Билет №5 (Ответы на экзамен 2)

3

Билет №5

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

3.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Идеальный диэлектрик должен иметь бесконечно большое элек­трическое сопротивление и не должен пропускать электрический ток. Однако диэлектрики, используемые в технике, обладают неко­торой электропроводностью (током утечки), и их удельное сопротив­ление составляет величину, лежащую в пределах от 10⁶ до 10¹⁷ Ом•м и выше. Электропроводность диэлектриков зависит от их химического состава и строения, типа и концентрации дефектов и ионогенной примеси, а также интенсивности воздействия внешнего ионизирую­щего излучения, напряженности электрического поля, температуры, влажности, давления и т.п. Электропроводность обусловлена нали­чием свободных и слабо связанных носителей заряда в диэлектрике, а также зарядов, инжектированных в сильных полях из электродов (холодная эмиссия электронов из катода). Эти заряды под действием приложенного постоянного напряжения приобретают направленное движение (дрейф), вызывая тем самым электрический ток.

В зависи­мости от вида заряженных частиц (ионы, электроны и коллоидные частицы) различают ионную, электронную и электрофоретическую проводимости. В слабых электрических полях у газообразных диэлек­триков электропроводность ионная и электронная, у жидких — ион­ная и электрофоретическая, у твердых — ионная.

3.1.1. Электропроводность объемная и поверхностная

Электропроводность диэлектриков имеет две характерные осо­бенности. Первая особенность заключается в том, что при приложе­нии к образцу твердого или жидкого диэлектрика постоянного на­пряжения через него протекает ток сквозной проводимости (ток Утечки) I, который складывается из двух составляющих: тока объем­ной проводимости Iu тока поверхностной проводимости Is (рис. 3.1):

I=Iu + Is (3-1)

Для сравнительной оценки величин токов объемной и поверхно­стной проводимостей пользуются значениями удельного объемного со­противления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρs или удельнoй объемной проводимости γ и удельной поверхностной проводимости γs. Значениями ρ и γs обычно пользуются только для твердых ди­электриков. Для плоского образца, находящегося в однородном электриче­ском поле при постоянном напряжении U (рис. 3.2), удельное объемное р (Ом•м) и удельное поверхностное рs (Ом) сопротивления оп­ределяются соответственно по формулам:

р = RS/h, ps = 2πRs / ln(dl/d2), (3.2)

Рис. 3.1. Виды токов проводимости в Рис. 3.2. Система электродов для -

твердом диэлектрике: опреде ления р и ps

диэлектриков:

Iu — ток объемной проводимости 1 — измерительный электрод;

Is — ток оверхностной 2 — «кольцевой» электрод,

проводимости используемый как заземляющий

при определении р и как

высоковольтный при опре-
делении ρs; 3 — электрод:

высоковольтный при

определении р и заземляющий

при определении ρs;
4 — образец

где R — объемное сопротивление образца, Ом (R= U/Iu); Rs — по­верхностное сопротивление образца, Ом (R = U/Is); S — площадь из­мерительного электрода, м2 (см. рис. 3.2, I); h — толщина образца, м; d1 — внутренний диаметр «кольцевого» электрода, м; d2 — диаметр измерительного электрода, м.

Удельная объемная γ , См/м (Ом^-1 м^-1 ) ,и удельная поверхностная γs, См (Ом^-1 ), проводимости являются величинами, обратными соот­ветствующим удельным сопротивлениям:

γ = 1/ρ, γ = 1/ρs- (3.3)

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 Iсм определяется скоростью изменения вектора электриче­ского смещения D (или вектора Е, поскольку D = εεoЕ):

jсм = ∂D/∂τ = εoε£ (∂E/∂τ). (3.4)

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.

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

Iсм - ток смещения, вызванный деформационными видами поляризации;

Iаб - ток абсорбции;

Iск - ток сквозной проводимости;

1 - Электрическое старение;

2 - Электроочистка.

Ток смещения, обусловленный деформационными видами поляризации, имеет важное значение в работе p-n перехода полупроводниковых приборов.

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 o 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 1°к деполяризации, или ток термостимулированной деполяризации (ТСД). Метод TСД широко используют при изучении релаксационных переходов ( Tс, Tт и др.) в полимерных диэлектриках, а также закономерностей накопления и переноса носителей 3аряда.

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 (положительный ион принимает электрон(ы) из катода, а отрицательный ион отдаст 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. 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. При достаточном времени прохождения тока дендриты могут прорасти сквозь всю толщину ди­электрика от катода к аноду и образовать проводящий канал.