|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Пробой твердых диэлектриков и полупроводников |
 | |
Анимация
Описание
Пробой диэлектриков - потеря диэлектриком диэлектрических свойств при наложении электрического поля с напряженностью выше определенного значения. Пробой диэлектриков означает резкое уменьшение их электрического сопротивления R (соответственно - рост проводимости), наступающее либо при выделении джоулевой теплоты, когда возрастает число подвижных носителей зарядов (тепловой пробой), либо при достижении напряженности Е электрического поля, вызывающего генерацию носителей зарядов (электрический пробой) некоторого критического значения, называемого электрической прочностью Еbr. электрическая прочность "хороших" диэлектриков (слюды, кварца и др.) составляет ~ 106-107 В/см, полупроводников - в широком диапазоне: Еbr ~ 10 -1-106 В/см.
В диэлектрическом (или полупроводниковом) кристалле пробой связан с образованием тонкого проводящего канала (шнура) в котором плотность тока j существенно больше, чем средняя по всему объему диэлектрика (или полупроводника). Шнурование тока возникает, когда производная ∂E/∂j < 0, т.е. имеет место отрицательное дифференциальное удельное электросопротивление диэлектрика или полупроводника.
Несмотря на то, что площадь поперечного сечения токового шнура во много раз меньше площади поперечного сечения тела диэлектрика или полупроводника, практически весь ток протекает через шнур. Шнурование тока возникает, если вольтамперная характеристика (ВАХ) диэлектрика или полупроводника существенно отклоняется от закона Ома, и принимает, в частности, S - образную форму.
Такая ВАХ характерна для веществ, удельная электропроводность которых быстро растет с увеличением температуры (из-за увеличения концентрации носителей заряда или их подвижности) нагревание за счет джоулева тепла приводит к увеличению проводимости и аномальному росту тока. Состояние с однородным по сечению распределением плотности тока j неустойчивы на падающем участке S - образной характеристики, когда заданный (сопротивлением нагрузки) ток I >I1, но меньше I2.
Рис. 1
Зависимость силы тока I от напряжения U при шнуровании тока (сплошные кривые - устойчивые участки ВАХ, пунктирные - неустойчивые; нижний и верхний участки сплошных кривых соответствуют однородному распределению плотности тока, средний - образованию токового шнура; стрелками на пунктирных кривых показаны скачки напряжения, сопровождающие возникновение и исчезновение шнура при увеличении- уменьшении тока).
Толщина l переходного слоя от области высокой плотности тока в шнуре к окружающей его области с низкой плотностью тока определяется теплопроводностью, диффузией носителей заряда и т.д. При больших I с ростом тока лишь увеличивается R, напряжение же U не меняется и равно так называемому напряжению поддержания пробоя Ubr ; в этом режиме участок ВАХ- сплошная вертикальная прямая. Наличие вертикального участка ВАХ - характерный признак шнурования тока.
Плотность тока в шнуре может достигать больших величин, что часто приводит к разрушению диэлектрика или полупроводника с образованием сквозного отверстия, либо проплавлению, с образованием канала в теле диэлектрика или полупроводника; в канале могут протекать химические реакции, например, в органических диэлектриках осаждается углерод, в ионных кристаллах - металл (металлизация кристалла ) и т.п.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
В горнодобывающей промышленности для разрушения горных пород; образования сквозных отверстий в машиностроении (прошивки материалов) и т.д.
При туннельном механизме увеличения концентрации носителей (имеет место в ограниченном числе случаев, например, при пробое тонких р-n переходов) электрический пробой может быть обратимым (зинеровский пробой) и это позволяет использовать его в электронике.
Реализации эффекта
Вариант 1. Способ осуществления электрического пробоя твердого диэлектрика точечными электрическими электродами посредством импульсного электрического разряда показан на рис. 2.
Техническая реализация пробоя импульсным разрядом
Рис. 2
Обозначения:
1 - тепло диэлектрика;
2 - электроды;
3 - импульсная разность потенциалов электрического поля.
Вариант 2. Способ разрушения твердого диэлектрика посредством импульсного электрического разряда показан на рис. 3.
Способ разрушения твердого диэлектрика посредством импульсного электрического разряда
Рис. 3
Обозначения:
1 - тепло диэлектрика;
2 - пластинчатые термостойкие электроды;
3 - разность потенциалов электрического поля.
Литература
1. Сканави Г. И. Физика диэлектриков. Область сильных полей. - М., Л., 1958.
2. Франц В. Пробой диэлектриков / Пер. с нем. - М., 1961.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
