5.2. Электропроводность диэлектриков

К диэлектрикам относят материалы с большой шириной запрещенной зоны (около 3 эВ), поэтому концентрация свободных электронов в них ничтожно мала. Малая концентрация свободных зарядов определяет высокое удельное сопротивление диэлектрических материалов, находящееся в пределах 10⁶-10¹⁶ Ом м. Если подключить к диэлектрику с нанесенными на поверхность металлическими электродами постоянное напряжение, то через него будет протекать электрический ток, который называют током утечки J_ут. Ток утечки представляют в виде суммы двух токов: сквозного тока J_ск и абсорбционного тока J_аб

J_ут = J_аб + J_ск. (5.5)

Величина сквозного тока обусловлена движением свободных зарядов - ионов и реже электронов. Природа абсорбционного тока J_аб связана с мгновенными и замедленными поляризационными процессами, протекающими во времени до момента установления и получения равновесного состояния. При постоянном напряжении ток абсорбции возникает при включении напряжения и затем снижается. На рис. 5.4 показана зависимость тока от времени при приложении постоянного напряжения. По истечении определенного времени, когда поляризационные процессы заканчиваются, через диэлектрик будет протекать только сквозной ток. Обычно измерение проводимости диэлектрика определяют по сквозному току через 1 мин, после включения напряжения. При переменном напряжении проводимость диэлектрика будет определяться не только сквозным током, но и активной составляющей тока абсорбции.

Рис. 5.4. Зависимость тока от времени в диэлектрике при постоянном напряжении

В диэлектриках электрический ток может протекать не только по объему, но и по поверхности. Поэтому для характеристики диэлектриков вводят удельное объемное сопротивление _v и удельное поверхностное сопротивление _s.

По величине удельного объемного сопротивления определяют удельную объемную проводимость _v = 1/_v (См м^-1) и соответственно удельную поверхностную проводимость _s = 1/_s (См). Полная проводимость складывается из объемной и поверхностной проводимостей.

Электропроводность твердых диэлектриков обусловливается как движением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей. Электронная электропроводность твердых диэлектриков вносит незначительный вклад в проводимость, так как при обычных температурах эксплуатации радиоэлектронных средств концентрация электронов очень мала.

Электропроводность твердых диэлектриков при ионной проводимости выражается зависимостью

 = q N_т M_т, (5.6)

где q – заряд иона, Кл; N_т – концентрация ионов в единице объема, м^-3; М_т – подвижность носителей, м²/Вс.

Концентрация ионов от температуры Т оценивается из выражения

N_т = N exp (-W_q/kТ), (5.7)

где k – постоянная Больцмана; W_q – энергия диссоциации ионов.

Подвижность ионов так же выражается экспоненциальной зависимостью от температуры Т

μ_т = μ_max^.exp(-W_пер/kT), (5.8)

где μ_max – постоянная, имеющая размерность подвижности; W_пер – энергия перемещения иона.

Общее выражение для электропроводности приобретает при подстановке значений N_т и μ_т следующий вид

γ = q ^. N_т^. μ_max exp(-(W_q + W_пер)/kT. (5.9)

Обозначив γ_о = q ^. N_т^. μ_max и W = W_q + W_пер, получим

γ = γ_о exp (-W/kT). (5.10)

В технических диэлектриках ток может быть обусловлен не только собственными ионами, но и слабо связанными ионами примесей. Для графического представления электропроводности от температуры используют координаты Аррениуса - ln γ и 1/Т, в которых эта зависимость выражается прямыми (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Зависимость удельной проводимости ln γ от температуры 1/Т

Если линии имеют изломы, то это свидетельствует о смене перехода от примесной проводимости к собственной. Так как энергия активации электропроводности ионов примесей меньше энергии активации электропроводности собственных ионов, то при низких температурах электропроводность будет примесная, а при высоких температурах - собственная. В некоторых случаях излом кривой температурной зависимости электропроводности объясняется тем, что ионы основного вещества имеют различные энергии активации.

Ионная проводимость в твердых диэлектриках, в отличие от электронной, связана с переносом вещества. В процессе длительной эксплуатации при воздействии постоянного электрического поля возможно изменение химического состава, следствием которого может быть постепенная деградация диэлектрика и его разрушение. Это может происходить в структуре диэлектрических пленок, применяемых в производстве интегральных схем.

При рассмотрении ионной электропроводности твердых диэлектриков мы имеем в виду объемную электропроводность, которая при постоянной температуре практически не зависит от внешних атмосферных условий.

Поверхностная электропроводность γ_δ твердых диэлектриков зависит от дефектов поверхности диэлектрика, наличие влаги и загрязнений.

Вода обладает значительной электропроводностью, поэтому наличие ее на поверхности диэлектрика приводит к заметному снижению удельного сопротивления ρ_s.

В последние годы большой интерес вызывает особый класс твердых тел, обладающих высо­кой ионной проводимостью (до ~1 Ом^-1·см^-1). Такие вещества получили название суперионных проводников. Их проводимость по порядку величины близка к проводимости расплавов и концентрированных растворов электролитов. Поэтому суперионные проводники, называют также твердыми электролитами. Одним из наиболее изученных твердых электролитов является Ag₄RbI₅.

Аномально высокая ионная проводимость появляется при некоторой температуре T_кр, характерной для каждого вещества. Такое увеличение проводимости обусловлено, в конечном счете, скачкообразным разупорядочением («плавлением») подрешетки, образованной одним из сортов ионов. Другая подрешетка, т. е. объемная структура, образованная другим сортом (или сортами) иоиов, сохраняет при этом «жесткость» и обеспечивает тем самым механическую прочность кристалла как целого.

Таким образом, суперионные кристаллы могут находиться в двух качественно различных фазах. При Т<Т_кр они ведут себя аналогично обычным ионным кристаллам (диэлектрическая фаза), а при Т>Т_кр переходят в особое состояние – суперионное (электролитическая фаза).

Одной из областей применения твердых электролитов является использование их в батареях, предназначенных для работы в космических условиях.