Электрический пробой в твердых диэлектриках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В данной работе будет изучен процесс под названием «Электрический пробой в твердых диэлектриках». Так же будет изучены темы из ряда «Твердые диэлектрики, их классификация физические, и химические свойства.», «Основные экспериментальные законы пробоя твердых диэлектриков», «Потери энергии электрона при взаимодействии с ионами кристалической решотки», «Теория ударной ионизации медлеными элетронами Хиппеля-Каллена», «Энергитический анализ импульсной электричесой прочности твердых диэлектриков», «Теория ударной ионизации быстрыми электронами Фрелиха.»

«Теория перегревной электричесокй неустойчивости».

Предисловие.

«Твердые диэлектрики»

Это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими, механическими свойствами. Например, диэлектрическая проницаемость меняется от значения, незначительно превышающего 1, до более чем 50000, в зависимости от типа диэлектриков: неполярный, полярный, сегнетоэлектрик. В главе 1 приводились определения различных типов диэлектриков. Вкратце коснемся этих определений применительно к твердым диэлектрикам.

Неполярный диэлектрик - вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью.

Полярный диэлектрик - вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры.

Сегнетоэлектрик - вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией.

Особенности механизмов проводимости в твердых диэлектриках - концентрация носителей очень мала, подвижность ионов в гомогенных материалах очень мала, подвижность электронов в чистых материалах велика, в технически чистых - мала. Механизмы электропроводности различны в разных веществах. Ионная проводимость реализуется у полидисперсных диэлектриков (картон, бумага, гетинакс, дерево) и ионных кристаллов. В первом случае ионы передвигаются по границам раздела, образованным слипшимися дисперсными частицами. Появление носителей заряда сильно связано с влажностью этих материалов и определяется, как рассматривалось в лекциях 2 и 9 диссоциацией примесей и полярных групп основного вещества на поверхности раздела. В случае ионных кристаллов, в проводимости участвуют ионы основного вещества, примесей, дефекты структуры. Электронная проводимость реализуется у титанатов бария, стронция и т.д., электронная, дырочная и ионная проводимость у полимеров.

Все диэлектрические материалы можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические материалы.

Неорганические диэлектрики: стекла, слюда, керамика, неорганические пленки (окислы, нитриды, фториды), металлофосфаты, электроизоляционный бетон. Особенности неорганических диэлектриков - негорючие, как правило, света-, озона, - термостойки, имеют сложную технологию изготовления. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, склонны к старению на постоянном напряжении.

Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков - горючи (в основном), малостойкие к атмосферным и эксплуатационным воздействиям, имеют (в основном) простую технологию изготовления, как правило, более дешевы по сравнению с неорганическими диэлектриками. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов.

Применение в энергетике:

- линейная и подстанционная изоляция - это фарфор, стекло и кремнийорганическая резина в подвесных изоляторах ВЛ, фарфор в опорных и проходных изоляторах, стеклопластики в качестве несущих элементов, полиэтилен, бумага в высоковольтных вводах, бумага, полимеры в силовых кабелях;

- изоляция электрических приборов - бумага, гетинакс, стеклотекстолит, полимеры, слюдяные материалы;

- машин, аппаратов - бумага, картон, лаки, компаунды, полимеры;

- конденсаторы разных видов- полимерные пленки, бумага, оксиды, нитриды.

С практической точки зрения в каждом случае выбора материала электрической изоляции следует анализировать условия работы и выбирать материал изоляции в соответствии с комплексом требований. Для ориентировки целесообразно разделить основные диэлектрические материалы на группы по условиям применения.



1. Основные экспериментальные законы пробоя твердых диэлектриков

Движение свободных электронов в твердом веществе имеет сложный характер. Поэтому математическое описание процесса развития пробоя встречает большие трудности. При некоторой напряженности электрического поля свободные электроны накапливают энергию, достаточную для познания молекул диэлектриков. У электрода с малым радиусом кривизны сначала возникает очень тонкий канал разряда, которой заполняется газообразными продуктами. Это приводит к значительному увеличению числа свободных электронов и дальнейшему развитию канала и его вылетанию. Разветвленные каналы имеют форму (рис. 11.6). Область, занимаемая каналами разряда, растет и достигает противоположного электрода. Завершение пробоя может сопровождаться механическим разрушением диэлектрика.

В зависимости от характеристик диэлектрика, рода напряжения и условия проведения опыта можно установить три основных вида пробоя.

1. Электрический пробой диэлектриков возникает в результате чисто электрических явлений при условии, что в процессе приложения напряжения (прохождения тока) исключены химические изменения в диэлектрике или его перегрев за счет выделяющейся энергии.

2. Тепловой пробой связан с разогревом диэлектрика вследствие выделяемой в нем энергии при приложении напряжения. Если с повышением температуры выделяемая энергия увеличивается, то при некотором напряжение, называемом напряжением теплового пробоя, тепло деление в диэлектрике превысит теплоотдачу в окружающую среду. Это обусловливает непрерывный рост температуры во времени и разрушение диэлектрика.

3. Пробой, связанный с развитием частичных разрядов, возникающих в ослабленных участках диэлектрика, вызывает разрушение диэлектрика в процессе воздействия таких разрядов.

Такая классификация является достаточно условной, так как пробой твердых диэлектриков во всех случаях приводит к возникновению канала разряда. Это означает, что в локальной области диэлектрика происходит фазовый переход первого рода твердого вещества в состояние газовой плазмы. Такой процесс возможен лишь при локальном перегреве вещества диэлектрика за счет выделившийся в нем энергии.

Под электрическим видом пробоя обычно подразумевается пробой при кратковременном (импульсном), а под тепловым при длительном приложении напряжения.

С физической точки зрения главные различия между ними состоят в следующем. В первом случае основным носителями заряда, ответственными за нарушение электрической прочности, являются электроны, а отводом тепла канала разряда можно пренебречь. Во втором случае такими носителями заряда являются преимущественно ионы и соответствующий учет отвода тепла необходим.

Кроме того, возможны смешанные виды пробоя, а также пробои, связанные с химическими изменениями диэлектрика под действием приложенного напряжения (например, электрохимические процессы при постоянном напряжении, разрушение диэлектрика озоном и оксидами азота, образующимися в результате частичных разрядов, и.т.д)

Пробивное напряжение в однородном поле почти линейно возрастает с увеличением толщины диэлектрика d, начиная с несколько десятков микрон. Поэтому электрическая прочность материала характеризуется определенным значением пробивной напряженности в отсутствие дифектов, которая нызыветься внутренней электрической прочностью диэлектрика и завист от химического состава и структуры твердого диэлектрика. Для щелочно-галлойных кристаллов установлена линейная связь между и энергией кристаллической решетки (рис 11.1).

Внутренняя электрическая прочность зависит от физического состояния диэлектрика. Обычно электрическая прочность мало изменяться с изменением температуры до некоторого критического значения последней и резко падает при дальнейшем возрастании температуры.

В сильно неоднородном поле (острие-плоскость) при малых радиусах кривизны острия (r 10мкм) средняя пробивная напряженность практически не зависит от радиуса, а расчетное значение напряженности электрического поля у поверхности иглы при пробое значительно превышает электрическую прочность в однородном поле. Это эквивалента тому, что радиус кривизны острия несколько увеличивается. Указанное явление связано с инжекцией носителей зарядов из иглы в диэлектриках. При отрицательной полярности иглы происходит эмиссия электронов с поверхности иглы в диэлектрик, где они оседают на локальных уровнях (ловушках), всегда присутствующих в реальных диэлектриках, при этом вблизи острия создается отрицательный объемный заряд, действие которого аналогично увеличению радиуса иглы действительности не превышает внутренней электрической прочности диэлектрика.

При положительной полярности острия вблизи него образуется положительный объемный заряд в результате того, что часть электронов, сорванных с локальных уровней и возникших за счет автоионизации в объеме диэлектрика вблизи острия, нейтрализуется на острие. При этом объемный заряд ограничен, так как в обычных условиях в объема около острия имеется мало электронов на дискретных уровнях.

Объемный заряд, накапливающийся в диэлектрические в процессе воздействия напряжения, существенно сказывается на пробивных процессах.

Так, например, предварительное воздействие постоянного напряжения противоположной-полярности относительно полярности воздействующего затем импульсного напряжения приводит к значительному снижению пробивного напряжения. Это объясняется возникновением у поверхности электрода инжектированного объемного заряда со знаком, противоположенным полярности у поверхности электрода и к снижению пробивного напряжения. Степень снижения пробивного напряжения при этом зависит от крутизны воздействующего импульса (скорости, изменения напряжения): чем выше эта скорость, тем сильнее сказываются предварительное воздействие постоянного напряжения.

То же относиться к предварительному воздействию импульсного напряжения противоположной полярности, причем влияние этих импульсов на снижение пробивного напряжения зависит от длительности и числа поданных импульсов.

Установлено также, что предварительное воздействие постоянного или импульсного напряжения с полярностью, совпадающей с воздействующим затем импульсным напряжением более высокой амплитуды, проводит к повышению пробивного напряжения, что объясняется созданием заряда той же полярности, что и у электрода, который уменьшает напряженность электрического поля у поверхности электрода. Время, в течение которого сказывается предварительное воздействие постоянного или импульсного напряжения, определяется временем релаксации объемного заряда, т.е.глубиной ловушек, на которых оссели инжекторные носители.

Большинство диэлектриков, применяющих на практике, отличаются неоднородность своей структуры. Наличие в однородном диэлектрические включений, обладающих повышенной проводимостью ил электрической проницаемость , значительно снижает его электрическую прочность. Это объясняется искажениями электрического поля, в результате чего максимальная напряженность на поверхности включения может во много раз превосходить среднею напряженность электрического поля. В отдельных элементарных объемах неоднородного диэлектрика напряженность может достигать значений внутренней электрической прочности материала при более низкой средней напряженности.

Неоднородность структуры твердого диэлектрика не только снижает его электрическую прочность, но увеличивает также разброс пробивного напряжения.

Очень важное значение для импульсных пробивных напряжений твердой изоляции имеет кумулятивный эффект, т.е. последовательное накопление мелких разрушений, приводящих после достаточного числа импульсов к пробою. В этом отношении необходимо различить два вид диэлектриков. В диэлектриках первого вида происходить полное или почти полное восстановление прежних диэлектрических свойств после приложения импульса, создавшего частичное разрушение. К ним относиться стекло, в котором при повторении импульсов неполный пробой возникает каждый раз в новом месте, а последующие разряды не идут по пути предыдущих. Это объясняется, по-видимому, направленным нарушенной области. Ко второму виду диэлектриков, в которых в основном сохраняются изменения, вызванные неполным пробоем, относиться кристаллы и большинство твердых органических диэлектриков. В них при повторных импульсах разрушения обычно идут по тем пути, что и предыдущие, удлиняя их.

При экспериментальном определении электрической прочности твердых диэлектриков необходимо учитывать влияние окружающей среды. Применение для пластин твердого диэлектрика электродов, создающих в средней своей части слабо неоднородное поле, почти всегда приводит к возникновению местных разрядов в окружающей среде у краев электродов.

Если электрическая прочность твердого диэлектрика равна , а жидкого , то для того чтобы предотвратить возникновение местных разрядов в окружающей среде, искажающих поле и снижающих пробивное напряжение твердого диэлектрика, необходимо, чтобы при переменном напряжении

Аналогично при постоянном напряжении для предотвращения местных разрядов

Таким образом, для получения предотвращения местных разрядов следует помещать испытуемые образцы либо в среду с повышенной диэлектрической проницаемостью (при переменном напряжении), либо в среду с повышенной проводимостью (при постоянном напряжении).

Поскольку , то условия (11.2) или условия (11.3) трудно выполнимы. В некоторых случаях местные разряды могут быть устранены путем придания испытуемым образцам специальной формы (рис. 11.2).



Так же каки в газообразных и жидких диэлектриках, форма поля сильно влияет на электрическу. Прочность твердых диэлектриков.

На рис 11.3 в качестве примера представлены зависимости пробивного напрежения от толщины для эпоксидного компаунда при различных формах электродов. Как следует из этого рисунка, при достаточно больших расстояних между электродами изменения формы поля ожет вызывать изменение электрической прочности в несколько раз.

В сильнонеоднородном поле электрическая прочность твердых диэлектриков зависит от полярности лектродов (рис 11.4) причем обычно меньшие пробивные напряжения соответствуют роложительной полярности электрода с малым радиусом кривизны. Влияние полярности электродов для твердых диэлектриков выражено слабее, чем в газобразных, и приводит к различию в прбивных напрежениях в пределах 20-50%.

Влияние площади электродов на пробивное напрежение происходит по тем же закономерностям, что и для жидких диэлектриков (см (10.7) и (10. 17)1.

При электрической форме пробоя для времени воздоействи напрежения, соизмеримом со временем развития разряда, наблюдаеться значительная зависимость пробивных напрежений от длительности приложения напрежения, анологичная газооразным и жидким диэлектрикам. В каестве примера на рис 11.5 показаны вольт-секундные характеристики фарфора. Как видно, заметное повышение напряжения с уменьшением длительности его воздействия происходит при временах, значительно меньших, чем в газообразных и жидких диэлектриках. Это объясняеться обычно меньшими толщинами испытуемых образцов вследствиие их большой электрической проччности.

Седняя скорость развития в твердых диэлектриах, так же как и в жидких, при развити разряда с анода выше, чем при развитии разряда с катода. В последнем случае эта скорость не превшает скорось звука в диэлектрике. На пример, средняя скорость развития разряда в коистале каменной соли равна приблизительно м/с при положительном острие и 2* м/с при отрицательном острие.

Для ряда диэлектриков наблюдаеться значительное повышение пробивной напряжености (электрическая упрчнение) при уменьшении толщины диэлектриков до еденицы микрон или даже долей микрона. В качестве примера на рис 11.6 приведена зависимость электрической прочности каменой соли в однородном поле от толщины. Такое электрическое упрочнение обнаруживаеться также в тонких слоях оргстекла, поэлитилена, полистирола и других технических диэлектриков. Для ряда диэлектриков отмечатся минимум пробивного напрежения в области определенных значений толщины диэлектриках.

В твердых диэлектриках, так же как в газах и жидкостях, предразрядное время имеем статистический разброс. При временах действия напрежения более - с меняется механизм пробоя, начинает сказыветься влияние частичных разрядов различной интенсивности, снижающих пробивное напрежение из-за месного разрушения диэлектрика. Дальнейшее увлечение времени воздействиясвязано также с возникновением процессов химисеского и теплового разрушения диэлетрика. Дальнейшиее увелечение времени воздействия связано также с возникновением процессов химического и теплового разрушения диэлектрика, снижающих электрическую прочность.

2. «Электрический пробой в твердых иэлектриков»

При описании процесов, приводящих к нарушению электрической прочности твердых диэлектриков, и при разработке соответствующих квантомеханических теорий используеться два подхода. В основе одного из них лежат представления об удрной ионизации, другой - о перегревной электрической неустойчивости в твердых диэлектриках.

Принципиальное рзличие между ними состоит в следующем. Теории ударной ионизации предпологают необходимость и возможность того, что электроны проводимости в электрическом поле могут иметь энеогию , превышающую велечину запрещной зоны . Это происходит в том случае, если при определеных условиях часть электронов приобретает способность ускоряться до необходимых энергий, что приводит к изменению их функции распределения за счет появлеия так называемых «убегающих» электронов.

Перегревная неустойчивость наблюдеться в том случае, когда температура электронов также превышает температуру кристалической решетки. Но это вид неустойчивости приводит к пространственому перераспределению ранее однородного потока электронов и соответствено электрического поля и плотности тока в диэлектрике. Требование при этом отсутствует.

3. «Потери энергии электрона при взаимодействии с ионами кристалической решотки»

При взаимодествии электронов с ионами кристалической решетки в твердом диэлектрике возбуждаються колебания ионов, вызывающие волновые процесы в кристале. Для частного случая одномерной цепочке чередующихся ионов разных знаков с массами и уравнения упругих колебаний ионов имеют вид

Где -коэффицент упругой связи ионов; - смещение иона с номером n.



При возростании k значения v слабо уеньшаються (рис.11.8). Отрицательный знак квадратного корня (11.8) соответствует колебаниям акустической ветви, для которых при К0 0. Для этих колебаний разность фаз смещения ионов разных знаков лежит в пределах от 0 до /2.

При малых энергиях электрона потерии энергиях электрона потери энергии в основном определяються взаимодействием с оптическим колебаниями решетки. Средние потери энергии В в еденицу времени зависят от энергии электрона Wе (рис 11.9). При малых энергиях лектрона потери энергии в основном определяются взаимодействием с оптическими колебаниями решетки. Средние потери энергии В в еденицу времени зависят от энергии электрона (рис.11.9). При малых велечина В также мла при больших

Значение В понижеться с повышением вследствие уменьшения времени взаимодействия частиц. Характерная зависимость В от представлена на (рис.11.9).

При малых велечина В также мала, при больших значение В понижеться с повышением вследствие уменьшения времени взаимодействие уменьшения взаимодействия частиц. Характерная зависимость В от прдставлена на рис 11.9.

4. «Теория ударной ионизации медлеными элетронами Хиппеля-Каллена»

Соглассно теории Хипеля-Каллена критерием пробоя являются условия, достаточные для оброзования лавины электронов в твердом диэлектрике, при этом прдпологается, что требуемую для ионизации энергию электроны не приобретают за время между двумя столкновениями, а накапливаютпосле нескоольких стоолкновений. Для этого неоходимо, чтобы энергия, приобретаемая в электрическом поле в еденицу времени, была больше теряемой в еденицу времени за счет взаимодействия электрона с кристалической решоткой.

Энергия В, затрачиваемая электроном на колебания решетки в еденицу времени, равна:

В зависимости В от энергии эектрона соглссно рис. 11.9 и прохидит через максимум при

Энергия А, приобретаемая в поле еденицу времени,

Где - направленая скорость электрона; - масса электрона; -время между двумя столкновениями (или время релаксции, в течение которго импульс электрона уменьшаеться в е раз).

Время между двумя столкновениями определяеться суммой вероятностией и :

Если напрженость поля Е увеличиваеться настолько , что энергия А, получаемая электроном в едницу времени от поля, станет равна или больше максимально возможных потерь В, то энергия электрона будет увеличеваться и может достичь значений энергии ионизации; при этом возможны ударная ионизация электронами и оброзование лавины электронов. Лавина электрогов, движущаяся к аноду, остовляет за собой положительный объемный заряд, искажающий поле и усиливающие ударную ионизацию. Дальнеший\ее развитие этого процесса приводит к пробою дилектрика.

Так как максимальные потери нергии электроном соответствуют энергии электрона 4hv, то условия пробоя Хипелю - Каллену имеют вид

Можно показать, что равновесная напреженость электрического поляЮ при которой А=В, определяеться по формуле где



Здесь эфективный заряд иона; = + -/ (+_) - приведеная масса ионов.

Велечина / зависит от hv/ и hv/(кТ), а максимальное значение определяет электрическую прочность диэлектрика (рис. 11.10). Это максимальное значение приблизительно соответствует = . Согласно рис. 11.10 электричесая почность зависит от емпературы, причем при Т=0 /=1. С повышением температуры по этой теории электрическая почность некоторых диэлектриков доложна несколько возростать , что эксперементально потверждаеться в оперделеном диапозоне температур (напремер, для кристалов каменной соли, кварца и др.)

В теории Хиппеля-Каллена прелпологаеться, что если нет достаточно сильного поля, то быстрые электроны с энегией, близкой к энергии ионизации, практически отсутствуют. Таким образом, при определеных значениях напрежености возникают условия для ускорения едленых электронов, поэтому ее часто называют «теорий пробоя медлеными эллектронами».

5. «Теория ударной ионизации быстрыми электронами Фрелиха»

Соглассно теории Фрелиха в осутствие электрического поля в твердом диэлектрике иметься определения вероятность наличия «быстрых» электронов роводимости с энергиями, близкими к энергиям ионизации, хотя подовляющие количство электронов имеет значительно меньшю энергию.Исходя из этого, Фрилих считает, что нарушение электрической прочности наступет тогда, кгда поле начинает ускорять лектроны, обладающие энергией, близкой к энергии ионизации.

В этой теории испльзуеться анологичные зависимости для энергии А, приобрретаемой электроном в поле в еденицу времени согласно (11.13), и для энергии В, теряемой электроном в еденицу времени при взаемодействии с решоткой в соответсвии с (11.11) - см. рис 11.9. Однако поскольку более быстрые электрон движуться в диэлектриках с меньшим числлом столкновений, то (11.13) время между двумя столкновениями сущеситвенно больше, чем для электронов, причем

Поэтому для быстрых электронов

Где

Так как для быстрых электрронов , то необходимо рассматривать правую ниспадающую часть кривой В=( (см.рис.11.9), для которой



Следует

Таким образом, с увелечением напряжености поля (рис.11.11, ) уменьшаеться энергия электронов , при которой имеет место условие равновесия (точка пересечения кривых нп рис 11.11 смещена влево, ), при этом ускоряеться электроны с энергией вызывают ударную ионизацию дополнительно к той, которая создаеться быстрыми электронами, оброзовавшимися вследствие тепловых флуктуаций в отсутсвие поля. Это приводит к увелечению количества электронов в зоне проводимости и числа ионизаций в еденицу времени, что соответствует нестационарному состоянию. Такое нестационарное состояние закнчиваеться пробоем диэлектрика в том случае, если интервал энергии от



очень мал. Поэтому условие, при котором возникает нестационарное состояние, или условие пробоя твердого диэлектрика, в этом случае имееи вид

Так как энергия, приобретаемая электроном в поле в еденицу времени и определения по теории Хипеля - Каллена, больше, чем эта же энергия по теории Фрелиха

То пробивная напряженость в первом случае будет выше, чем во втором,

Физическая картина процесса пробоя твердых дилектриков, вытекающая из описаных выше теорий ударной ионизации, может быть представлена следующим образом. Расмотрим электрон, движующийся в зоне проводимости при наличии электрического поля (рис. 11.12, а). Испытывая столкновения с частицами решетки после каждого свободного пробега (длина I), электрон теряет частть энергии . Если в точке произошло неупругое столкновение, в результате которого электрон зогы на уровне В, отдает энергию, достаточною для перехода в зону проводимости (.= +.), то последней поподает из нормальной зоны в зону проводимоси. В этом случае доля энергии = +. Если электрон зоны проводимости находился при этом в верхней части этой зоны и, кроме того, глубина зоны проводимости ольше глубины запрещенного участка+., то первый электрон также останеться в зоне проводимости. Продолжение этого процесса приводит к лавинообразному нарастанию электронов в зоне проводимости диэлектрика и его пробою.

Однако этот механизм возможен лшь в том случае если электрон при своем движение в зоне приводимости и частичных потеряях энергии при взаимодействии с решоткой может попасть в верхнию часть зогы проводимости. Это возможно лишь при достачно большом наклоне зон, т. При достаточно высокой напряжености электрического поля.

Анологичноый процесс возможен вследствии премещения электронов в нормальной зоне. Так как этот процес возможен лишь при наличии свобоных мест в нормальной зоне («дырок»), то в даном случае следует расматривать перемещение дырки (рис.11.12), которая движиться от анода к катоду. Потеря нергии электроном соответствует подъему дырки на более высокие энергитические уровни. При своем движении (при остаточно большом наклоне зон) дырка может попасть в нижнюю часть нормальной зоны. Далее, пр взаимодействии в точке вух электронв нормальной зоны. Далее, при взаимодействии в точке двух электронов нормальной зоны один передает другому энергию +., достаточчную дл перехода в зону проводмости, а сам перемещяеться в нижнию часть нормальной зоны . Такой случай возможен, если ширина нормальной зоны больше ширины запрещеного участка; +.

При напряжености - кв/мм небольшое приращение напрежения вызывет лавиное нарастаниеттока вслествие резкого увелечения числа электронов и дырок, что заканчиваетться пробоем диэлектрика.



6. «Теория перегревной электричесокй неустойчивости»

Элктрическая неустойчивость в полупроводниках впрвые обнружена в 1963г. В настоящее время это явление орошо иучено и широко ипользуеться в электроной технеке. Возможность существования этого вида неустойчивости в диэлектриках при воздействии на них сильных электрических полей была теоретически устоновлена Ю.Н. Вершининым с сотрудниками в 1975 г.

Напоминанием основные положения теории перегревной электрической неустойчивости. Условием, необходимым для возникновения перегревной электрической неустойчивости, являетьс наличие участка с отрицательным дефферениальной проыодимость 0 на ВАХ. Это условие имеет вид. диэлектрик ионизация кристаллический решетка

В зависимости от соотношении знаков числития и знаменатиля в (11.28) ВАх имеет различный вид. Если числитель болье нуля, а знаменатель меньше нуля., ВАХ имеет N-образный вид. При обратномсоотношении знаков ВАХ имеет S-образный вид (рис.11.13).

Если инжектированные в диэлектрическах электроны (разряд с катода) оказваются в области 0, то флуктуации объемного заряда и соответственно поля и тока рассасываеться с характерным максвелловским временем релаксации.

В условиях когда 0, эволуция флуктуации зависит от типа ВАХ. При N-образной ВАХ продольная флуктуация поля и заряда перемещения со скоростью (Е) [(Е)-зависищая от напряжености поля подвжность электронов] и нарастает во времени, образуя домен эл.поля. Если жеВАХ S-типа, то продольные флуктации затухают, а поперечные нарастают. Результирующие неоднородноеисостояние имеет вид шнура тока.

По анологии с критерями ударной ионизации (11.17) интервал эл.полей (см.11.13), в пределах которых выполняеться условие 0, назван критерием перегревной неустойчивости.

Возможность появления перегревной неустойчивости ВАХ ЩГК имеют S-образный вид с участком 0.

Это означает, что перегревная неустойчивость приводит к шнурированию тока. Во-вторых, численннные значния критериев уданой ионизации и перегревной неустойчивости практически совпали (табл 11.1). В-третьих, степень соответствия этих критериев и пробивной напрежености поля ЩГК, найденой эксперементально, являеться одиноковой. Надо при этом иметь в виду, что значение критериев определены в предположении, что эфиктивная масса электрона проводимости равна массе покоя, т.е =.

Физический смысл полученых результатов стоит в следующем. В электрических полях, соответствующих указаным критериям и при энергиях электронов, равнных примерно начинают развиваться раличные виды не устойчивости в системы электронов проводимости. Одновременно с изменением функции распределения происодит и их пространственное перераспределение.

Вопрос о тот, какой вид неустойчивости приведит рузультате к оброзованию канала разряда и пробою, завист от многи условий. Прежде всего, от того, до каких значений может возрасти энергия электронов в зоне проводимости. Расмотрим это условие подробнее. Напомним, что энергия свободного электрона описываеться выражением (9.79)

Выражение (11.29) называеться аконом дисперсии, а соответствующий график предстовляет собой квадратную параболу (рис.11.14).

В этих условиях энергия электронов и их скорости



Не имеют ограниченый.

Для электронов, находящихся в зоне проводимости, закон дисперсии (11.29) имеет другой, отличный от параболы вид. В этом случае скорость электронов имеет ограничения «сверху»(рис 11.5).

Если это ограничние происходит при энергиях, превышающих ширину запрещеной зоны, то ударная ионизация валентных электронов электронами проводимости возможна. Такая ситуация имеет есто а полупровдниках.

Если же соотношение этих энергий являеться обратным, то указаный процесс ударной ионизации невзможен.

На рис 11. 16 приведены графики законов дисперсии (к) для электриков в зоне проводимости кристалов NaCl. Из этих графиков следует, что электроны проводимоси, появившиеся у «дна» зоны проводимости, могут достичь максимальной скорости, соотвествующей энергии 2эВ. В этом

Случае возможна лишь ударная ионизация локальных примессных центров, но не валентных электронов.

Таким образом, можно утверждать, что кристалических диэлектриках, по крайне мере относящихся к щелочно -галойдному ряду, возикновение канала разряда не связоно с механизмом ударной ионизации.

Экспериментальным потверждением этого являеться тот факт, что скорость разряда с отрицательного электрода -катода в щелочно-галойдных кристалах не превосходит скорость звука (рис.11.17),

Этот результат предстовляет интерес также с теоритической точки зрения. Дело в том, что при разряде с катода ответственым за пробой являються электроны, инжектированые в зону проводимости из катода. При теоритическом анализе особенностей их двиеия в зоне проводимости под

Действием внешнего эл.поля основное внимание уделяеться обычно их взоимодействию с оптическим колебаниями решетки. Именно это являеться основой описанных выше теорий-ударной ионизации Хипеля-Каллена, Фрелиха и теории перегревной неустойчивости в диэектриках Вершинина. Очевидно, что на начальном этапепроцесса то действительно имеет место. Однако на завершающем этапе процесса формирования разряда, приводящего к возникновению какнала пробоя, основную роль доложно играть взаимодействие электронов с акустическими колебениями решетки.



7. «Энергитический анализ импульсной электричесой прочности твердых диэлектриков»

Энергитический анализ свойств твердых тел, в том числе и твердых диэлектрков, имеет длительную историю. В его основе лежит стремление найти корреляционую или функциональную связь между свойством твердого тела и энергической характиристикой его молекулярной струтуры.

В облости диэлектриков наибольшей известностью иследованияя А.А. Воробьева и Е.К. Завадской с сотрудниками, которые показали существование зависимости разнобразных физических свойств и твердых диэлектриков, в ом числе и электрической прочности, от их энергии решетки W ккал/моль (см. рис. 11.1).. Основной недостакток вариата энергитического анализа состоял в том, что единая корреляционная зависимрость, в частоте (W), наблюдалось только в пределах одного гомологического ряда.

Сопостовление диэлектриков с различными молекулярным строением при этом было невозможно.

В работах Ю.Н. Веришина была предпринята попытка устронить этот недостаток и найти такую корреляционную зависимость, которая была бы общей для твердых диэлектрическов как органического, так и неорганичемкого происхождения, относящихся к разным гомологически рядам. Ии была прдложена другая энергитическая характиристика, которая и расчитываеться с учетом его физических свойств и особеностей молекулярного строения.

В грубом приблежении она отражает изменение внутреней энергии еденицы объема твердого диэлктрика при его переходе в процессе формирования канала из твердого состояния в состояние частично ионизованной газовой плазмы.

В наиболее общем вмде удельная нергитическая характиристика , ккал/, вычеслить по формуле.



Где 1.08-коэфициент, учитыающий силы отталкивания в плотной плазме: -плотность диэлектрика, г/;

М-молярная (формульная) масса, г/моль: -суммарная энергия связей в молекуле, ккал/моль, т.е. энергия, необходимая для преврощения одной грамм-молекулы твердого тела в атомной пар: n-число атомов, облодающих минимальной энергией ионизации , ккал/г-атом.

В зависимости от строения диэлектрика значения слагаеться из энергии сублимации и энергии дисоциации. Так, напримеор, для органических диэлектриков.

Где - энергия диссоциации связий, ккал/моль: - число диссоциированных связей с энергей . Значения , и находятся по соответствующим справочника. При расчете дисоциация связей учитываеться начиная с минимальных значений D и производиться до тех пор, пока сохряняется условие

Импульсная электрическая прочность твердых диэлектриков почти линейно увеличиваеться с ростом и может быть расчитана по формуле.

Где U -имульсная пробивная напряжение, кв: к-коэфицент, учитовывающий форму поля и полярность импульса [к=1 для электронов (+) острие - плоскость: К =1.52 для электродо (-) острие-плоскость: к=1.82 для лектродов шар-плоскость]: к=0.75+0,5Р-коэффициент, учитывающий вероятность пробоя Р в пределах 0,1Р0,9: К(,d) = - коэффицент, зависящий от толщены диэлектрика d, см, и времени воздействия напрежения , мкс: -удельная энергитическая характиристика, ккал/.

Эта методика давала возможность с достаточной для практики точностью расчитывать вольт-секундные характиристики твердых диэлектриков в интервале толщин d2.0 см и времени воздействия напрежения 0.1 10мкс. Ее недостатком являеться то, что для диэлектрических материалов с диэлектрической проницаемостью 10 она приводила к завышенным значениям . Ошибка при этом существенно возрастала с увелечением .

Прямые измерения скорости разряда методом электроно-оптической хронографии позволиои устоновить ряд новых, ранее неизвестных закномерностей динамики этого процесса и послужили основой для дальнейшиго совершенствования методики энегитического анализа. Так, было установлено, что скорость звука в твердых диэлектриках являеться границей раздела между скоростями разряда с катода и анода. Скорость разряда с катода была всегда меньше скорости



Звука (рис.11.17), а скорость разряда с анода от напряжения возникновения разряда и скорость подъеа напрежения dU/dt была выражена более рко (рис.11.18) по сравнению с катодным разрядом.

Не вдаваясь в поробности физического механизма переработки твердого вещества диэлктрика в плазму канала разряда, можно утверждать, что распростронение разряда есть распостранение в тоще диэлектрика фронта фазового перехода первого рода: при этом в зависимаости от того, с какого электрода развиваеться разряд - с катода или с анода, движение этого фронта доложно подчиняться законам соответствено дозвукового или сверхзвукового процесса.

Такая точка зреня на динамику разряда позволяет распостронить на этот поцесс представление и методы мехпники сплошных сред и физики высоких плотностей энергии. Тогда общая система уравнений, описывающих динамику пробоя конденсированных сред, доложна включать в себя уровнения механики сплошных сред (законы сохранения на фронте фазового перехода потоков массы, импульса и энергии), обобщение на наличие электромагнитных полей, электродинамические уравнения Максвелла, кинитические соотношения неравновесных процессов и термодинамические уравнения состояния среды. Эта система уравнений предстовляет собой электродинамическую модель разряда в консированных средах.

После целого ряда упрощений уравнения энергии может быть представлено в виде

- напрежение возникновения разряда, В; -радиус головой части канала, м: -внешний радиус объемного заряда, инжекторнного в трвердый диэлектрик,м: -скорость разряда, м/с; - плотность твердого диэлектрика, кг/; -его относительная диэлиэлектрическая проницаемость: h-изменение энтальпии при фазовом переходе, Дж/кг: =8.85* Ф/м.

Уровнение (11.35) позволяет объяснить природу ряда закономерностей разрда. Так, необходимость возростания напрежения = при пробое на прямоугольных импульсах напрежения связана с исключением из (11.35) члена, содержащего dU/dt. Из эксперемента известно (рис.11.17 и 11.18), что значений и при толщине диэлектрика d м не зависят от d. Это же следует из (11.35), куда значение d не входит.

Из эксперимента известно, что скорость разряда мгновеных значений и dU/dt.

Она остаеться постояной на всей или, по крайней мери, на значительной части разрядного промежутка. Тогда напрежение пробоя равно:

Если разряд возникает и развиваеться при воздействии прямоугольных импульсов (и dU/dt =0. =), то

В формулах (11.35) и (11.37) велечина = есть изменения энтальпии еденицы объема диэлектрика, т.е. по рпзмерности является аналогом энергитической характеристики (11.32). В то же время новая энергитическая характиристика =/() является более универсальной, так как учитывает значение диэлектрической проницаемости.

В настоящие время определение в зависимости от давления Р и температуры Т не предстовляет особых трудностей. Существующие компьютерные програмы позволяют расчитывать состав и термодинамические параметры вещества практически любой сложности в интервалах 1р Па и 0Т К. Пример таких расчетов приведен нп рис 11.19.

Использование этих даных для случая d=м, dU/dt =0, вероятность пробоя Р=50% приводит к эмпирической формуле (рис.11.20)

Сопостовляет (11.37) и (11.38) позволяет опрежелить при этих условиях расчетные значения :

Привденные выше соотношения могут испльзоваться для оценки минимальных значений и , соответствующих минимальным скоростям разряда. При скоростях разрда 2 необходимо дополнительное квантомеханическое описание поведения электроной и ионной подсистем твердого диэлектрика на фронте фазового перехода.

Физическая картина возникает и распостронения разряда, вытекающего из предстовлений о перегревной неустойчивости и электрогидродинамической модели разряда, может быть представлена следующим образом.

Процесс формирования разряда начинается с того момента, когда напреженость поля у какого-либо электродп достигает напрежности эмисси . Как правило, это происходит у лектрона с малым радиусм кривизны поверхности (острия).

При Е=Е, начинаеться инжекция носителей заряда - электрронов в зону проводимости и дырок в валентную - электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону (рис. 11.21). Эксперимитальномпоказого, что инжектирующая поверхность при этом имеет микронные размеры.

Формирование соответствующго гомозаряядаитических зон. приводит к снижению напряжености поля у поверхности электрода и искиривлению энергитических зон. Соотношение Е при этом сохраняется.

При точечной инжекции эффективный радиус объемного гоморазрядника Q зависит от напряжения:



Где к-коэфицент, зависищий от типа и зкономерности распеределния примесных центров в диэлектрики.

При дальнейшем увелечении напрежения U(t) значение и размер Q(t) возростают. Это сопровождаеться непрерывным протиканием тока инжекции через локальную область диэлектрика. Если при этом возникает перегревнаня неустойчивость S-типа, то она способствует шнурированию тока инжекции.

Первый канал разряда в твердом диэлектрике под воздействием инжекционнго тока возникает в диэлектрике через время t= с момента достижения Е=, если

Где t-время запаздывания разряда: J-плотность инжекционного тока: U-падение напрежения в облости гомозаряда: с-теплоемкость: -оэфицент электроной теплопроводности: Т-температура фазового перехода.

После возникновения первичного канала разряда его головная часть начинает выполнятьроль эмитера. При дозвуковы скоростьях распостронения катодного разряда () возможен последовательный переход твердогот вещества диэлектрика сначала в жидкость, а затем в ионизированый газ.

Особеностью развития разъряда с анода являеться то, что ответственным за формирование канала разряда являються не внешние электроны, инжектируемые в диэлектриках, а его собственные валентные электроны =. Бязательный сверхзвуковой характер распотронения канала анодного фактора, способствующего процессу электрической онизации валентных электронов. Таким образом может быть ударная волна, являющаяся неотъемленым следствием сверхзвукового движения и огибающая фронт фазового перехода-головную часть канала разряда. Известно, что давление, которое развиваеться в ударнойй волне, распостраняющейся в твердом теле, приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны W. В интенсивной ударной волне возможен даже переход диэлектрика в состояние электронго проводника (W=0). Таким образом, можно предположить, что сверхзвуковая природа анодного разряда связана с необходимостью формирования ударной волны, являющейся источником электронов.

Тогда в формуле (11.35) при разряде с катода r-эфектиный радиус обемного заряда, а при разъряде с анода - это эфективный радиус ударной волны, огибающей головную часть канала разряда.



Заключение

В даной работе мы изучили проццес под названием электрический пробой в «твердых диэлекктриках». При опсании этого процесса приводящего к нарушению электрической прочности твердых диэлектриков используеться два подхода. В основе одного из них лежат представления об удрной ионизации, другой - о перегревной электрической неустойчивости в твердых диэлектриках. Теории ударной ионизации предпологают необходимость и возможность того, что электроны проводимости в электрическом поле могут иметь энеогию, превышающую велечину запрещной зоны. Это происходит в том случае, если при определеных условиях часть электронов приобретает способность ускоряться до необходимых энергий, что приводит к изменению их функции распределения за счет появлеия так называемых убегающих» электронов.

Так согласно теории Хипеля-Каллена критерием пробоя являются условия, достаточные для оброзования лавины электронов в твердом диэлектрике, при этом прдпологается, что требуемую для ионизации энергию электроны не приобретают за время между двумя столкновениями, а накапливаютпосле нескоольких стоолкновений. Для этого неоходимо, чтобы энергия, приобретаемая в электрическом поле в еденицу времени, была больше теряемой в еденицу времени за счет взаимодействия электрона с кристалической решоткой. В теории Хиппеля-Каллена прелпологаеться, что если нет достаточно сильного поля, то быстрые электроны с энегией, близкой к энергии ионизации, практически отсутствуют. Таким образом, при определеных значениях напрежености возникают условия для ускорения едленых электронов, поэтому ее часто называют «теорий пробоя медлеными эллектронами».

Соглассно теории Фрелиха в осутствие электрического поля в твердом диэлектрике иметься определения вероятность наличия «быстрых» электронов роводимости с энергиями, близкими к энергиям ионизации, хотя подовляющие количство электронов имеет значительно меньшю энергию.Исходя из этого, Фрилих считает, что нарушение электрической прочности наступет тогда, кгда поле начинает ускорять лектроны, обладающие энергией, близкой к энергии ионизации.. Продолжение этого процесса приводит к лавинообразному нарастанию электронов в зоне проводимости диэлектрика и его пробою. Однако этот механизм возможен лшь в том случае если электрон при своем движение в зоне приводимости и частичных потеряях энергии при взаимодействии с решоткой может попасть в верхнию часть зогы проводимости. Это возможно лишь при достачно большом наклоне зон, т. При достаточно высокой напряжености электрического поля.Анологичноый процесс возможен вследствии премещения электронов в нормальной зоне. Так как этот процес возможен лишь при наличии свобоных мест в нормальной зоне то в даном случае следует расматривать перемещение дырки.

При напряжености - кв/мм небольшое приращение напрежения вызывет лавиное нарастаниеттока вслествие резкого увелечения числа электронов и дырок, что заканчиваетться пробоем диэлектрика.

Элктрическая неустойчивость в полупроводниках впрвые обнружена в 1963г.

Возможность существования этого вида неустойчивости в диэлектриках при воздействии на них сильных электрических полей была теоретически устоновлена Ю.Н. Вершининым с сотрудниками в 1975 г.

Напоминанием основные положения теории перегревной электрической неустойчивости. Условием, необходимым для возникновения перегревной электрической неустойчивости, являетьс наличие участка с отрицательным дефферениальной проыодимость 0 на ВАХ. Физический смысл полученых результатов стоит в следующем. В электрических полях, соответствующих указаным критериям и при энергиях электронов, равнных примерно начинают развиваться раличные виды не устойчивости в системы электронов проводимости. Одновременно с изменением функции распределения происодит и их пространственное перераспределение. Действием внешнего эл.поля основное внимание уделяеться обычно их взоимодействию с оптическим колебаниями решетки. Именно это являеться основой описанных выше теорий-ударной ионизации Хипеля-Каллена, Фрелиха и теории перегревной неустойчивости в диэектриках Вершинина. Очевидно, что на начальном этапепроцесса то действительно имеет место. Однако на завершающем этапе процесса формирования разряда, приводящего к возникновению какнала пробоя, основную роль доложно играть взаимодействие электронов с акустическими колебениями решетки.

В этом реферате были расмотренны главные процессы электрического пробоя в твердых диэлектриках.



Список литературы

1. Бортник.И.М, Вещагин.И.П, Вершинин.Ю.Н, и др: .

2. Базуткин В.В., Ларионов В.И., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений. М.: Энергоатомиздат, 1986. 464 с.

3. Техника высоких напряжений / Под редакцией Г.С. Кучинского. СПб.: Энергоатомиздат, 2003. 608 с.

4. Костенко М.В. (ред.) Техника высоких напряжений. М.: Изд-во «Энергия», 1973. 528 c.

Размещено на Allbest.ru

...