3.1.2. Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости

Вторая характерная особенность электропроводности диэлектри­ков — спадание тока со временем после приложения постоянного напряжения. При включении постоянного напряжения ток в диэлек­трике вначале резко возрастает, а затем постепенно снижается, асим­птотически приближаясь к некоторой установившейся величине (рис. 3.3). Резкое возрастание тока вначале и последующее его сни­жение вызваны током смещения Iсм в диэлектрике. Плотность тока смещения jсм определяется скоростью изменения вектора электриче­ского смещения D (или вектора Е, поскольку D = εε_oЕ):

(3.4)

Рис. 3.3. Зависимость величины тока I в диэлектрике от времени τ приложения постоянного напря­жения (схематически):

Iсм — ток смещения, вызванный де­формационными видами поляриза­ции;

Iаб — ток абсорбции;

Iск — ток сквозной проводимости;

1 — электри­ческое старение (электролиз); 2 — электроочистка

Ток смещения Iсм вызван как мгно­венными (деформационными) видами поляризации, так и замедленными (ре­лаксационными), а также перераспре­делением свободных зарядов — их дрейфом (без разряжения на электро­дах).

В первом случае из-за кратковре­менности установления электронной и ионной поляризаций Iсм не удается за­фиксировать с помощью прибора. Ток смещения, обусловленный деформаци­онными видами поляризации, имеет важное значение в работе p-n -перехода полупроводниковых приборов и под­робно рассматривается в гл. 8.6.

Во втором случае ток смещения на­блюдается в технических диэлектриках от нескольких минут до нескольких де­сятков минут после приложения напря­жения и называется током абсорбции Iаб.

Ток абсорбции Iаб вызван релаксационными видами поляризации и перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика. Он приводит к накоплению носителей заряда в местах наибольшей кон­центрации ловушек (уровней захвата) — дефектов решетки, неоднородностей, границ раздела и т.п. В результате в диэлектрике возни­кают объемные заряды, и электрическое поле в нем становится неоднородным. Поле, создаваемое объемными зарядами, направлено в данном случае обратно приложенному полю. Ток абсорбции при постоянном напряжении наблюдается только в момент включения и выключения, при переменном напряжении — в каждый полупериод изменения электрического поля, т.е. практически в течение всего времени приложения переменного напряжения.

Под действием образовавшихся объемных зарядов, а также поляризации диэлек­трика (особенно при наличии дипольно-релаксационной составляющей), образец за­ряжается. Но если от него отключить внешний источник напряжения и его закоро­тить, то по образцу пойдет обратный так называемый ток деполяризации, который образуется в результате освобождения носителей заряда с различных ловушек и дез­ориентации диполей. Зависимость тока деполяризации от времени несет информацию о закономерностях молекулярной подвижности, дефектах строения, и в ряде случаев с ее помощью возможно прогнозирование срока службы полимерной изоляции (см. гл. 5.4.3). При нагревании (с постоянной скоростью) заряженного образца образуется ток деполяризации, или ток термостимулированной деполяризации (ТСД). Метод ТСД широко используют при изучении релаксационных переходов (Tс, Tт и др.) в по­лимерных диэлектриках, а также закономерностей накопления и переноса носителей заряда.

Составляющая тока, которая не изменяется со временем прило­жения постоянного напряжения, представляет собой стационарный поток электрически заряженных частиц, разряжающихся на электродах, и называется током сквозной проводимости Iск (сквозным током I, или остаточным током). По величине сквозного тока определяют удельную объемную (или поверхностную) электропроводность ди­электрика.

Ток сквозной проводимости обусловлен направленным движением носителей заряда, поставляемых ионогенной примесью, самим ди­электриком и в сильных полях инжектируемых из электродов, и со­провождается обязательным их разряжением на электродах.

Только в результате разряжения носителей заряда на электродах (положительным ион принимает электрон(ы) из катода, а отрицательный ион отдает электрон(ы) ано­ду) во внешней цепи возникает электрический (электронный) ток, измерив величину которого, можно определить удельное объемное (или поверхностное) сопротивление диэлектрика. Если носители заряда не смогут преодолеть потенциальный барьер на границе диэлектрик—металл, то они не разрядятся на электродах и в приэлектродных областях образуют объемные заряды, которые создадут в диэлектрике электрическое поле, направленное противоположно приложенному полю.

Ток сквозной проводимости измеряют тогда, когда после прило­жения к образцу постоянного напряжения ток абсорбции спадет практически до нуля. Это время составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут и определяется экспериментально.

Величина тока сквозной проводимости при длительном прило­жении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимических процессов, а также образования объ­емных зарядов. Величина сквозного тока не изменяется только при чисто электронном типе проводимости. Если при длительном прило­жении постоянного напряжения к твердому или жидкому диэлектри­ку ток сквозной проводимости со временем продолжает уменьшаться (см. рис. 3.3, кривая 2), значит электропроводность данного мате­риала обусловлена в основном ионами примеси и уменьшается в ре­зультате электроочистки образца. Ток сквозной проводимости также уменьшается, если носители заряда, подходя к электродам, не разря­жаются (из-за высокого потенциального барьера на границе ме­талл—диэлектрик). Накапливаясь в приэлектродных областях, носи­тели заряда образуют объемные заряды (положительный — у катода и отрицательный — у анода), препятствующие прохождению тока. Объемные заряды в приэлектродных областях могут также образовы­ваться (в сильных полях) в результате инжекции зарядов со стороны электродов, однако в этом случае знак объемных зарядов соответст­вует полярности электродов (см. гл. 7.15.5).

Таким образом, если до приложения электрического поля ди­электрик был электронейтральным, т.е. суммарный заряд всех его микрообъемов был равен нулю, то после приложения поля, в резуль­тате перемещения зарядов (в том числе инжектированных из элек­тродов) на макроскопические расстояния и закрепления части из них на ловушках, электронейтральность нарушается, и в диэлектри­ке возникают объемные заряды. Образец поляризуется. Объемные заряды образуются при прохождении как тока смещения, в частно­сти тока абсорбции, так и тока сквозной проводимости.

Если же ток сквозной проводимости увеличивается (см. рис. 3.3, кривая 7), то это указывает на участие в образовании электрического тока собственных зарядов материала, являющихся его структурными элементами, т.е. имеет место электролиз. В этом случае материал ста­реет — в нем протекают необратимые электрохимические процессы, постепенно приводящие к разрушению (пробою) образца (см. гл. 5). Например, приложив к нагретому неорганическому стеклу постоян­ное напряжение, можно наблюдать благодаря его прозрачности, как в стекле продукты электролиза, в частности выделяющийся на катоде металлический натрий, образуют ветвистые отложения — металличе­ские дендриты (подробнее см. гл. 5.4.3). При достаточном времени прохождения тока дендриты могут прорасти сквозь всю толщину ди­электрика от катода к аноду и образовать проводящий канал.