WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 6 Электрический пробой твердых диэлектриков © Г.А. Воробьев, С.Г. Еханин, Н.С. Несмелов Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050 Томск, Россия E-mail: gemma@main.tusur.ru (Поступила в Редакцию в окончательном виде 12 октября 2004 г.) Изложены представления о механизме электрического пробоя твердых диэлектриков (ЭПТД), сформированные авторами в течение многолетних исследований. Показано, что при ЭПТД протекает ряд взаимообусловленных предпробивных процессов: высоковольтная поляризация, дефектообразование, ударное возбуждение и ударная ионизация электронами центров свечения и ионов основной кристаллической решетки и др. Спусковым механизмом ЭПДТ являются процессы электро- и термополевой генерации дефектов в кристалле, которые ведут к образованию дефектных областей и созданию каналов облегченного переноса носителей заряда. Электронные токи (а также ускорение электронов электрическим полем до энергий, достаточных для ударной ионизации) протекают именно в этих областях кристалла с деформированной дефектами кристаллической решеткой. Поэтому известные подходы к построению теории пробоя ЩГК и других твердых кристаллических диэлектриков, базирующиеся на анализе движения и ускорения электронов в идеальной кристаллической структуре твердого тела, представляются некорректными.

1. Введение шетки, что невозможно. Кроме того, появились экспериментальные результаты, подтверждающие электронную гипотезу механизма пробоя. Вальтер и Инге [6,7] Различают три вида пробоя твердых диэлектриков:

обнаружили в щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК) тепловой, электрический и электрохимический. Если каналы неполных пробоев и малую длительность пробоя процессы при тепловом и электрохимическом пробоях (10-7 s), что указывало на электронный характер ЭПТД.

в значительной степени поняты, то относительно элекХиппель [8–10] получил также ряд экспериментальных трического пробоя твердых диэлектриков (ЭПТД) этого данных (неустойчивость тока перед пробоем; вводимые сказать нельзя. Кратко перечислим основные этапы в ЩГК ионы меди остаются на своих местах; развитие истории изучения механизма ЭПТД. В [1–3] рассмотразряда с анода и др.). Франц [1] считал, что Хиппель рены некоторые вопросы развития учения об ЭПТД.

доказал обусловленность ЭПТД ударной ионизацией В известной работе Сканави [2] выделены три перэлектронами. Однако прямые доказательства этого отвые хорошо обоснованные классические теории ЭПТД:

сутствовали.

теория Роговского (разрыв ионного кристалла силами электрического поля), теория Иоффе (теория ударной ионизации ионами), теория Смурова (пробой вследствие 2. Зависимость ЭПТД от материала отрыва электронов от атомов). Однако эти теории давакатода. Электрическое упрочнение ли сильно завышенные величины электрической прочности и поэтому не соответствовали действительности.

В [11] было найдено, что электрическая прочность Важное значение для дальнейшего развития представле(Ebr) каменной соли, эбонита при постоянном и импульсний о механизме ЭПТД имела теория Иоффе, поскольку ном напряжениях не зависит от материалов металличеиз теории ударной ионизации следует наличие элекских электронов (свинца, калия, серебра), а также от трического упрочнения, т. е. возрастание электрической наличия электронных и ионных поверхностных зарядов.

прочности с уменьшением межэлектродного расстояния.

Хиппель и Алжер [12] обнаружили, что Ebr кристалла Этот эффект подтверждается в случае пробоя газов.

KBr с золотыми электродами на 60% ниже, чем для Вначале появились экспериментальные работы, из ре- кристалла с электролитовыми, причем Ebr выше при зультатов которых, казалось бы, можно было сделать электролитовом катоде. В дальнейшем было показано, вывод об электрическом упрочнении тонких слоев твер- что при использовании таких материалов электродов, дых диэлектриков. Но позднее в работах Александрова как металлы и графит, Ebr получалась ниже, чем в случае и др. [4,5], где правильно измерялась толщина пробива- электролитовых. Эти результаты оказались очень важемого слоя, этот вывод не был подтвержден. Возмож- ными в развитии учения об ЭПТД, поскольку позволили но, как указано в [5], развитие пробоя происходило в в дальнейшем открыть новые его закономерности.

слабых местах образцов, что не позволяло обнаружить Опыты Александрова [4,5] навели нас на мысль, электрическое упрочнение. Механизм ЭПТД вследствие что для исследования пробоя следует брать не тонкие ударной ионизации электронами оставался более при- пленки, а слои, находящиеся внутри монокристалла.

влекательным, чем ударная ионизация ионами, так как При этом в пластинках кристалла просверливаются при напряженности поля 106 V · cm-1 длина свободного соосные лунки механическим способом (на небольшую пробега иона должна быть более 100 постоянных ре- глубину), потом производится углубление лунок водным Электрический пробой твердых диэлектриков 3. Область сверхсильных электрических полей Отметим одно из следствий эффекта электрического упрочнения диэлектриков с уменьшением их толщины.

В тонких слоях диэлектрика при напряженностях электрического поля, превышающих пробивные для толстых слоев, могут наблюдаться явления, которые в более толстых слоях не удается выявить из-за их разрушения вследствие наступающего пробоя. Дальнейшие исследования показали, что в микронных слоях ЩГК действительно удается наблюдать новые явления: возРис. 1. Микрофотография слоя ЩГК. Между лунками в никновение дополнительных дислокаций, токи ударной монокристалле видна тонкая прослойка диэлектрика толщиионизации, электролюминесценцию (собственное и акной 5 µm.

тиваторное свечение). Эти и другие явления, которые могут быть открыты при исследовании тонких слоев твердых диэлектриков в дальнейшем, составляют новую область физики диэлектриков — область сверхсильных электрических полей. По этому важному вопросу нами недавно опубликована обзорная статья [15], и подробно на нем останавливаться не будем. Отметим только, что при исследовании активаторной электролюминесценции ЩГК установлен ударный механизм возбуждения активатора, имеющего в спектре свечения кванты с энергией, большей 6 eV. С увеличением концентрации активатора интенсивность активаторного свечения сначала растет, а затем падает. Падение интенсивности свечения можно объяснить тем, что с ростом концентрации активатора частота рассеивающих столкновений электронов с ионами активатора растет. Это ведет к увеличению длины пробега электронов, на которой они набирают энергию, необходимую для ударного возбуждения активатора.

Кроме того, при напылении на анодную поверхность слоя полупрозрачной металлической пленки наблюдаРис. 2. Зависимости пробивного напряжения Ubr (1) и элекется эмиссия горячих электронов через анод в вакуум трической прочности Ebr (2) от толщины слоя d кристалла в сверхсильных электрических полях. Эти наблюдения NaCl.

доказывают, что ударная ионизация и ударное возбуждение электронами ионов основной кристаллической решетки и примесей играют определяющую роль в раствором соответствующей соли до требуемой толщипредпробивных процессах и пробое. Однако следует ны диэлектрического слоя (рис. 1). В более поздних отметить, что заметная эмиссия горячих электронов работах утончение слоя производилось на основе водв вакуум имеет место только в том случае, когда ных растворов этилового спирта [13], что позволило в кристаллической структуре диэлектрика появляются получать диэлектрические слои с более ровной поверхизменения, разрастающиеся по мере подачи последуностью. В полученные лунки можно засыпать графит, ющих импульсов напряжения. Подобные изменения в наливать электролит или напылять металлические элеккристаллической структуре диэлектрика наблюдались и троды. В работе [14] Ebr таких образцов кристалла NaCl при возникновении электролюминесценции ЩГК. Эти с электролитовыми электродами при толщине 0.3 µm экспериментальные данные свидетельствуют о наличии (предел разрешения оптического микроскопа) составляинтенсивных деградационных процессов в указанных ла 1010 V · m-1 при вероятности пробоя = 90%, что условиях. Очевидно, что ускорение электронов в обзначительно превышает электрическую прочность более ластях с нарушенной кристаллической решеткой будет толстых слоев (d 0.1-0.15 mm) (рис. 2).

происходить иначе, чем в неповрежденном кристалле.

Таким образом было доказано наличие электрического Поэтому необходимо провести исследования дефектоупрочнения при электрической форме пробоя. Кроме того, как видно из рис. 2, зависимость пробивного напря- образования, возникающего в предпробивных полях в жения от толщины диэлектрика Ubr = f (d) напоминает ЩГК, и влияния его на электропроводность и элеменкривую Пашена при пробое газов. тарные электронно-оптические процессы.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1050 Г.А. Воробьев, С.Г. Еханин, Н.С. Несмелов 4. Дефектообразование и перенос 5. Дефектообразование и пробой заряда в микронных слоях ЩГК микронных слоев ЩГК В области сверхсильных электрических полей в обВ [16] нами обнаружено, что в сильном (предпроразцах ЩГК перед пробоем сначала происходит процесс бивном) однородном электрическом поле в микронных генерации дислокаций (одна из составляющих темновой слоях ЩГК наблюдается генерация дислокаций еще паузы), а затем возникает электролюминесценция. Как до наступления пробоя. Дальнейшие исследования [17] известно [20], вдоль дислокационных линий перенос запоказали, что увеличение числа дислокаций зависит от рядов облегчен. Подвижность вакансий в таких каналах напряженности и времени воздействия электрического значительно выше, чем в остальной части кристалла.

поля. Воздействие электрического поля на дислокациВследствие оттока катионных вакансий к аноду (в таких онную структуру кристалла носит пороговый характер, областях) локальная напряженность поля вблизи микропричем чем меньше время воздействия, тем при больострия на катодной поверхности будет усиливаться и шей напряженности поля начинается генерация новых стимулировать инжекцию электронов в область каналидислокаций. Приложение электрического поля одной рования.

напряженности (поочередно прямой и обратной полярПри визуальном наблюдении дислокационных карности) замедляет генерацию дислокаций; с понижением тин травления после воздействия на слой импультемпературы начало интенсивной генерации дислокаса электрического поля сверхсильной напряженности ций смещается в область более сильных полей. Новые E > (2.5-3) · 108 V · m-1, при котором начинал протедислокационные ямки травления появляются преимукать электронный ток и возникала электролюминесценщественно в тех местах, где до воздействия поля уже ция, на поверхности слоя были обнаружены области имелись выходы дислокаций на поверхность кристалла.

(пятна) с повышенной плотностью и большими размеТаким образом, электрополевая генерация дислокаций рами ямок травления (рис. 3). Подача еще нескольких обусловлена размножением дислокаций, имеющихся в импульсов электрического поля той же напряженности кристалле еще до воздействия поля.

приводило к увеличению таких областей, этот процесс В [18] показано, что место возникновения новых можно продолжать до тех пор, пока области с повышендислокаций в сильном электрическом поле является ка- ной плотностью ямок травления не распространятся на тодная поверхность диэлектрика. Неравномерность рас- площадь всего слоя.

Визуальные наблюдения мест свечения и картин травпределения дислокаций по толщине кристаллического ления показали, что в областях с повышенной после слоя и отсутствие ярко выраженных полос скольжения эксперимента плотностью ямок травления протекали после воздействия поля свидетельствуют о том, что локальные токи. Расчеты показывают [21], что локальбольшую роль в процессе генерации дислокаций играет ные токи должны вызывать тепловое воздействие и электростатическое воздействие поля непосредственно механические напряжения в окрестности проводящих на заряженные ступени дислокаций и на систему токаналов, которые вследствие термоударного механизма чечных дефектов. Последние, перераспределяясь в слое, разупрочняют прикатодную область. Несимметричность картин травления катодной и анодной поверхностей свидетельствует о том, что подавляющее большинство образующихся дислокаций представляет собой полупетли, выходящие на катодную поверхность. В качестве механизма размножения в данном случае может выступать процесс двойного поперечного скольжения винтовых участков дислокаций, приводящий к формированию новых дислокационных петель.

Оптические исследования спектров фундаментального поглощения тонких слоев ЩГК до и после воздействия электрического поля [19] показали, что воздействие сильного поля приводит к уменьшению эффективной ширины запрещенной энергетической зоны кристалла.

Это выражается в смещении края фундаментального поглощения в сторону меньших энергий. Наиболее вероятной причиной дополнительного поглощения, вызывающего такой сдвиг, являются оптическая генерация экситонов и поглощение света точечными дефектами в окрестности линий дислокаций, созданных сильным Рис. 3. Дислокационная картина поверхности слоя после электрическим полем. возникновения свечения. Длина пятна 100 µm.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Электрический пробой твердых диэлектриков за перераспределения напряжения в локальных участках слоя при увеличении протекающего через них тока.

6. Заключение Установлено, что движение заряженных дефектов и дефектообразование предваряют и стимулируют все основные предпробивные процессы в микронных слоях ЩГК. Электрический пробой обусловлен ударной ионизацией электронами. Однако электронные токи, сопровождаемые ударной ионизацией, протекают в локальных Рис. 4. Микронарушения на анодной поверхности слоя кри- участках слоя диэлектрика, в которых под действием сталла NaCl в окрестности канала переноса заряда.

электрического поля произошла генерация линейных и точечных дефектов. Локальное протекание электронного тока в свою очередь вызывает еще более интенсивную локальную генерацию дефектов вследствие термопладефектообразования должны вести к увеличению диастических явлений, что стимулирует дальнейшее развиметра каналов с повышенной электропроводностью.

тие пробоя.

Электронно-микроскопические исследования мест лоТаким образом, в микронных слоях ЩГК наблюдается кального переноса зарядов в NaCl показали [21,22], электрический пробой, обусловленный ударной ионизачто в них действительно реализовались термопластицией электронами. Но электрический пробой имеет ряд ческие явления, вызывающие не только разрыхление особенностей.

вещества в каналах переноса заряда, но и его вынос 1) Разряд развивается в каналах с рыхлой кристаллина поверхность (рис. 4). Сечение таких каналов с ческой структурой, обусловленной полевой генерацией модифицированной кристаллической структурой оказылинейных и точечных дефектов.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.