ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ
Процесс, при котором диэлектрик теряет свои изоляционные свойства под воздействием сильного электрического поля.
В результате пробоя через материал начинает протекать электрический ток, что может привести к его повреждению или разрушению.
1
КАК ПРОИСХОДИТ ПРОБОЙ
Начинается с свободных электронов:
В любом изоляторе есть немного свободных электронов (из-за примесей или нагрева);
Электроны разгоняются в поле:
Когда напряжение слишком высокое, поле ускоряет электроны, как горка шарики;
Лавинный эффект:
Быстрые электроны выбивают новые из атомов → те тоже разгоняются → цепная реакция;
Образуется проводящий канал:
Возникает "дорожка" из зарядов → диэлектрик превращается в проводник.
2
ТЕОРИЯ ХИППЕЛЯ-КАЛЛЕНА
Пробой возникает из-за "лавины" электронов в сильном электрическом поле
Принцип процесса:
Свободные электроны разгоняются полем; При столкновении с атомами выбивают новые электроны;
Процесс повторяется → экспоненциальный рост числа электронов.
Применяется там, где используются толстые слои изоляции (кабели, трансформаторы) и высокие напряжения
Особенности:
Процесс пробоя происходит быстро Зависит от температуры (нагрев ускоряет проюбой)
3
ТЕОРИЯ ФРЕЛИХА
Пробой происходит за счёт квантового туннелирования электронов
Принцип процесса:
В тонких диэлектриках электроны "просачиваются" через энергетический барьер; Не требует столкновений с атомами; Массовое туннелирование → резкий рост тока.
Применяется в ультратонких плёнках, современных микросхемах
Особенности:
Объясняет аномально высокую прочность тонких слоёв; Критически важна для микроэлектроники.
4
СРАВНЕНИЕ ТЕОРИЙ
Теория Хиппеля-Каллена объясняет пробой через классический механизм ударной ионизации - электроны разгоняются в электрическом поле и выбивают новые электроны при столкновениях, создавая лавину. Эта модель хорошо работает для толстых слоёв диэлектриков (микрометры и больше), используемых в высоковольтном оборудовании.
Теория Фрелиха рассматривает квантовый эффект - электроны "просачиваются" через потенциальный барьер без столкновений (туннельный эффект). Этот механизм доминирует в ультратонких плёнках (нанометровые толщины) современных микросхем.
5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теории Хиппеля-Каллена и Фрелиха дополняют друг друга, объясняя электрический пробой на разных масштабах. Классическая теория ударной ионизации описывает пробой в толстых изоляционных слоях высоковольтного оборудования, тогда как квантовая теория туннелирования объясняет поведение ультратонких плёнок в микроэлектронике. Вместе они обеспечивают научную основу для создания надёжных диэлектриков - от мощных трансформаторов до миниатюрных микросхем.
6
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Хиппель А. Диэлектрики и волны. - Москва : Госэнергоиздат, 1960. - 340 с.
2.Фрелих Г. Теория диэлектриков. - Ленинград : Изд-во ЛГУ, 1949. - 256 с.
3. Богданов Н. И. Электрическая прочность диэлектриков / Н. И. Богданов. - Санкт-Петербург : Энергоатомиздат, 2005. - 412 с.
7