2798

Ионная проводимость в твердых диэлектриках, в отличие от электронной, связана с переносом вещества. В процессе длительной эксплуатации при воздействии постоянного электрического поля возможно изменение химического состава, следствием которого может быть постепенная деградация диэлектрика и его разрушение. Это может происходить в структуре диэлектрических пленок, применяемых в производстве интегральных схем.

При рассмотрении ионной электропроводности твердых диэлектриков мы имеем в виду объемную электропроводность, которая при постоянной температуре практически не зависит от внешних атмосферных условий.

Поверхностная электропроводность γδ твердых диэлектриков зависит от дефектов поверхности диэлектрика, наличие влаги и загрязнений.

Вода обладает значительной электропроводностью, поэтому наличие ее на поверхности диэлектрика приводит к заметному снижению удельного сопротивления ρs.

Вода является полярным веществом, поэтому адсорбция влаги на поверхности зависит от полярности материала. Для неполярных материалов: полистирола, полиэтилена, политетрафторэтилена, угол смачивания которых больше 90о (гидрофобные материалы), наличие высокой относительной влажности не приводит к снижению удельного поверхностного сопротивления ρs. В полярных материалах и в материалах, частично растворимых в воде (гидрофильных) наблюдается снижение удельного поверхностного сопротивления от влаги. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к снижению поверхностного сопротивления. Высокой поверхностной проводимостью обладают пористые материалы (керамика, волокнистые материалы на основе целлюлозы), так как процесс проникновения влаги в поры стимулирует образование проводимой пленки на поверхности диэлектрика. Для защиты таких материалов от действия влаги их покрывают

22

пленками, например кремнеорганическими лаками.

1.3. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, рассеиваемую в диэлектрике, находящегося в электрическом поле. Эта электрическая мощность идет на нагрев материала. Потери энергии при постоянном напряжении обусловлены протеканием сквозного тока, величина которого зависит от значения объемного и поверхностного удельных сопротивлений. В переменном поле на величину потерь, кроме сквозного тока, влияет активная составляющая абсорбционного тока, вызванного различными поляризационными процессами.

Для характеристики способности диэлектрического материала рассеивать электрическую мощность служит тангенс угла диэлектрических потерь tgδ. Определение tgδ следует из векторной диаграммы между током и напряжением на примере параллельной эквивалентной схемы включения идеального конденсатора Ср с активным сопротивлением потерь

R (рис.1.7).

Рис.1.7. Параллельная эквивалентная схема диэлектрика с потерями и векторная диаграмма между током и напряжением.

Углом диэлектрических потерь δ называют угол, до-

23

полняющий до 90о угол сдвига фаз θ между током J и напряжением U в емкостной цепи, а tgδ = Ра/Рр. Независимо от эквивалентной схемы включения (параллельной или последовательной) активная рассеиваемая мощность в диэлектрике определяется из выражения

где ω – угловая частота; Ср емкость диэлектрика U – напряжение.

Практическое значение tgδ, как параметра диэлектрика в том, что он определяет потери мощности в диэлектрике.

На переменном токе на величину диэлектрических потерь будет влиять и значение диэлектрической проницаемости. Это видно из выражения для удельных диэлектрических потерь ρ = Ра/V, где V – объем диэлектрика между электродами конденсатора. Подставив в выражение 1.12 значение емкости конденсатора С из (1.2), получим

где Е = U/h – напряженность электрического поля, В/м. Произведение εtgδ называют коэффициентом диэлек-

трических потерь. Из выражения (1.13) видно, что на определенной частоте удельные диэлектрические потери пропорциональны коэффициенту диэлектрических потерь.

В диэлектрических материалах в зависимости от структуры могут проявляться четыре основных вида диэлектрических потерь:

-потери на электропроводность;

-релаксационные потери;

-резонансные потери;

-ионизационные потери.

Потери на электропроводность обусловлены прохож-

24

дением сквозного тока в диэлектриках с заметной поверхностной или объемной электропроводностью. Эти потери ничтожно малы в материалах с высоким удельным сопротивлением, но в диэлектриках с небольшим удельным сопротивлением или в полярным или материалах, эксплуатируемых например во влажной среде, их следует учитывать.

С ростом частоты тангенс угла диэлектрических потерь tgδ уменьшается по гиперболическому закону и увеличивается по экспоненциальному закону с возрастанием температуры Т (рис.1.8 б).

Рис.1.8. Частотная (а) и температурная (б) зависимости tgδ при потерях на электропроводность

Релаксационные потери характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации и проявляются на достаточно высоких частотах, когда сказывается явление гистерезиса, т.е. отставание поляризаций от изменения электрического поля. Диэлектрические потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов.

Релаксационные потери наблюдаются в диапазоне частот 105 – 1010 Гц. На достаточно низких частотах, когда время релаксации η « 1/ω (ω – угловая частота внешнего электрического поля), релаксационные потери будут малы, а при возрастании частоты они будут увеличиваться. На частотеЮ когда выполняется условие η = 1/ω, наблюдается резонанс и потери будут резко возрастать. При дальнейшем увеличении частоты внешнего электрического поля, когда η < 1/ω, будет

25

сказываться инерционность релаксационных видов поляризации и tgδр, характеризующий диэлектрические потери, будет уменьшаться. На частотной зависимости tgδр наблюдается максимум (Рис.1.9 а), положение которого определяется из условия ω η = 1; на рис.1.9 б приведено изменение tgδ с учетом потерь на электропроводность.

Рис.1.9. Частотная зависимость tgδ при релаксационных потерях (а) и с учетом потерь на электропроводность (б).

На высоких частотах (η > 1/ω), несмотря на уменьшение tgδр с ростом частоты, активная мощность Ра, выделяемая в диэлектрике, остается практически постоянным, так как число циклов поляризации возрастает, что находится в согласии с формулой (1.12). С повышением температуры максимум tgδр будет смещаться в область высоких частот. Это обусловлено тем, что время релаксации η становится меньше времени периода изменения напряжения электрического поля.

Резонансные потери в диэлектрических материалах обусловлены процессами ионной и электронной поляризаций при совпадении частоты внешнего электрического поля с собственной частотой колебаний ионов или электронов. При ионной поляризации наблюдается максимум tgδ на частотах 1013-1014 Гц, т.е. в инфракрасном диапазоне частот. Резонансные потери при электронной поляризации имеют максимум tgδ в оптическом диапазоне частот 1014-1016 Гц: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра. При сов-

26

падении частоты внешнего электрического поля с собственной частотой колебаний электронов наблюдаются узкие максимумы потерь, которые показывают оптическими спектрами поглощения света.

Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии и проявляются также в твердых диэлектриках, содержащих газовые включения: бумага, пористая керамика. Эти потери проявляются на радиочастотах при напряжении внешнего электрического поля выше порога ионизации. В этом случае происходит ионизация газовых включений, приводящих к резкому возрастанию диэлектрических потерь, разогреву материала и постепенному его разрушению. Порог ионизации зависит от конкретного материала и определяется по началу роста tgδ.

Для наглядности основные сведения об особенностях различных видов диэлектрических потерь сведены в табл.1.3.

Таблица 1.3

Классификация потерь в диэлектриках

27

Продолжение табл.1.3

1.5. Электрическая прочность

Электрическая прочность это способность диэлектрического материала сохранять свое высокое удельное сопротивление под действием напряженности электрического поля. Электрическая прочность Епр определяется из выражения

где h – толщина диэлектрика; Uпр – пробивное напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к долговременному или кратковременному образованию каналу сквозной проводимости под действием электрического поля. Диэлектрик при этом теряет свои электроизоляционные свойства.

На рис.1.10 приведена типичная вольтамперная характеристика, которая показывает изменение тока при пробое диэлектрика. При напряжении, большем напряжения пробоя

28

U>Uпр, на вольтамперной характеристике появляется участок АВ с отрицательной проводимостью, что обусловлено образованием канала сквозной проводимости. В результате этого падение напряжения паает, электрический ток резко возрастает и диэлектрик вместе пробоя становится проводником

Рис.1.10. Вольтамперная характеристика диэлектрика при пробое

Электрическая прочность зависит не только от агрегатного состояния диэлектриков (газ, жидкость, твердый диэлектрик) и их структуры, но может изменяться в зависимости от толщины диэлектрика, формы электродов и условий теплоотвода.

Электрическая прочность воздуха невелика по сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков. В нормальных условиях, т.е. при давлении 0,1 МПа и температуре 200 С, при расстоянии между электродами в 1 см электрическая прочность Епр = 3,2 МВ/м.

При уменьшении давления ниже атмосферного вначале наблюдается снижение электрической прочности, но когда давление доходит до некоторого значения, электрическая прочность будет возрастать.

В твердых диэлектриках возможны три основных вида пробоя: электрической, тепловой, электрохимический. Все эти виды пробоя могут иметь место в одном диэлектрическом материале в зависимости от характера внешнего элек-

29

трического поля – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; наличия дефектов; условия охлаждения.

Электрический пробой проявляется в диэлектриках при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения. Электрический пробой по своей природе является чисто электрическим процессом, когда немногие электроны от катода ускоряются электрическим полем и создают электронную лавину от катода к аноду. Развитие лавины ускоряет образование проводящего канала, в котором создается высокое давление, приводящее к появлению трещин или полному разрушению изоляционного материала. Чисто электрический пробой наблюдается у однородных диэлектриков с высокой температурой плавления, таких как окислы, щелочно-галоидные соединения и некоторые органические полимеры. Электрическая прочность таких диэлектриков при электрическом пробое может достигать до 1000 МВ/м.

Электрическая прочность при электрическом пробое является характеристикой материала.

Тонкие пленки из диэлектрических материалов обладают более высокой электрической прочностью по сравнению с массивными образцами. Тонкие диэлектрические пленки, особенно аморфной структуры, широко используются а качестве изоляции при изготовлении микроэлектронных элементов и устройств.

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепла, выделяемое в переменном поле в диэлектрике вследствие диэлектрических потерь, повышает количество тепла рассеиваемого в окружающее пространство. Тепловой пробой характерен для полярных диэлектриков и диэлектриков с полярными включениями. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него. Кроме того, электротепловое и пробивное напряжение зависит от нагревостойкости материала. Органические диэлектрики с низкой температурой плав-

30