Билет №5 (Ответы на экзамен 2)
Описание файла
Файл "Билет №5" внутри архива находится в папке "otvety_v2". Документ из архива "Ответы на экзамен 2", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "материалы и элементы электронный техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Билет №5"
Текст из документа "Билет №5"
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.