件放置在x轴方向的放置台上；在执行步骤S1～S4以测量待测位置处的y轴方向场强大小时，半导体器件放置在y轴方向的放置台上；在执行步骤S1～S4以测量待测位置处的z轴方向场强大小时，半导体器件放置在z轴方向的放置台上。该方法可以测量任意位置电场强度，不需要对电场方向预先判断。通过设置一个三通道互相垂直的半导体器件绝缘支架，可以测量任意位置的三方向电场强度，然后三维合成得到该位置的实际电场强度。
在一些实施例中，该测量方法还包括预先测量多个不同型号的半导体器件的击穿场强的步骤S01和S02：
S01、将某一型号的半导体器件轴向沿电场方向放置在一匀强电场中，并测量该型号的半导体器件的击穿场强。
S02、重复步骤S01测得多个不同型号的半导体器件的击穿场强。
其中，匀强电场可通过如下方式构建：
利用有限元分析软件建立平行板电容器三维仿真模型，并对该三维仿真模型一侧极板施加激励电压U、另一侧极板接地，进行仿真计算；仿真计算得到该三维仿真模型两极板之间空间某点的场强E1，并定义该点的偏差系数为k，k＝|(E1-E0)/E0|，其中E0＝U/H是匀强电场的理论场强，H是该三维仿真模型两极板之间的距离；定义偏差系数k≤1％的场域为匀强电场区域。
制作与上述的平行板电容器三维仿真模型完全一样的真实平行板电容器。
测量某一型号的半导体器件的击穿场强的步骤如下：
1)查阅该型号的半导体器件的数据手册，以获知该型号的半导体器件击穿场强的大致范围；
2)定义两种场强Emin及Emax，并根据所述击穿场强范围给两种场强赋初值，赋值的依据：该型号的半导体器件在Emin下不击穿、在Emax下击穿；
3)将该型号的半导体器件放置在所述真实平行板电容器的两极板之间，尤其放置在两极板之间的中心区域，因为中心区域电场均匀性会更好；
4)给所述真实平行板电容器的两极板间施加电压使得匀强电场强度为Emid＝(Emin+Emax)/2，判断该型号的半导体器件是否被击穿：若未击穿则更新Emin的值为Emid，而Emax的值不变；若击穿则更新Emax的值为Emid，而Emin的值不变；
5)不断更新Emax或Emin的值，直至Emax与Emin相等，该型号的半导体器件临界击穿，此时的Emid即为该型号的半导体器件的击穿场强。
该方法建立了一个较为理想的匀强电场区域，并设置了支架用于放置半导体器件，支架采用绝缘材料不会影响电场分布，通过二分法能够准确获得半导体器件的击穿场强。
总之，本发明实施例的测量方法，采用尺寸非常小的半导体器件作为手段，来测量电场强度，一方面半导体器件的尺寸足够小而不会引起电场畸变，保证了测量的电场强度是未发生畸变的，为准确测量提供了前提；在此基础上，由于击穿电压与击穿场强间存在一一对应关系，在测量实际电场强度时，仅需通过二分法缩小放置在测量点的半导体器件型号范围，再根据型号查得对应击穿场强即可获得实际电场强度，操作方便。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、从已测得击穿场强的多个不同型号的半导体器件中，选择两种不同型号的半导体器件，分别编号为Slow、Shigh，对应的击穿场强分别为Dlow、Dhigh；其中，半导体器件Slow能被待测位置处的场强击穿，半导体器件Shigh不能被待测位置处的场强击穿；
S2、判断半导体器件Slow与半导体器件Shigh之间的击穿场强之差是否小于测量允许误差，若小于，则所述待测位置处的场强为(Dhigh+Dlow)/2；若不小于，则进入步骤S3；
S3、从已测得击穿场强的多个不同型号的半导体器件中，选择击穿场强为半导体器件Slow与半导体器件Shigh的击穿场强均值的半导体器件Smid，并放置在待测位置处；
S4、判断半导体器件Smid是否被击穿：若被击穿，则将半导体器件Smid作为更新的半导体器件Slow并返回步骤S2；若未被击穿，则将半导体器件Smid作为更新的半导体器件Shigh并返回步骤S2。
2.如权利要求1所述的基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，在整个测量过程中均是采用一绝缘支撑件将半导体器件放置在电场中。
3.如权利要求1所述的基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，还包括：按照步骤S1～S4的方法分别测量待测位置处的x轴、y轴和z轴方向的场强，并利用三个方向的场强计算待测位置处的三维场强。
4.如权利要求3所述的基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，待测位置处的三维场强E＝(Ex 2+Ey 2+Ez 2)0.5，其中，Ex、Ey、Ez分别为待测位置处的x轴、y轴和z轴方向的场强大小。
5.如权利要求3所述的基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，按照步骤S1～S4的方法分别测量待测位置处的x轴、y轴和z轴方向的场强时，在待测位置处放置一绝缘支撑件，该绝缘支撑件包含三个相互垂直的、分别沿三轴坐标系的x轴、y轴和z轴方向延伸的放置台；
在执行步骤S1～S4以测量待测位置处的x轴方向场强大小时，半导体器件放置在x轴方向的放置台上；
在执行步骤S1～S4以测量待测位置处的y轴方向场强大小时，半导体器件放置在y轴方向的放置台上；
在执行步骤S1～S4以测量待测位置处的z轴方向场强大小时，半导体器件放置在z轴方向的放置台上。
6.如权利要求1所述的基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
从已测得击穿场强的半导体器件中，选择一半导体器件S0来开始进行是否能被待测位置处场强击穿的试验：
将半导体器件S0放置在待测位置处，判断是否被击穿：
若被击穿，则用半导体器件S0作为半导体器件Slow，然后继续选择击穿场强更高的半导体器件进行击穿试验，直至寻找到不被待测位置处场强击穿的半导体器件，作为初始的半导体器件Shigh；
若未被击穿，则用半导体器件S0作为半导体器件Shigh，然后继续选择击穿场强更低的半导体器件进行击穿试验，直至寻找到能被待测位置处场强击穿的半导体器件，作为半导体器件Slow。
7.如权利要求1所述的基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括测量多个不同型号的半导体器件的击穿场强的步骤：
S01、将某一型号的半导体器件轴向沿电场方向放置在一匀强电场中，并测量该型号的半导体器件的击穿场强；
S02、重复步骤S01测得多个不同型号的半导体器件的击穿场强。
8.如权利要求7所述的基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，步骤S01中的匀强电场通过如下方式构建：
利用有限元分析软件建立平行板电容器三维仿真模型，并对该三维仿真模型一侧极板施加激励电压U、另一侧极板接地，进行仿真计算；
仿真计算得到该三维仿真模型两极板之间空间某点的场强E1，并定义该点的偏差系数为k，k＝|(E1-E0)/E0|，其中E0＝U/H是匀强电场的理论场强，H是该三维仿真模型两极板之间的距离；
定义偏差系数k≤1％的场域为匀强电场区域。
9.如权利要求8所述的基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，步骤S01中测量某一型号的半导体器件的击穿场强的步骤如下：
1)查阅该型号的半导体器件的数据手册，以获知该型号的半导体器件的击穿场强范围；
2)定义两种场强Emin及Emax，并根据所述击穿场强范围给两种场强赋初值，其中，该型号的半导体器件在Emin下不击穿、在Emax下击穿；
3)将该型号的半导体器件放置在与所述平行板电容器三维仿真模型完全相同的真实平行板电容器的两极板之间；
4)给所述真实平行板电容器的两极板间施加电压使得匀强电场强度为Emid＝(Emin+Emax)/2，判断该型号的半导体器件是否被击穿：若未击穿则更新Emin的值为Emid，而Emax的值不变；若击穿则更新Emax的值为Emid，而Emin的值不变；
5)不断更新Emax或Emin的值，直至Emax与Emin相等，该型号的半导体器件临界击穿，此时的Emid即为该型号的半导体器件的击穿场强。
10.如权利要求9所述的基于半导体器件的电场强度测量方法，其特征在于，步骤3)中，将该型号的半导体器件放置在匀强电场的中心区域。
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