книги из ГПНТБ / Балыгин, И. Е. Электрические свойства твердых диэлектриков

И. Е. БАЛЫГИН

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

ТВЕРДЫХ

ДИЭЛЕКТРИКОВ

«Э Н Е Р Г И Я»

Ленинградское отделение

1974

УДК 621.315.61.029.5

У 4- 93ѵЛ

&' S J Г

Основу книги составляют данные об изменениях свойств некоторых диэлектри­ ков в сильных электрических полях. Сообщается об электрической прочности, элек­ тропроводности и теплопроводности, диэлектрических потерях и старении изоляции. Разбираются вопросы о разрядах в газовых включениях диэлектриков и перекры­ тиях по их поверхности. Значительное внимание уделено поведению некоторых ме­ таллов, нанесенных на поверхность диэлектриков, и внедрению этих металлов в кварцевое стекло под воздействием приложенного напряжения. Затронуты также

электрических свойств твердых диэлектриков.

30308-112

БЗ-З-12-74

051(01)-74

Рецензент А. П. Румянцев

© Издательство «Э н е р г и я», 1974

ПРЕДИСЛОВИЕ

Хорошо известно, что твердые диэлектрики находят широкое при­ менение в различных областях техники. Соответственно потребно­ стям практики и в процессе развития теоретических представлений о тех или иных явлениях в этих диэлектриках производятся много­ численные исследования их электрических свойств. Данные этих исследований обычно публикуются в различных журналах, сборни­ ках трудов конференций и исследовательских институтов.

При большом объеме информации роль обобщений и критиче­ ского разбора публикуемого материала самоочевидна. В настоящей книге такого рода разбор и систематизация сделаны главным обра­ зом применительно к области сильных электрических полей. Здесь приводятся данные для стекол, ситаллов и некоторых полимерных пленок. Но основное внимание уделено радиокерамическим диэлек­ трикам. Весьма кратко об их электрических свойствах сообщено в книге Н. П. Богородицкого и соавторов «Радиокерамика», Госэнергоиздат, 1963 г. Более основательные сведения приводятся в мо­ нографии Н. П. Богородицкого и И. Д. Фридберга «Электрические основы высокочастотной керамики», Госэнергоиздат 1958 г. Однако за минувшее время получено много дополнительных данных, разра­ ботаны новые методы исследований и появились новые направления.

В области электрической прочности радиокерамических диэлек­ триков осциллографированием было выявлено предпробивное сни­ жение напряжения при подаче на исследуемые объекты импульсных волн с относительно крутым фронтом. При этом полному электриче­ скому пробою предшествует неполный, после которого диэлектрик самовосстанавливает свои диэлектрические свойства. Такое же, но многократное самовосстановление после следующих друг за другом электрических пробоев зарегистрировано у керамических диэлектри­ ков и при ограничении силы разрядного тока. Эти явления объяс­ нены захватом электронных лавин акцепторными центрами в ди­ электриках.

В отношении старения электрической изоляции было установлено, что при действии постоянного напряжения и при повышенных тем­ пературах в толще радиокерамических диэлектриков происходит электролитическое перемещение ионов окислов, входящих в состав данной керамики. При этом образуются слои с повышенной прово­ димостью, и электрические свойства керамики ухудшаются. Установ­

Г Л А В А П Е Р В А Я

ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ РАДИОКЕРАМИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

1- 1. Эффект предпробивного снижения напряжения у диэлектриков на основе корунда

Твердые диэлектрики разделяются на кристаллические и стекло­ видные. Среди кристаллических различают монокристаллы и поли­ кристаллы. У некоторых твердых диэлектриков в тех или иных соот­ ношениях представлена как кристаллическая, так и стекловидная фаза (керамика, некоторые пластики).

Идеальные кристаллические вещества имеют правильную ре­ шетку из структурных единиц, когда стехиометрическое соотношение между ними не нарушено. Одинаковые частицы решетки (атомы, ионы, молекулы) в таких веществах расположены в строгом чере­ довании. Подобного рода расположения называют дальним поряд­ ком. На практике такие вещества почти не встречаются.

Реальные же монокристаллы лишены строгой периодичности. Правильность структурной решетки у них в той или иной степени нарушена. В отдельных участках ее наблюдается недостаток или из­ быток одного из структурных элементов. Кроме того, могут быть микротрещины и сдвиги. Всегда присутствует некоторое количество посторонних атомов (примеси).

Поликристаллы состоят из отдельных произвольно расположен­ ных монокристаллов, а у стекловидных веществ правильное строение ограничивается лишь микрообъемами, часто в несколько десятков структурных единиц. Такое расположение называют ближним по­ рядком.

Примеси изменяют электропроводность кристаллов. Количество их и качественные особенности определяют длину свободного про­ бега электронов, оказывают влияние на теплопроводность и диф­ фузию.

Опыты показали, что основные свойства полупроводников глав­ ным образом определяются взаимодействием атомов и молекул с ближайшими соседями (ближний порядок). Определяющими при этом являются не столько факторы, связанные с периодичностью решетки, сколько расстояния между атомами и их взаимное распо-

5

ложение [1-1]. Принципиально все это можно распространить и на многие диэлектрики.

Периодичность расположения структурных единиц на поверх­ ности кристалла естественно нарушается. Такого рода нарушения в глубь кристалла быстро убывают. Поэтому внешнюю его поверх­ ность можно рассматривать как своеобразный дефект в решетке. В [1-2] теоретически показано, что на таких поверхностях могут об­ разоваться локальные энергетические уровни. Каждый атом на поверхности создает один уровень нормальный, а второй возбуж­ денный. Электроны из валентной зоны могут переходить на эти уровни. В монокристалле влияние этих уровней не должно быть большим. При среднем расстоянии между атомами кристаллической решетки 3-10-8 см на 1 см2 поверхности разместится ІО15 атомов, которые создадут только 2 -ІО15 смг3 добавочных уровней, против приблизительно 1 • ІО22 см~3— у обычного кристалла. Даже при 0,1% примесей в таких кристаллах может образоваться ІО19 см~3 добавочных (примесных) уровней.

Однако, если в структуре, например, керамических диэлектриков имеются мелкие кристаллические образования и ограничивающие их поверхности в сумме сравнительно велики, то влияние уровней Тамма может быть значительным. Именно этим можно в некото­ рых случаях объяснить большую проводимость в поликристаллах, чем в таких же монокристаллах. То же и в отношении зависимости электропроводности от величины кристаллов в поликристаллических веществах. Эти же уровни в некоторых случаях определяют знак постоянной Холла, температурный коэффициент проводимости, вели­ чину пробивного напряжения, подвижность носителей заряда и т. д. [1-3].

Так же как и примесные, поверхностные уровни могут быть до­ норными и акцепторными. Захваченные электроны в состоянии со­ здать весьма значительные поверхностные заряды. При поверхно­ стной концентрации, например ІО14 см~2, напряженность поля может достигнуть ІО7—108 в/см. Это поле, несомненно, оказывает влияние на работу выхода электронов, сильно искажает энергетические зоны у поверхности кристалла и т. д. С поверхностным состоянием кри­ сталла могут быть связаны силы сорбции и поверхностный катализ химических реакций.

Присутствие на поверхностях кристаллов хемосорбированных атомов (кислород) или образование поверхностных слоев окислов долго мешало экспериментальному доказательству существования уровней Тамма. Это удалось только при опытах с чистыми поверх­ ностями Ge и Si [1-4].

Многие особенности электрического пробоя радиокерамических диэлектриков [1-5] можно отнести за счет влияния именно уровней на поверхности ячеек кристаллической фазы. Наглядно это можно показать на примере предпробивного снижения приложенного напря­ жения у корундовой керамики (ультрафарфор УФ-46). На микро­ фотографиях, снятых с протравленных в НС1 шлифов этого радиокерамического материала, хорошо различимы кристаллические

6