Электрический пробой диэлектриков и полупроводников - резкое падение их
электрич. сопротивления при достаточно высоком приложенном к образцу напряжении
(см. также Пробой электрический ).Э. п. отличается от теплового пробоя
тем, что на подготовит. стадии пробоя ни разогрев, ни хим. процессы не имеют
существенного значения, а также малым временем развития пробоя, слабой зависимостью
пробивного напряжения от температуры. Э. п. обусловлен ударной ионизацией атомов
и молекул электронами. Электрон получает возможность ударной ионизации, если
энергия U, передаваемая ему электрич. полем, оказывается больше энергии
U', теряемой электроном при рассеянии на фононах, дефектах и примесях
кристаллич. решётки. При этом электрон может
ускоряться в электрич. поле до энергии, достаточной для ионизации атомов и молекул
электронным ударом и тем самым для развития лавинного процесса.
Теория ударной ионизации
основана на анализе кинетического уравнения Больцмана, решение к-рого
даёт значение величины электрической прочности Епр:
Здесь Е-напряжённость
электрич. поля в направлении oz, e - заряд электрона, pz- проекция его импульса, f(
,q)
- функция распределения электронов по энергии и направлениям импульса (q - угол
между Е и p), jрас, jион,
jвозб, jрек - изменение распределения f за счёт
процессов рассеяния, ионизации, возбуждения и рекомбинации. Левая часть ур-ния
представляет собой изменение функции f при ускорении электронов электрич.
полем. Отсутствие стационарного решения ур-ния соответствует Э. п. Критерием
Э.п. выбраны равенство энергии электронов U1/2, разделяющей
совокупность электронов после акта ионизации на 2 равные половины, и энергии,
соответствующей условию U=U'. При этом концентрация электронов проводимости будет возрастать при небольшом превышении напряжённости поля над значением
Eпр, соответствующим этому критерию.
Зависимости Епр
от температуры Т для кристаллов NaCl, К Вr совпадают с полученными экспериментально.
Эксперимент позволил установить наличие минимума на зависимости напряжения пробоя
Vпр от толщины h кристаллов NaCl при h
1
мкм (что соответствует кривой Пашена для электрич. пробоя газов), а также зависимость
времени t развития пробоя от h, к-рая, как и в газах, состоит из двух
участков; на первом t уменьшается с ростом h, затем резко спадает на
2-3 порядка. На втором участке t растёт при увеличении h. Предполагалось,
что второй участок соответствует т. н. однолавинно-стримерному пробою, а первый
- многолавинно-стримерному пробою, при к-ром время развития пробоя включает
и время "статис-тич. ожидания" попадания неск. лавин в одну область
на аноде, чтобы суммарный объёмный заряд был достаточен для развития стримера.
В дальнейшем оказалось,
что ширина зоны проводимости кристалла (см. Зонная теория)недостаточна
для того, чтобы электрон смог приобрести энергию, необходимую для ударной ионизации
в диэлектриках, обладающих широкой запрещённой зоной. Кроме того, теория
ударной ионизации не даёт представления о самом процессе развития Э. п., а лишь
определяет критерий пробоя и оценивает величину электрич. прочности.
Дальнейшее развитие теории
Э.п. твёрдых диэлектриков и полупроводников основано на представлении о доменной
неустойчивости. В сильных электрич. полях вольт-амперная характеристика (ВАХ)
может иметь S-образную форму, что приведёт к шнурованию тока, или
N-образную форму и это ведёт к образованию доменов сильного электрич.
поля (см. Ганна эффект).
Регистрируя быстропротекающие
процессы с большим разрешением по времени (до 10-9 с) и по координатам
(до 1 мкм), электронно-оптические преобразователи и скоростная фоторегистрация
(включая фотографирование с лазерной подсветкой) позволили наблюдать процесс
образования и развития канала пробоя в диэлектрике, изучать распространение
ударных волн и образование плазмы в канале пробоя. Обнаружено много сходного
в развитии процесса пробоя в газах, жидких и твёрдых диэлектриках.
Э. п. полимеров может быть обусловлен сдавливанием полимерной плёнки (электромеханич. пробой), а также разрывом молекулярных цепей под действием сил электрич. поля на молекулы, приобретающие электрич. заряд в сильном электрич. поле. Последний механизм подтверждается снижением механич. прочности (в 6 и более раз) в электрич. поле с напряжённостью 2.107В/м, существенно меньшей не только электрич. прочности Епp~108 B/м, но и напряжённости возникновения частичных разрядов.
|
|
 |
