Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

дендрита выражается в образовании шаровидной формы, где напряженность поля меньше, то дальнейшее прорастание дендрита не наблюдается.

8.4. Кристаллографические эффекты при пробое кристаллов

Еще в 1887 г. было обнаружено, что в кристаллах NaCl искровые разряды зачастую следуют не по направлению поля, а по другим кристаллографическим направлениям. Так, в каменной соли при комнатной температуре разряд с положительного острия ориентируется по кристаллографическому направлению [111] или [110], а с отрицательного острия – по [100].

А.Ф. Вальтер и Л.Д. Инге, а также Хиппель предположили, что в кристалле имеются определенные предпочтительные направления, по которым ускорение электрона облегчено. Оффенбахер и Каллен теоретически рассчитали предпочтительные направления для ряда кристаллов исходя из критерия пробоя Хиппеля.

Другой стороной наличия в кристалле предпочтительных направлений является зависимость электрической прочности Епр от кристал-

лографического направления поля. Если имеется предпочтительное направление для ускорения электронов, то обязательно электрическая прочность по этому направлению должна быть ниже.

Зависимость электрической прочности от кристаллографического направления неоднократно проверялась экспериментально. Однако в опытах с кристаллами, когда использовались металлические электроды, разницы в значениях Епр

по различным кристаллографическим направлениям найдено не было. Тем не менее опыты, проведенные с электролитовыми электродами, позволили обнаружить анизотропию электрической прочности в кристаллах NaCI, KCl, KBr, KI. На рис. 8.5 представлены зависимости Eпp=f(d) для каменной соли для различных

кристаллографических нап-равлений. Электрическая прочность убывает в порядке [100], [110], [111], что соответствует теоретическим представлениям Хиппеля.

173

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

8.5. Зависимость электрической прочности от температуры

Температурная зависимость электрической прочности твердых диэлектриков изучалась многими исследователями, и в настоящее время нет согласия как в экспериментальных данных, полученных различными исследователями, так и в их объяснении. Температурная зависимость электрической прочности твердых диэлектриков может дать дополнительную информацию о механизме пробоя, а также в ряде случаев представляет не только практический интерес, но и должна учитываться при проведении испытаний на пробой. На рис. 8.6 приведены зависимости Епр = f (Т ) для кристаллов KBr по данным Хиппеля и

Олджера при воздействии различного вида приложенного напряжения. Как видно из приведенного рисунка, на постоянном напряжении в зависимости Епр = f (Т ) наблюдается максимум. Максимум также на-

блюдается и при воздействии импульсного напряжения с длительностью импульса 10-3÷10-4 с. При воздействии коротких импульсов с длительностью 10-6с наблюдается непрерывное возрастание Епр с темпе-

отрицательный (электронный) и положительный (ионный) объемные заряды могут компенсировать друг друга, в этом случае электрическая прочность получается выше, чем при наличии одного из них. При низких температурах присутствуют оба вида объемных зарядов. В этом случае возрастание электрической прочности с увеличением температуры происходит за счет усиления рассеивания электронов на тепловых колебаниях решетки. При температуре, близкой к критической, начинает рассасываться положительный объемный заряд, и тем силь-

174

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

нее, чем выше температура. Поэтому электрическая прочность снижается с ростом температуры.

При воздействии достаточно коротких импульсов напряжения положительный объемный заряд не успевает образоваться и поэтому не оказывает влияния на температурную зависимость Епр , которая в этом

случае определяется лишь рассеянием электронов на колебаниях решетки, т.е. будет непрерывно расти.

Несколько иное объяснение температурной зависимости Епр дал

Фрелих, который в 1947 году создал теорию для температурной зависимости Епр с максимумом, названную «высокотемпературной» тео-

рией, которая относится к кристаллам с примесями и к аморфным телам.

В кристаллах с примесями электроны проводимости взаимодействуют как с колебаниями решетки (фононами), так и с электронами, находящимися на примесных уровнях. При большой концентрации электронов проводимости электрон – электронное взаимодействие может превалировать над электрон-фононным взаимодействием. При этом возникают специфические условия получения энергии электронами от поля и передачи ее кристаллической решетке.

Если создается высокая концентрация электронов (электронов проводимости и примесных электронов), то электроны проводимости больше взаимодействуют друг с другом и примесными электронами, чем с колебаниями решетки, и образуют как бы электронный газ. Вследствие того что электроны получают энергию от поля, их температура Т, определяемая их кинетической энергией, становится выше температуры То кристаллической решетки. Приобретаемая электрон-

ным газом от поля энергия будет являться функцией напряженности поля Е и температур Т и То , т.е. A=f(Е, Т, То). Передаваемая решетке от

электронного газа энергия B=f(T, To). Из равенства А=В получается

где n1 – концентрация электронов проводимости; n2 – концентрация примесных электронов;

R – отношение числа энергетических уровней в зоне проводимости к числу примесных уровней.

Из этого выражения следует, что электрическая прочность убывает с ростом температуры. С ростом температуры растет n1 и, соответственно, растет А, но падает n2 и, следовательно, уменьшается В. Поэто-

175

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

му равенство А=В соблюдается при меньшей напряженности поля. Таким образом, в этой теории важная роль отводится примесям.

В свете уже рассмотренного материала о механизме ЭПТД можно сделать следующие замечания.

1. Рост Епр с возрастанием температуры наиболее правдоподобно

можно объяснить усилением рассеяния электронов на колебаниях решетки. Последнее ведет к уменьшению коэффициента ударной ионизации, и поэтому необходимо увеличить напряженность поля, чтобы число электронов в лавине было достаточным для зарождения стримера.

2. Наиболее эффективными в смысле образования электронной лавины являются электроны проводимости, возникшие вблизи катод-

ной поверхности, так число электронов в лавине n = eαx , где х – расстояние от места возникновения первичного электрона до анода. Поэтому следует учитывать в основном электроны, появившиеся вблизи катодной поверхности, которые образуют отрицательный объемный заряд (ООЗ).

3. Снижение электрической прочности Епр с ростом температуры

может быть объяснено с позиций многолавинно-стримерного или элек- тронно-термического (катод из металла или графита) механизмов пробоя. В обоих случаях существенную роль в пробое играет эмиссия электронов с катода. Вышедшие из катода электроны могут быть захвачены ловушками и образовать прикатодный отрицательный объемный заряд (ООЗ). На это указывают исследования импульсных токов в тонких слоях щелочно-галоидных кристаллов. ООЗ уменьшает напряженность поля на поверхности катода и тем самым эмиссию электронов с катода. Однако при высоких температурах вследствие эффекта Френкеля ООЗ должен разрушаться, что должно привести к увеличению тока эмиссии с катода и, следовательно, снижению электрической прочности.

8.6.Зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения

Многими исследователями было установлено, что при экспозиции напряжения 10-7 с и менее пробивное напряжение возрастает. Это связывалось с запаздыванием разряда. Действительно, если принять толщину образца в несколько десятых долей мм, а скорость распространения разряда с катода равна 105 см/с, умноженной в несколько раз, то время разряда будет иметь порядок 10–7 c. Такая величина указывается для щелочно-галоидных кристаллов, фарфора, бакелизированной бумаги и других. Для таких материалов, как слюда, органическое стекло,

176