Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Королев Ю.Д. и др. Физика диэлектриков.pdf
Скачиваний:
691
Добавлен:
29.05.2015
Размер:
2.56 Mб
Скачать
Рис. 8.11. Зависимость тока от напряжения в МДМ–системах

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

На основании изложенного процесс пробоя диэлектрических пленок представляется следующим. Наличие микроострий на электродах способствует созданию высоких локальных напряженностей поля, в частности, у катода. За счет этого возникает эмиссия электронов с катода. Электроны, двигаясь в направлении анода, встречают на своем пути дефекты (ловушки) и оседают на них. При этом вблизи катода создается отрицательный объемный заряд ООЗ, который выравнивает поле и затрудняет эмиссию электронов с катода. При дальнейшем повышении напряжения захваченные электроны могут срываться с ловушек электрическим полем. За счет этого плотность ООЗ будет уменьшаться, а напряженность поля у катода будет вновь возрастать. Это приведет к дополнительной эмиссии электронов с катода. Сорванные электроны с ловушек, двигаясь в направлении анода, могут ускоряться и вызывать ударную ионизацию. Этому способствует пористость пленок (наличие закрытых пор), т.к. здесь электроны обладают большей длиной свободного пробега. При достижении электронной лавины анода развитие стримера маловероятно, т.к. при такой малой толщине из-за наличия пористости напряженность поля в области объемного заряда относительно мала. Вероятнее всего, наиболее важным процессом в создании проводящего пути в диэлектрической пленке и развитии пробоя является диссоциация молекул диэлектрика, при которой могут выделяться атомы металла. Коагуляция этих атомов образует на поверхности канала почти сплошную проводящую пленку, т.е. создает проводящий путь, по которому пойдет развитие разряда.

8.8. Формованные системы металл–диэлектрик–металл (МДМ)

При исследовании поведения систем металл–диэлектрик–металл (МДМ) в сильном электрическом поле было обнаружено новое явление, названное формовкой. Впервые на возможность формовки МДМ-систем указал в 1961 г. американский ученый Mead. Он предположил, что в системах МДМ, находящихся в вакууме, при воздействии электрического поля электроны эмитируются с катода и попадают в диэлектрик, где они ускоряются электрическим полем и переходят в металлический анод. Попадая на анод, эти электроны частично рассеиваются, а

часть из них, не претерпев столкновений с атомами, выходит на поверхность металла, и если их энергия превосходит работу выхода из металла Wв, то они могут выходить в вакуум. Первоначально прове-

182

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

денные исследования с плотными диэлектрическими пленками не подтвердили наличие такой инжекции электронов в вакуум.

Однако несколькими годами позже Г.С. Крейнина обнаружила, что в пленках щелочно-галоидных кристаллов толщиной порядка 100Å вольт-амперная характеристика (ВАХ) для сквозного тока имеет N-образный характер, а поверхность МДМ-системы светилась. Аналогичные явления обнаружил и исследовал в аморфных пленках Х. Мотт за рубежом.

В 1971 г. в Томске П.Е. Троян и А.В. Сутягин обнаружили те же эффекты на пленках оксинитрида кремния, получаемых бомбардировкой кремниевой мишени ионами азота (рис. 8.11). При этом было обнаружено, что свечение МДМ-системы происходит в отдельных точках, которые, как было показано позже, являются местами эмиссии электронов в вакуум (рис.8.12). Позднее эти точки были названы формованными каналами. Диаметр этих каналов значительно меньше диаметра канала пробоя и составляет порядка 0.01 мкм.

Анализируя явления, происходящие в МДМ-системах, можно отметить следующее:

1. При воздействии напряжения (постоянного, переменного и импульсного) наблюдается возрастание электропроводности на 6÷8 порядков. Время получения значительного сквозного тока через диэлектрик – ic (рис.8.11), называемое временем формовки, изменяется от

долей секунд до нескольких минут.

2. При наличии формовки вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет N-образный характер. Максимум тока соответствует напряжению 3.8÷4 В и не зависит практически от толщины диэлектрика. Минимум тока соответствует напряжению 8÷9 В. Вид ВАХ сохраняется в пределах давления

Рис. 8.12. Электролюминесценция формованной МДМсистемы

через диэлектрик.

107 ÷102 мм рт.ст. Отношение

iмакс i мин = 5 ÷10 .

3. В формованной МДМсистеме наблюдается электролюминесценция с длиной волны 480 нм. Оказалось, что точки свечения и эмиссии электронов совпадают. Можно считать, что эти точки являются окончаниями формованного канала, проходящего

183

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

4. Параметры формованной МДМ-системы чувствительны к составу газа в вакуумной системе. Так, кислород уменьшает величину ic

и в зависимости от его содержания происходит искажение ВАХ. Пары воды увеличивают ic . При отсутствии паров воды ic уменьшается и

исчезает N-образность ВАХ. Такие газы, как азот и аргон не влияют на характеристики формованной МДМ-системы.

5.Скорость формовки возрастает с увеличением температуры. Но формовка возможна в пределах изменения температуры 200÷750 К. Температура на поверхности формованного канала может достигать

1000 К.

6.Формованная МДМ-система обладает памятью к давлению и температуре. В формованной системе возможны эффекты переключения из состояния высокого сопротивления в состояние низкого сопротивления, что создает возможность создания элементов памяти на их основе.

При проведении исследований обнаружено, что процесс формовки и пробоя взаимосвязаны. Так вероятность пробоя увеличивается, а вероятность формовки уменьшается с увеличением толщины диэлектрика и верхнего электрода, а также величины приложенного напряжения. Так же как и при пробое, важную роль при формовке играет эмиссия электронов с катода и их ускорение в электрическом поле. При этом характерно, что если толщина верхнего электрода (анода) мала, то за счет электронной лавины происходит разрушение этого электрода и формовка не наблюдается. Схематическое изображение образования формованного канала показано на рис. 8.13.

Вместах расположения микроострий, которые имеются на электродах, напряженность электрического поля более чем в 10 раз превышает среднюю напряженность поля. Именно здесь при приложении

 

напряжения начинается автоэлектронная

 

эмиссия. Ускоренные полем электроны

 

производят ударную ионизацию, а также

 

вызывают

диссоциацию

молекул

 

диэлектрика. Образуемые за счет диссо-

 

циации ионы металла (в случае пленки

 

Al2O3) или кремния (в случае пленки

Рис. 8.13. Схема образования

SiO2) создают проводящие мостики, обо-

значенные на рис. 8.13 линиями 0, 1, 2, 3,

формованного канала

4 и т.д. При коагуляции этих частиц на

поверхности формованного канала могут образовываться проводящие островки, обуславливающие рост тока ic .

184

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

Выделяющаяся в диэлектрике энергия будет равна W =U 2 γdS , где

значения γ и S зависят от величины приложенного напряжения. Следует, вероятно, ввести понятие критической энергии Wкрит . Если W >Wкрит, то произойдет пробой, сопровождающийся выбросом в ва-

куум части верхнего электрода, части диэлектрика и нижнего электрода. Если W <Wкрит , то процесс будет протекать постепенно. Образуе-

мые за счет диссоциации проводящие мостики приводят к росту тока ic . За счет протекающего тока большая часть электронов уходит на

верхний электрод, но часть электронов отразится от его поверхности и будет обуславливать ток эмиссии iэ (рис. 8.13). Важную роль в элек-

тропроводности могут играть молекулы воды, когда они оседают и заполняют пространство между коагулированными островками.

При прохождении тока ic выделяется тепловая энергия, за счет

которой часть молекул воды испаряется с поверхности формованного канала и ток ic уменьшается (см. рис. 8.11). После достижения мини-

мума тока количество выделяющейся энергии в канале резко уменьшается и часть молекул воды как бы возвращается, что вызывает дальнейшее возрастание тока ic . В случае распаянной колбы при остаточ-

ном давлении порядка 107 мм рт.ст., когда воды практически нет, величина тока ic и iэ значительно уменьшается, а N-образность ВАХ ис-

чезает. При повышении температуры или в результате разогрева верхнего электрода и диэлектрика протекающим током может происходить дополнительная формовка в новых точках МДМ–системы. В результате этого ток ic возрастает, происходит испарение верхнего электрода,

что вызывает уменьшение эмиссии электронов в вакуум и теряется N- образность ВАХ. За счет этого срок службы формованных МДМсистем резко сокращается, что затрудняет использование МДМ-систем для создания электронных переключателей и элементов памяти.

8.9. Заключение по механизму электрического пробоя твердых диэлектриков

Обобщая рассмотренные выше теоретические представления о механизме пробоя твердых диэлектриков, можно сказать, что в настоящее время сложилось два научных направления.

С одной стороны, это теоретические и экспериментальные работы А. Хиппеля, Г. Фрелиха, В. Франца, Г.А. Воробьева и многих др., в которых рассматривается электрический пробой твердых диэлектриков с позиций механизма ударной ионизации электронами.

185

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

С другой стороны, это работы Ю.Н. Вершинина и его сотрудников, в которых отвергается механизм ударной ионизации электронами и развивается принципиально иной подход к электрическому пробою твердых диэлектриков с позиций перегревной тепловой неустойчивости и процессов электронной детонации под действием сильного электрического поля.

К неударному механизму электрического пробоя твердых диэлектриков можно отнести также теоретические работы Зинера, Волькенштейна и Френкеля, работы Роговского, Горовица, Старка и Гартона и др., которые не получили дальнейшего развития.

Научный спор относительно механизма электрического пробоя начался еще с работ Иоффе, в которых впервые была выдвинута идея об ударной ионизации ионами, которая впоследствии была отвергнута.

Из механизма ударной ионизации электронами следовала необходимость электрического упрочнения, т.е. увеличения электрической прочности диэлектрика с уменьшением его толщины, что долго не удавалось обнаружить. Работы Аустена и Уайтхеда, в которых было обнаружено электрическое упрочнение в тонких слоях слюды в десятые доли микрон, остались как-то незамеченными. Впоследствии эффект электрического упрочнения был подтвержден в работах Г.А. Воробьева при исследовании электрической прочности ЩГК в тонких слоях с использованием электролитовых электродов. При толщинах порядка 50 мкм Епр практически не изменялось с изменением толщины, однако

при меньших толщинах наблюдалось возрастание Епр с уменьшением

толщины. Кроме того, в малых толщинах были обнаружены новые явления: токи ударной ионизации, возникновение дислокаций, собственное и активаторное свечение, которые составили новую область физики сверхсильных электрических полей. При использовании электролитовых электродов было установлено также различие электрической прочности по различным кристаллографическим направлениям, согласующееся с теоретическими воззрениями А. Хиппеля. Все эти данные согласуются с представлениями об ударной ионизации электронами.

При переходе от электролитовых электродов к электродам из графита или металла наблюдается снижение электрической прочности. Развитие пробоя в этом случае не связано непосредственно с процессом ударной ионизации, а обусловлено наличием на электродах шероховатостей в виде микроострий, в области которых создаются высокие локальные напряженности электрического поля. За счет этого резко возрастает эмиссия электронов с катода, что приводит к резкому увеличению плотности тока, выделению джоулева тепла и расплавлению участков кристалла, которые как бы служат продолжением электрода.

186

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

Далее этот процесс непрерывно повторяется и приводит к образованию сквозного канала пробоя.

При проведении испытаний на пробой в неоднородном электрическом поле (электроды острие–плоскость) было обнаружено, что электрическая прочность для большинства твердых диэлектриков при толщинах более 1 см имеет более низкие значения при положительной полярности электрода-острия. Такое положение характерно и для пробоя газов, что также подтверждает механизм ударной ионизации электронами.

При пробое твердых диэлектриков в неоднородном электрическом поле в системе электродов острие–острие обнаружен различный характер развития разряда с анода и катода. Разряд с анода развивается по кристаллографическим направлениям [110] или [111] и с гораздо большей скоростью, чем разряд с катода. С позиций механизма ударной ионизации электронами разряд с анода имеет лавинно-стримерный характер, что обуславливает его большую скорость. По теории Ю.Н. Вершинина этот разряд имеет характер электронной детонации и развивается в виде взрыва со сверхзвуковой скоростью. Развитие разряда с катода объясняется примерно одинаково и связано с переходом кристалла в расплавленное состояние в результате перегревной неустойчивости по теории Ю.Н. Вершинина, или, как считает Г.А. Воробьев, обусловлено расплавлением кристалла за счет большой плотности эмиссионного тока.

Развитие тепловой (перегревной) неустойчивости еще не является доказательством невозможности механизма ударной ионизации электронами. Так Райзер [3], рассматривая неустойчивости газового разряда, отмечает, что перегревная неустойчивость приводит к локальному разогреву и, соответственно, к росту электронной температуры, т.е. к усилению ионизации. Кроме того, в зоне локального нагрева увеличивается количество метастабильных атомов и к ионизации из основного состояния присоединяется ионизация возбужденных частиц, которая протекает легче, ибо энергия связи электронов в них меньше.

187