Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

хлора), а окружающие катионы создают избыточный положительный заряд. В ионном кристалле имеется значительная концентрация электронных ловушек. В частности, электронными ловушками являются анионные вакансии, которые, захватив электрон, превращаются в F- центры. Поэтому часть медленных электронов, например появившихся после акта ударной ионизации, захватываются ловушками. Излучение электронной лавины вызывает освобождение электронов из ловушек, и такие электроны, как и в случае пробоя газов, могут быть названы фотоэлектронами. Излучение лавины, достигшей анода, вызывает появление фотоэлектронов, которые начинают развитие положительного стримера. Если это принять, то напряженность поля положительного объемного заряда, оставшегося у анода после ухода лавины, может быть определена:

α– коэффициент ударной ионизации электронами;

ed / λu – число электронов в лавине, достигшей анода;

ε– диэлектрическая проницаемость (для NaCl ε = 5.6).

5.3.Эффект полярности при пробое в неоднородном электрическом поле

Многочисленные исследования показали, что при пробое твердых диэлектриков в системе электродов острие – плоскость, если устранено влияние краевых разрядов, получается более высокое пробивное напряжение при отрицательной полярности электрода-острия. Подобный же эффект полярности наблюдается при пробое газов и объясняется влиянием положительного объемного заряда, образующегося около электрода-острия в результате ударной ионизации электронами. Этот объемный заряд при отрицательной полярности электрода-острия ослабляет электрическое поле по направлению ко второму электроду и затрудняет развитие разряда. При положительной полярности острия, образующийся положительный объемный заряд напротив усиливает поле у острия и способствует прорастанию разряда. Таким образом, наблюдаемый эффект полярности при пробое твердых диэлектриков также указывает, что электрический пробой твердых диэлектриков связан с ударной ионизацией электронами.

132

Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

5.4.Влияние материала электродов на пробой твердых диэлектриков

Сточки зрения развития ударной ионизации электронами влияние материала электродов на электрическую прочность твердых диэлектриков имеет большое значение, поэтому изучалось с начала 30-х годов многими исследователями. Было установлено, что электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от материала электродов, в качестве которого использовались различные металлы, графит, электронный и ионный заряды.

Однако впоследствии для щелочно-галоидных кристаллов удалось показать, что при электролитовых электродах электрическая прочность значительно выше, чем при металлических электродах. Для сравни-

тельно толстых слоев (d ≈100 мкм) электрическая прочность определяется материалом катода и не зависит от материала анода, что иллюстрируют данные, табл. 5.1 (каменная соль, d =100 мкм).

И.С. Пикаловой с помощью электронно-микроскопических исследований было показано, что после растворения поверхности каменной соли электролитом на ней обнаруживаются углубления до 800Å прямоугольной или треугольной формы. При нанесении на поверхность электрода из металла или графита эти углубления являются микровыступами, на отдельных частях которых, обладающих большой кривизной, т.е. на микроостриях, может быть значительное усиление поля по сравнению со средним. В случае катода с этих микровыступов имеет место усиленная эмиссия электронов, облегчающая формирование разряда.

При помещении на поверхность кристалла электролита можно предполагать образование промежуточного слоя между электролитом и кристаллом. Этот слой сглаживает неровности на поверхности кристалла, и поэтому не создаются на поверхности катода локальные поля с большой напряженностью. При толщине слоя в несколько микрон уже влияет и материал анода. При металлическом или графитовом аноде Епр ниже, чем при электролитовом.

133

Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

В отношении механизма пробоя щелочно-галоидных кристаллов с металлическим или графитовым катодом можно также сказать, что если экстраполировать зависимость α = f (E) к значению Е=1.5.108 В/м,

которое характеризует электрическую прочность каменной соли с графитовым (металлическим) катодом толщиной d=0.l мм, то получается значение αd =1.47, тогда как при лавинно-стримерном пробое при этой толщине αd = 20. Отсюда ясно, что пробой с графитового (металлического) катода не развивается в виде одиночной лавины, поскольку размножение электронов за счет ударной ионизации невелико.

Поэтому необходимо учесть значительное усиление электрического поля у края выступа (микроострия), находящегося на поврхности катода. В этом месте одновременно разыгрываются несколько процессов: эмиссия электронов, их размножение за счет ударной ионизации; образование отрицательного объемного заряда за счет захвата электронов, что снижает напряженность поля около микроострия и, следовательно, плотность тока эмиссии с него; разогрев диэлектрика протекающим током и др.

При достаточно большой плотности тока часть кристалла, прилегающая к микроострию, плавится и ее электропроводность резко возрастает. Поэтому расплавленная часть кристалла является как бы продолжением выступа, и с нее развиваются те же процессы, которые до этого развивались с микроострия, расположенного на катоде. Далее этот процесс продолжается, и канал разряда продвигается к аноду. Описанный механизм формирования разряда может быть назван элек- тронно-термическим. Аналогичный механизм разряда имеет место при пробое диэлектрических пленок, который будет более подробно обсуждаться ниже.

5.5. Зависимость времени разряда от толщины диэлектрика. Формирование многолавинно-стримерного механизма разряда

Исследование времени разряда в некоторых твердых диэлектриках (щелочно-галоидные кристаллы, органическое стекло) в условиях однородного поля показало интересную зависимость t р от толщины ди-

электрика d, которую иллюстрирует рис. 5.3. В области малых толщин порядка ~10-3 см и менее t р составляет несколько мкс и уменьшается с

увеличением d. При некотором значении d=dкр величина t р уменьша-

ется на 2÷3 порядка, после чего возрастает с увеличением d. Величина dкр зависит от диэлектрика и перенапряжения, уменьшаясь с возрастанием последнего. Для каменной соли при перенапряжении

β =1.05 ÷1.07 dкр =30÷35 мкм.

134

Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

Вопрос о зависимости t р от толщины диэлектрика обсуждал известный теоретик Зейтц еще в 1949 г. Согласно его теории, при d=1 см число электронов в лавине достигает величины np = 2αd = 240 , если

принять, что каждый электрон в лавине передает иону кристалла энергию 10 эВ. С уменьшением d число электронов в лавине уменьшается, и уже не первая, а вторая, третья и т.д. вызывает разрушение диэлектрика. Таким образом, время разряда, которое все более является статистическим, должно плавно возрастать с уменьшением d, что не соответствует рис. 5.3.

зависимости Епр = f ( d ) величина ε ∞ уменьшается с уменьшением d .

Поэтому с уменьшением d , чтобы у анода могли создаться условия для зарождения стримера, необходима не одна, а две, три, т.е. несколько электронных лавин. Такой разряд получил название многолавинностримерного. Образцы, пробиваемые по закономерности однолавинностримерного разряда, были названы «толстыми», а образцы, пробиваемые по закономерностям многолавинно-стримерного разряда, были названы «тонкими». С увеличением перенапряжения возрастает напряженность приложенного поля и как бы возрастает число «толстых» образцов и уменьшается число «тонких» образцов. Такая классификация слоев, имеющая ясный физический смысл, является условной. Один и тот же образец при малом перенапряжении пробивается как «тонкий», а при большом перенапряжении, когда одна электронная лавина оказывается достаточной для зарождения стримера, пробивается как «толстый».

135

Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

В случае многолавинно-стримерного механизма формирования разряда с учетом ранее сделанных замечаний можно записать:

где n∑ – суммарный (от нескольких лавин) объемный положи-

тельный заряд, необходимый для зарождения стримера.

Величина n∑ определяется из равенства приходящих электронов

(столько же ионизированных ионов) с лавинами на площадку S , где зарождается положительный стример, и убылью заряженных частиц вследствие рекомбинации. В работах А.А. Воробьева и Г.А. Воробьева было показано, что площадка на аноде S , где зарождается стример,

оказалась примерно равной λ2u .

где ν o – число электронов, выходящих с 1 см2 катода в 1 с.

Убыль числа ионизированных частиц вблизи анода в объеме с площадью S

где α = γa .

Подставляя последнее выражение в уравнение 5.2, получаем

В случае статического пробоя, т.е. при t = ∞,

136

Часть II. Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами

Импульсный пробой происходит при некотором перенапряжении β = Enp / Eст, тогда время разряда

где b = 4πελq u νγo .

Близкой к теории многолавинно-стримерного разряда оказалась теория О`Двайера (1980 г.), который критикует теорию Зейтца за то, что в лавине может быть 240 электронов. Действительно, при отделении электронного заряда от положительного заряда ионизованных центров создавалось бы поле порядка 1013 В/м, что невозможно. По теории О`Двайера ионизированные частицы движутся к катоду и усиливают поле у него. Когда напряженность поля между катодом и положительным объемным зарядом достигает значения Епр, происходит пробой

где μ+ – подвижность ионизированных частиц, принимаемая равной 10-8 см2/В с.

Типичной зависимостью для многолавинно-стримерного механизма формирования разряда является зависимость Епр от величины

νo . Чем больше выход электронов с катода, тем меньше может быть

размер электронной лавины edλu , чтобы накопился положительный объемный заряд у анода, необходимый для зарождения стримера. Уменьшение Enp с возрастанием νo было подтверждено рядом экспе-

риментов.

137