1.3. Электрополевая и токовая неустойчивость

Инжекция зарядов в полупроводники и диэлектрики становится заметной уже при Е10⁴В/см. В сильных полях, даже если нагрев незначителен, диэлектрики обладают значительной проводимостью, обусловленной, как правило, движением холодных электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне, т.е. в сильных полях в твердых диэлектриках образуется низкоэнергетическая электрон-дырочная плазма низкой плотности. Разогрев носителей заряда в сильных полях, благодаря сильной зависимости подвижности носителей зарядаи их концентрации n от напряженности поля, часто вызывает появление отрицательной дифференциальной проводимости с S или N - образными вольт-амперными характеристиками. Системы с отрицательной дифференциальной проводимостью неустойчивы относительно продольных и поперечных флуктуаций тока и напряженности поля. Продольные флуктуации приводят к образованию доменов (областей сильного поля, способных пробиться внутри), а поперечные - к шнурованию тока вдоль силовых линий, увеличению плотности носителей заряда и образованию плазменных каналов. Заметим, что для образования плазменных каналов по такому механизму неустойчивости первичным электронам (дыркам) необязательно иметь энергию, достаточную для ионизации атомов среды.

Теория полевой и токовой неустойчивости были созданы для описания пробоя полупроводниковых структур и хорошо описывают пробой "плохих" диэлектриков с проводимостью 10^-10Ом^-1см^-1.

1.4. Ионизационная неустойчивость

В сильных электрических полях, когда _стмало, плазменные каналы могут образовываться за счет ударной и электростатической ионизации. Генерация носителей заряда за счет электростатической ионизации маловероятна даже при пробивных напряженностях для твердых диэлектриков (E_пр<10⁷В/см). Более вероятна ударная ионизация. Если предположить линейную зависимость скорости электрона v от напряженности электрического поля Е

v=E (1.5)

где - подвижность электрона, то напряженность поля необходимую для ускорения электрона до энергии, равной потенциалу ионизации u_iможно определить из условия:

(1.6)

Отсюда напряженность поля необходимая для ударной ионизации

(1.7)

Для реальных диэлектриков u_i10 эВ; подвижнось заряженных частиц, электронов, дырок_e-,e+~10^-3 см²/Вс при напряженности поля Е10⁷ В/см. Примесные состояния начнут ионизоваться при меньшей E_u. Однако учет длины свободного пробега электрона или дырки увеличивает E_uза счет уменьшения эффективной подвижности.

Ионизационной неустойчивостью завершается любой механизм развития разряда, поскольку он обязательно должен завершиться образованием плазменных каналов и перемыканием ими межэлектродного промежутка. При выборе механизма пробоя всегда трудно ответить, где происходит ионизация, насколько возмущен другими неустойчивостями ионизуемый диэлектрик.

Анализируя оценки величины E, достаточной для возникновения неустойчивостей, можно сделать следующие выводы. Во-первых, пробивной напряженности поля E_пр=10⁵10⁷В/см реальных диэлектриков недостаточно для развития какой-либо отдельной неустойчивости и перемыкания плазменными каналами промежутка. Во-вторых, развитие любого вида неустойчивости стохастично во времени и пространстве и зависит от локальной напряженности поля E_л. Величина E_лможет изменяться как вследствие одновременности развития нескольких неустойчивостей (например, ионизация происходит в кавитационных пузырьках, в низкотемпературной электронно-дырочной плазме и др.), так и благодаря наличию в реальных диэлектриках и на электродах "слабых мест", облегчающих возникновение неустойчивостей. Такими "слабыми местами" являются трещины, пузырьки газа, микровключения неосновных фаз и др. подобные нарушения.