Чисто электрический пробой твердых диэлектриков

Обусловлен ударной ионизацией свободными электронами, которые появляются в диэлектрике в сильных пред пробивных полях. Это подтверждается:

1. Аномальной температурной зависимостью проводимости диэлектриков в сильных электрических полях.

2. Наличием дробового эффекта при исследовании зависимости плотности тока от напряженности поля в сильных электрических полях ( броски тока из-за подхода электронных лавин при неизменной напряженности поля).

3. Возникновение центров окраски, при пробое за счет проявления примесных ионов, искусственно введенных в кристалл ( положительные ионы захватывают часть свободных электронов, в процессе пробоя растут центры окраски и соответственно окрашивают ту часть кристалла, куда они были введены).

Современные представления о движении электронов в кристаллах основывается на концепциях квантовой механики. При этом, для электронов, движущихся в периодическом поле кристаллической решетки, под действием внешнего поля, можно выделить 2 типа энергии, которые зависят от величины собственной энергии электронов.

А- энергия, которую получают электроны поде действием внешнего электрического поля;

В- величина энергии, которую электроны отдают решетке, взаимодействуя с периодическим потенциальным полем; В слабо зависит от температуры.

Совмещение зависимостей позволяет выполнить анализ условий возникновения пробоя.

При заданной температуре и напряженности поля, кривые пересекаются при собственной энергии электрона - это равновесная энергия, так как электрон отдает решетке столько энергии, сколько получает от поля.

Такие электроны не тормозятся решеткой и не ускоряются полем. Если энергия электрона меньше , то , т.е электроны тормозятся решеткой. Если энергия электронов больше , то электроны ускоряются электрическим полем и могут стать источником новых лавин.

Распределение электронов по энергиям таково, что чаще всего встречаются электроны с минимальными значениями собственной энергии (см.рис.).

Поэтому количество электронов, которые могут быть источниками лавин весьма невелико ( при малых напряженностях электрического поля лежит справа от ). Вместе с тем, можно указать такую энергию , которая делит площадь распределения энергии пополам. Если выполняется условие , то это означает, что больше половины всех существующих и возникающих электронов, участвуют в образовании лавин. Мощность лавин начинает быстро нарастать, стационарный режим электропроводности нарушается, произойдет пробой. Поэтому условие принято за критерий пробоя- критерий Чуенкова. Использование критерия Чуенкова и рассматриваемых зависимостей позволяет предсказать температурную зависимость Е_ПР при чистом пробое.

Пусть при температуре Т₁ и напряженности поля Е₁ произойдет пробой.

Увеличение температуры приводит к тому, что кривая В идет выше, величина смещается вправо- пробоя не будет. Чтобы произошел пробой нужно сдвинуть к . Это возможно только с увеличением напряженности. Поскольку величина В слабо зависит от температуры, т.е зависимость электрической прочности от температуры будет слабой, как для газов и жидких диэлектриков, то для твердых диэлектриков характерны 2 области на зависимости времени разряда от толщины диэлектрика при чисто электрическом пробое.

Область 1- область многолавинно-стримерного пробоя, область 2- область лавинно-стримерного пробоя. Величина в сотни раз меньше, чем для газов, из-за большей плотности твердых диэлектриков.

Энергетический подход к описанию пробоев твердых диэлектриков

Разрабатывался Томской школой на основе классических представлений и движении электронов. Известно, что сила, действующая на частицу с зарядом q и массой m равна , откуда ускорение .

Если рассматривать столкновение частиц как взаимодействие упругих шариков, то потенциальная энергия =0, а кинетическая . Средняя энергия . Тогда накопленная перед очередным столкновением составляет: . Эта энергия отдается при столкновении и может расходоваться на разрушение химических связей. Если предположить, что пробой наступит, когда эта энергия составит какую-то долю от энергии решетки, т.е при , то , т.е наблюдается квадратичная зависимость электрической прочности от энергии решетки. Экспериментальные данные подтверждают существование такой зависимости.

Важнейшим выводом из данной теории является то, что зависимость между и действительно существует.

Энергетическая теория пробоя твердых диэлектриков Ю.Н.Вершинина.

Предполагает, что первичные электроны появляются вблизи катода в сильных электрических полях в результате термо-, авто-, электронной эмиссии, или образующийся в при электродной области объемный заряд искажает электрическое поле, что приводит к искривлению энергетических зон, и создает возможность для туннельных переходов основных носителей тока. Ускоряясь в электрическом поле, свободные электроны вызывают ударную ионизацию, что приводит к разрыву химических связей между частицами, и возникновение канала в направлении движущихся электронов. Этот канал заполнен ионизированной плазмой. Так как плазма является высоко проводящей средой, то потенциал электрода переносится в межэлектродный промежуток -в голову канала, что приводит к искажению электрического поля и повторению процесса по описанной выше схеме.

Рассматривая термодинамический баланс энергии в диэлектрике, объясняющий возможность возникновения газовой плазмы, Вершинин получил формулу для , которая представляет из себя произведение нескольких коэффициентов: , где - коэффициент, который учитывает форму поля:

- учитывает вероятность пробоя, ,

- учитывает толщину диэлектриков в см и время действия импульса напряжения в мкс.

А₀- удельная энергетическая характеристика, которая определяется, как минимальное значение внутренней энергии единицы объема диэлектрика, необходимой для возникновения канала неполного пробоя, из-за перехода вещества из твердого состояния в состояние частично ионизированной плазмы: , где - плотность диэлектрика в г/см³; М- молекулярный вес в молях; - энергия диссоциации связи в ккал/моль; - число связей с энергией диссоциации , приходящееся на элементарную структурную единицу вещества; -число атомов, обладающих минимальной энергией ионизации .При подсчете А₀ энергии диссоциации связей, учитывается, начиная с минимальной связи и до тех пор, пока . 1,08- коэффициент, учитывающий силы отталкивания в плотной газовой плазме. Величину А₀ можно подсчитать на основе данных, приводимых в справочниках физико-химических свойств веществ. Значение коэффициентов определяется из условий испытаний.

Вершинин выполнил оценочные расчеты для ряда диэлектриков, и получил хорошее соответствие с экспериментальными данными.