1.4. Транспорт носителей заряда в диэлектриках

Известно, что диэлектрики (изоляторы) — это вещества, в которых практически отсутствуют свободные носители зарядов. Термин «диэлектрик» происходит от греческого слова dia — через, сквозь и английского слова electric — электрический. Этот термин впервые ввел М. Фарадей в 1838 г. для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле. Как известно, резкой границы между проводниками и диэлектриками нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток. Но если в веществе свободных зарядов в 10¹⁵-10²⁰ раз меньше, чем в металлах, то в таких случаях слабой проводимостью вещества можно пренебречь и считать его идеальным диэлектриком. Почти все заряженные частицы внутри диэлектрика связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела. Они могут только незначительно смещаться относительно своих равновесных положений.

Согласно зонной структуре твердых тел, для диэлектрика характерно наличие полностью заполненной валентной зоны, отделенной от пустой зоны проводимости энергетическим промежутком в несколько электрон-вольт (запрещенной зоной). Ни в заполненной, ни в пустой зоне не может быть проводимости, если в диэлектрик не внести дополнительных носителей. Носители можно либо генерировать внутри диэлектрика (процессы, ограниченные объемом), либо инжектировать в него из металлического электрода (процессы, ограниченные инжекцией). Различные процессы, определяющие прохождение тока сквозь помещенный между двумя электродами диэлектрик (такая структура называется туннельным переходом), механически показаны на рисунке 1.2(А)[2].

1. Простейший механизм – это непосредственное квантомеханическое туннелирование электронов из одного электрода в другой (а).

   Рисунок. 1.2. Энергетические диаграммы: А – идеальный трапецеидальный барьер в системе металл(1) - диэлектрик – металл(2) при положительном смещении V электрода 1 относительно электрода 2; Б – асимметричный трапецеидальный барьер в условиях умеренного и большого напряжения смещения; В – произвольный потенциальный барьер с учётом сил изображения.

2. Носители можно инжектировать в зону проводимости (или валентную зону) диэлектрика посредством термоэлектронной эмиссии Шоттки, через потенциальный барьер на границе раздела диэлектрик – металл (б).

3. Носители могут туннелировать сквозь потенциальный барьер в диэлектрике (в) под действием сильного электрического поля (автоэлектронная или холодная эмиссия).

Процессы 2 и 3 аналогичны соответствующим процессам при эмиссии электронов из металла в вакуум.

4. Перенос носителей в зоне проводимости видоизменяется в зависимости от процессов рассеяния (г). Решеточное рассеяние, по-видимому, сказывается слабо, так как толщина диэлектрика мала.

5. С другой стороны, концентрация ловушек в атмосферных пленках должна быть высокой, в связи с чем процессы захвата носителей на ловушки (д) должны заметным образом влиять на электропроводность трехслойной.

6. При наличии ловушек возможно также туннелирование через ловушки (е).

7. То же самое относится к прыжковой проводимости по ловушкам (ж).

Если же концентрация ловушек мала, а контакты омические (т. е. уровень Ферми в контактном материале очень близко подходит к зоне проводимости диэлектрика, так что обеспечено неограниченное введение электронов проводимости), то прохождение тока должно зависеть главным образом от пространственного заряда.

При определенных упрощающих предположениях перечисленные механизмы поддаются количественному описанию. Однако анализ экспериментальных данных весьма сложен, потому что и – высоты барьеров на поверхностях раздела металл – диэлектрик; ψ – работа выхода из металла; ξ – уровень Ферми. Электроны переходят из второго электрода в первый под действием одного или нескольких из семи описанных ранее механизмов (а) – (ж); – обратный ток из первого электрода во второй.

Во многих случаях одновременно действует ряд механизмов[17].