Электропроводность диэлектриков: Электропроводность диэлектриков — Студопедия

Содержание

Электропроводность диэлектриков — Студопедия

ЛЕКЦИЯ №4

Проводимость диэлектриков хотя и очень мала по сравнению с проводимостью проводников, но не равна нулю. В технических диэлектриках всегда есть небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Однако правильно определить ток через диэлектрик (или сопротивление диэлектрика) не так просто, так как ток зависит от времени.

Проводимость диэлектрика принято определять по сквозномутоку. Однако одновременно идёт поляризация диэлектрика, возникает ток заряда ёмкости (ток смещения), вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости.

Электропроводность диэлектрика также зависит от агрегатного состояния: газообразный, жидкий, твёрдый диэлектрик.

Электропроводность газов. Газы при небольших значениях напряжённости электрического поля обладают исключительно малой электропроводностью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает в результате двух процессов:

1) под действием внешних факторов;

2) вследствие соударений заряженных частиц с молекулами (в сильных полях).

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются, например, фотоны с энергией Wф > Wвых. Достаточную энергию имеют ультрафиолетовые и космические лучи, а также радиоактивное излучение.

На рис.3. приведена зависимость плотности тока от напряжённости электрического поля j = f(E) для газообразного диэлектрика.



Рис.3. Зависимость плотности тока в газе от напряжённости

электрического поля

На начальном участке (до напряжённости Е1) зависимость близка к линейной. Здесь запас положительных и отрицательных ионов достаточный. При напряжённости Е1 наступает насыщение, т. е. все образовавшиеся ионы уходят к электродам, и дальнейшее увеличение напряжённости не приводит к росту плотности тока. При увеличении напряжённости плотность тока остаётся постоянной лишь до тех пор, пока ионизация осуществляется под действием внешних фактов.

Однако уже при напряжённости Еи плотность тока опять начинает возрастать, быстрее, чем по закону Ома. Это объясняется тем, что электроны между соударениями набирают достаточную кинетическую энергию

(W = g E λ ≥ Wвых), и начинается ударная ионизация. В результате количество заряженных частиц быстро увеличивается, и при дальнейшем увеличении напряжённости наступает пробой диэлектрика. Для воздуха при нормальных условиях процесс ударной ионизации наступает при напряжённости Еи ≈ 10 кВ/см.


Электрическая проводимость газов в обычных условиях эксплуатации не зависит от температуры.

Электропроводность жидких диэлектриков.У жидких диэлектриков электропроводность сильно зависит от двух основных причин:

1) наличия примесей;

2) строения молекул (неполярная или полярная).

В неполярных жидкостях число носителей заряда в единице объема невелико и проводимость мала, если в них нет примесей. Жидкие диэлектрики легко загрязняются. Вода самое распространённое «загрязнение», которое увеличивает электропроводность жидкости. Она может быть в трёх состояниях:

а) в молекулярно-растворённом;

б) в виде эмульсии, т. е. в виде мельчайших капелек, находящихся в диэлектрике во взвешенном состоянии;

в) в виде избыточной воды (избыточная вода в трансформаторном масле собирается на дне, а в соволе – на поверхности).

Электропроводность жидкого диэлектрика, не имеющего никаких примесей и загрязнений, ионная.

Полярные жидкости всегда имеют повышенную проводимость по сравнению с неполярными жидкостями, причём, чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем выше диссоциация и проводимость. Сильно полярные жидкости (например, вода) отличаются настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной проводимостью.

Неполярные диэлектрики меньше подвержены диссоциации, у них меньше электропроводность.

Удельная проводимость любой жидкости зависит от температуры. Для узкого интервала температур с достаточной степенью точности может быть применена формула γ = γо exp(α·t), где γо и α – постоянные величины для данной жидкости.

До напряжённости Е > 100 – 1 000 кВ/см ток подчиняется закону Ома, а затем закон Ома нарушается, начинается процесс ионизации.

Электропроводность твёрдых диэлектриков.Полная проводимость твёрдого диэлектрика, соответствующая сопротивлению его изоляции, складывается из объёмной и поверхностной проводимостей. Такое разделение вызвано тем, что поверхность диэлектрика, работающего в загрязнённой атмосфере промышленных предприятий, адсорбирует воду, пыль, газы и другие вещества, тем самым сильно снижая полное сопротивление диэлектрика.

Объемная электропроводность твёрдых диэлектриков обуславливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей. Температурная зависимость удельной проводимости твёрдого диэлектрика с примесями имеет вид

γ = A1 exp+ A2 exp,

где А1 и W1 – параметры, характеризующие примесную проводимость;

А2 и W2 – параметры, характеризующие собственную проводимость;

k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

В сравнительно слабых полях (до напряжённости Е1) проводимость не зависит от напряжённости электрического поля, соблюдается закон Ома. В сильных полях начинается ударная ионизация электронов, и проводимость резко возрастает.

У гигроскопичных материалов объёмная проводимость зависит от влажности. Наличие в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивает проводимость (уменьшает сопротивление). У некоторых диэлектриков, не обладающих объёмной влагопоглощаемостью, объёмная проводимость не зависят от влажности (например, у керамики).

Поверхностная электропроводность определяется способностью поверхности диэлектрика адсорбировать загрязняющие компоненты. Особенно сильно на электропроводность влияет влага. Иногда достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности, чтобы существенно уменьшить удельное поверхностное сопротивление ρs.

Все твёрдые диэлектрики можно разделить на гидрофильные и гидрофобные. У гидрофобных материалов поверхностное сопротивление мало зависит от влажности. У гидрофильных материалов влага распределяется тонким непрерывным слоем по всей поверхности, в ней растворяются другие загрязнения, и удельное поверхностное сопротивление резко снижается.

Полярные диэлектрики характеризуются более низкими значениями удельного поверхностного сопротивления, заметно уменьшающимися во влажной среде. Особенно резкое понижение удельного поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется плёнка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков лучше прилипают различные загрязнения, также приводящие к снижению удельного поверхностного сопротивления.

Электропроводность диэлектриков. Виды диэлектриков, их свойства и применение

Электропроводность диэлектриков является важной физической характеристикой. Информация о ней позволяет выявлять сферы применения материалов.

Термины

По проводимости электрического тока вещества подразделяют на группы:

  • диэлектрики;
  • полупроводники;
  • проводники.

Отлично проводят ток металлы — величина их удельной электропроводимости достигает 106-108 (Ом · м)-1.

А диэлектрические материалы не способны проводить электрический ток, поэтому они применяются в качестве изоляторов. Они не имеют свободных носителей зарядов, отличаются дипольным строением молекул.

Полупроводниками же являются твердые материалы, имеющие промежуточные значения проводимости.

Классификация

Все диэлектрические материалы подразделяют на полярные и неполярные виды. У полярных изоляторов центры положительных и отрицательных зарядов смещены от центра. Молекулы таких веществ по своим электрическим параметрам аналогичны жесткому диполю, имеющему свой дипольный момент. В качестве полярных диэлектриков можно привести воду, аммиак, хлороводород.

Неполярные диэлектрики отличаются совпадением центров положительных и отрицательных зарядов. Они сходны по электрическим характеристикам упругому диполю. Примерами таких изоляторов являются водород, кислород, тетрахлорметан.

Электропроводность

Электропроводность диэлектриков объясняется присутствием в их молекулах незначительного числа свободных электронов. При смещении зарядов внутри вещества за некоторый промежуток времени, наблюдается постепенное установление равновесного положения, что и является причиной появления тока. Электропроводность диэлектриков существует в момент выключения и включения напряжения. Технические образцы изоляторов имеют максимальное количество свободных зарядов, поэтому в них появляются незначительные сквозные токи.

Электропроводность диэлектриков в случае постоянного значения напряжения вычисляется по сквозному току. Данный процесс предполагает выделение и нейтрализацию на электродах имеющихся зарядов. В случае переменного напряжения на величину активной проводимости влияет не только сквозной ток, но и активные компоненты поляризационных токов.

Электрические свойства диэлектриков зависят от плотности тока, сопротивления материала.

Твердые диэлектрики

Электропроводность твердых диэлектриков подразделяют на объемную и поверхностную. Для проведения сравнения этих параметров у различных материалов применяют значения объемного удельного и поверхностного удельного сопротивления.

Полная проводимость суммируется из двух этих величин, ее величина зависит от влажности среды и температуры окружающего воздуха. В случае продолжительной работы под напряжением, наблюдается уменьшение сквозного тока, проходящего через жидкие и твердые изоляторы.

А в случае увеличения тока через некоторый промежуток времени, можно вести речь о том, что внутри вещества будут протекать необратимые процессы, ведущие к разрушению (пробой диэлектрика).

Особенности газообразного состояния

Газообразные диэлектрики имеют незначительную электропроводность в том случае, если напряженность поля принимает минимальные значения. Возникновение тока в газообразных веществах возможно только в тех случаях, когда в них присутствуют свободные электроны либо заряженные ионы.

Газообразные диэлектрики являются качественными изоляторами, поэтому используются в современной электронике в больших объемах. Ионизация в таких веществах обуславливается внешними факторами.

Из-за соударений ионов газа, а также при термическом воздействии, ультрафиолетовом или рентгеновском действии, наблюдается и процесс образования нейтральных молекул (рекомбинация). Благодаря этому процессу ограничивается увеличение количества ионов в газе, устанавливается определенная концентрация заряженных частиц через короткий временной промежуток после воздействия внешнего источника ионизации.

В процессе возрастания напряжения, прикладываемого к газу, увеличивается движение ионов к электродам. Они не успевают рекомбинироваться, поэтому осуществляется их разряжение на электродах. При последующем повышении напряжения ток не возрастает, его именуют током насыщения.

Рассматривая неполярные диэлектрики, отметим, что воздух является совершенным изолятором.

Жидкие диэлектрики

Электропроводность жидких диэлектриков объясняется особенностями строения молекул жидкости. В неполярных растворителях существуют диссоциированные примеси, включая и влагу. В полярных молекулах проводимость электрического тока объясняется также процессом распада на ионы самой жидкости.

В этом агрегатном состоянии ток также вызывается движением коллоидных частиц. Из-за нереальности полного выведения из такого диэлектрика примесей, возникают проблемы получения жидкостей с незначительной проводимостью тока.

Все виды изоляции предполагают поиск вариантов снижения удельной проводимости диэлектриков. Например, удаляют примеси, корректируют температурный показатель. Повышение температуры вызывает снижение вязкости, возрастание подвижности ионов, рост степени тепловой диссоциации. Данные факторы воздействуют на величину удельной проводимости диэлектрических материалов.

Электропроводность твердых тел

Она объясняется перемещением не только ионов самого изолятора, но и заряженных частиц примесей, содержащихся внутри твердого материала. По мере прохождения через твердый изолятор происходит частичное удаление примесей, что постепенно сказывается на проводимости тока. Учитывая особенности строения кристаллической решетки, перемещение заряженных частиц обусловлено флуктуацией теплового движения.

При невысоких температурах происходит движение положительных и отрицательных ионов примесей. Такие виды изоляции характерны для веществ с молекулярной и атомной кристаллической структурой.

Для анизотропных кристаллов величина удельной проводимости меняется в зависимости от его осей. К примеру, в кварце в направлении, расположенном параллельно основной оси, она превышает в 1000 раз перпендикулярное положение.

В твердых пористых диэлектриках, где практически нет влаги, незначительное повышение электрического сопротивления приводит к повышению их электрического сопротивления. У веществ, которые содержат примеси, растворимые в воде, наблюдается существенное уменьшение объемного сопротивления из-за изменения влажности.

Поляризация диэлектриков

Данное явление связано с изменением положения частиц изолятора в пространстве, которое приводит к приобретению каждым макроскопическим объемом диэлектрика некоторого электрического (индуцированного) момента.

Существует поляризация, которая возникаем под воздействием внешнего поля. Также выделяют самопроизвольный вариант поляризации, появляющейся даже при отсутствии действия внешнего поля.

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризуется:

  • емкостью конденсатора с этим диэлектриком;
  • ее величиной в вакууме.

Сопровождается этот процесс возникновением на поверхности диэлектрика связанных зарядов, которые уменьшают внутри вещества величину напряженности.

В случае полного отсутствия внешнего поля отдельный элемент объема диэлектрика не обладает электрическим моментом, поскольку сумма всех зарядов равна нулю и наблюдается совпадение отрицательных и положительных зарядов в пространстве.

Варианты поляризации

При электронной поляризации происходит смещение под воздействием внешнего поля электронных оболочек атома. В ионном варианте наблюдается смещение узлов решетки. Для дипольной поляризации характерны потери на преодоление внутреннего трения и сил связи. Структурный же вариант поляризации считается самым медленным процессом, он характеризуется ориентацией неоднородных макроскопических примесей.

Заключение

Электроизоляционные материалы представляют собой вещества, которые позволяют получать надежную изоляцию некоторых составных частей электрического оборудования, находящегося под определенными электрическими потенциалами. В сравнении с проводниками тока, у многочисленных изоляторов значительно большее электрическое сопротивление. Они способны создавать сильные электрические поля и накапливать дополнительную энергию. Именно это свойство изоляторов применяют в современных конденсаторах.

В зависимости от химического состава, их подразделяют на природные и синтетические материалы. Самой многочисленной является вторая группа, поэтому именно эти изоляторы применяют в разнообразных электрических приборах.

В зависимости от технологических характеристик, структуры, состава, выделяют пленочные, керамические, восковые, минеральные изоляторы.

При достижении величины пробивного напряжения, наблюдается пробой, приводящий к резкому возрастанию величины электрического тока. Среди характерных признаков подобного явления можно выделить незначительную зависимость прочности от напряжения и температуры, толщины.

Электропроводность диэлектриков

Электропроводность

явление, обусловленное наличием свободных
и слабо связанных носителей заряда в
диэлектрике. Эти заряды под действием
постоянного приложенного напряжения
приобретают направленное движение,
вызывая тем самым электрический ток.

Идеальный
диэлектрик должен иметь бесконечно
большое электрическое сопротивление
и не должен пропускать электрический
ток. Однако реальные диэлектрики обладают
некоторой электропроводностью (током
утечки), и их удельное сопротивление
составляет величину, лежащую в пределах
от 106
(практически 109)
до 1017
Ом·м и выше. Поэтому, в диэлектрике при
подведении к нему электрического поля
наряду с поляризационными процессами,
возникает также явление электропроводности.

Поляризационные
процессы смещения связанных зарядов в
веществе до момента установления
равновесного состояния протекают во
времени, создавая токи смещения, в
диэлектриках. Токи смещения упругосвязанных
зарядов при электронной и ионной
поляризациях столь кратковременны, что
их обычно не удается зафиксировать
прибором. Токи смещения различных видов
замедленной поляризации, наблюдаемые
у большого числа технических диэлектриков,
называют абсорбционными токами. При
постоянном напряжении абсорбционные
токи, меняя свое направление, протекают
только в моменты включения и выключения
напряжения; при переменном напряжении
они протекают в течение всего времени
нахождения материала в электрическом
поле.

Наличие
в технических диэлектриках небольшого
числа свободных зарядов приводит к
возникновению слабых по величине
сквозных
токов.

Ток утечки в техническом диэлектрике
представляет собой сумму сквозного
тока и тока абсорбции. Для плотностей
токов можно записать:

+
.

Плотность
тока смещения определяется скоростью
изменения вектора электрического
смещенияD:

=
,

обусловленного
мгновенными (электронными, ионными) и
замедленными смещениями зарядов.

Как
видно из рисунка 3.3., после завершения
процессов поляризации через диэлектрик
протекает только сквозной ток. Токи
смещения необходимо принимать во
внимание при измерениях проводимости
диэлектриков ввиду того, что при небольшой
выдержке образца диэлектрика под
напряжением обычно регистрируется не
только сквозной ток, но и сопровождающий
его ток абсорбции, вследствие чего может
быть формироваться неправильное
представление о проводимости.

Проводимость
диэлектрика при постоянном напряжении
определяется по сквозному току,
сопровождающемуся выделением и
нейтрализацией зарядов на электродах.
При переменном напряжении активная
проводимость определяется не только
сквозным током, но и активными составляющими
абсорбционных токов.

Истинной
сопротивление изоляции, определяющее
сквозной ток, моет быть вычислено по
следующей формуле:

.

Поскольку
при определении абсорбционных токов
даже замедленных видов поляризации
возникают некоторые трудности,
сопротивление диэлектрика рассчитывают
обычно как частное от деления напряжения
на ток, измеренный через одну минуту
после включения напряжения и принимаемый
за сквозной ток.

Особенности электропроводности диэлектриков — Студопедия

Электропроводность диэлектриков

Любой радиотехнический материал – проводник, полупроводник или диэлектрик – проводит электрический ток. Но в диэлектриках протекают токи очень малой величины, если даже они находятся под воздействием большого напряжения (500 В и выше).

Электрический ток в диэлектриках – это направленное движение электронов и ионов: положительных и (или) отрицательных ионов.

Основные виды электропроводности диэлектриков

1. Абсорбционные токи

Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.

В общем случае электрический ток j в диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока jск и тока абсорбции jаб

j = jск + jаб.

Ток абсорбции можно определить через ток смещения jсм — скорость изменения вектора электрической индукции D

Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом поле различных носителей заряда.

2. Электронная электропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др. веществ, а также у многих полупроводников.



3. Ионная – обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации[1] молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом[2] – переносом вещества между электродами и выделением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.

В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.

4. Молионная электропроводность – обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами. Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях[3], суспензиях[4]. Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом. При электрофорезе, в отличие от электролиза, новых веществ не образуется, меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащих эмульгированную воду.


Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый, хотя обычно и весьма незначительный ток, называемый током утечки. Если для низкокачественных электроизоляционных материалов (дерево, мрамор, асбестоцемент и пр.) ρ лежит в пределах 106-108 Ом*м, то для полистирола, фторлона, кварца оно достигает 1014-1016 Ом*м, еще выше значение неионизированных газов. Очевидно, что чем выше ρ, тем выше качество электроизоляционного материала.

По сравнению с электропроводностью проводников и полупроводников электропроводность диэлектриков имеет ряд особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика ток через объем участка изоляции – объемный сквозной ток Iν – очень мал и сравним с ним оказывается ток по поверхности – поверхностной сквозной ток Is. Поэтому при изучении электропроводности диэлектрика необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции:

I= Iν + Is

Следовательно проводимость G = I/U cкладывается из двух проводимостей объемной и поверхностной.

G = Gν + Gs

Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений(объемного и поверхностного):

R= 1/G = Rν * Rs / (Rν + Rs)

Под удельным сопротивлением диэлектрика обычно понимают удельное объемное сопротивление, для характеристики Rs вводят понятие удельного поверхностного сопротивления ρs.

Рис.1. Виды электрического тока в диэлектрике

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектрика является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения (замыкания контакта К на рис.1) В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм=dD/dt (где D=εε0Е — электрическое смещение). Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник-образец диэлектрика, которое обычно мало.

Однако ток продолжает изменяться и после этого, часто в течение минут и даже часов. Медленно изменяющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика называют током абсорбции( Iабс). Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей встречает на своем пути ловушки захвата – дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все ловушки заполняются носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв. Который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов: Iскв= Iν + Is

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис.2. Изменение тока в диэлектрике после подключения постоянного напряжения.

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика – дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным. Накопление в диэлектрике объемных зарядов приводит к такому нежелательному явлению, как неполный разряд конденсатора при коротком замыкании его обкладок, характеризуемый коэффициентом абсорбции, равным отношению остаточного напряжения к начальному.

При измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого времени.

Кроме перечисленных, электропроводность диэлектриков имеет различный характер в зависимости от агрегатного состояния диэлектрика.

Электропроводность жидких диэлектриков





⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Электропроводность жидких диэлектриков зависит от многих факторов: строения молекул, температуры, наличия примесей, наличия крупных заряженных коллоидных частиц и других факторов.

Электропроводность неполярных жидкостей зависит от наличия диссоциированных примесей и влаги. В полярных жидкостях электропроводность создается кроме примесейдиссоциированными ионами самой жидкости. Полярные жидкости обладают повышенной проводимостью по сравнению с неполярными. С повышением диэлектрической проницаемости проводимость возрастает. Очистка жидкостей от примесей уменьшает их проводимость.

Удельная проводимость жидкого диэлектрика экспоненциально зависит от температуры и выражается уравнением

где А и a – постоянные, характеризующие жидкость.

Рост проводимости жидкости с ростом температуры вызывается уменьшением ее вязкости, приводящим к возрастанию подвижности ионов, и ростом степени диссоциации.

В области слабых полей ток в жидких диэлектриках описывается законом Ома. В отличие от газов в зависимости тока от напряжения жидкого диэлектрика обычно отсутствует участок насыщения, хотя он может появиться при высокой степени очистки жидкости. В области высоких полей, превышающих 10 – 100 МВ/м, закон Ома нарушается в результате увеличения числа ионов, движущихся под влиянием поля.

 

Электропроводность твердых диэлектриков

Обусловлена, как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей, а у некоторых материалов и наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наблюдается при сильных электрических полях. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы и ионы примесей, а при высоких температурах движутся термически освобождаемые ионы кристаллической решетки. Ионная электропроводность, в отличие от электронной, сопровождается переносом вещества.

Температурная зависимость удельной проводимости твердых диэлектриков описывается выражением

где W – энергия активации носителей заряда, k – постоянная Больцмана.



Для каменной соли энергия активации ионов натрия 0,85 эВ, ионов хлора 2,5 эВ, электронов 6,0 эВ.

Кристаллы с одновалентными ионами, например NaCl, обладают большей проводимостью по сравнению с кристаллами с многовалентными ионами MgO, Al2O3.

При больших напряженностях (выше 10 — 100 МВ/м) электрического поля в кристаллическом диэлектрике появляется значительный электронный ток, быстро возрастающий с ростом напряженности поля, приводящий к нарушению закона Ома.

 

Объемное и поверхностное сопротивление

 

Если к диэлектрику приложить постоянное напряжение, то по нему будет протекать ток утечки. Постоянная составляющая этого тока называется сквозным током и может быть представлена в виде двух составляющих: поверхностного сквозного тока, протекающего по тонкому электропроводящему слою влаги с растворенными в ней веществами, образовавшимся в результате взаимодействия со средой, и объемного сквозного тока, т.е. тока, проходящего через объем материала.

Этим двум составляющим тока соответствуют два сопротивления: поверхностное электрическое сопротивление диэлектрика Rs — отношение приложенного напряжения к поверхностному току, и объемное электрическое сопротивление диэлектрика R — отношение приложенного напряжения к объемному току. Соответственно, обратные этим сопротивлениям величины называются поверхностной и объемной проводимостями. Эти характеристики диэлектрика зависят как от материала диэлектрика, так и от геометрических размеров образца.

Более удобными в применении являются удельные поверхностное и объемное сопротивления. Удельное объемное сопротивление r [Ом·м]- это величина, равная отношению напряженности электрического поля E внутри образца к плотности тока J, проходящего через объем образца.

Под удельным поверхностным сопротивлением rs [Ом] понимают поверхностное сопротивление плоского участка поверхности твердого диэлектрика в форме квадрата при протекании электрического тока между двумя противоположными сторонами этого квадрата.

33)

ПРОБО́Й ДИЭЛЕ́КТРИКОВ, резкое возрастание электропроводности диэлектрика в электрическом поле, напряженность которого превышает т. н. электрическую прочностьи образование проводящего канала в диэлектрике. Пробой диэлектриков может сопровождаться их разрушением.




Минимальное приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением Uпр.

Предпробойное состояние диэлектрика характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости.

Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика h и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного образца противостоять сильному электрическому полю. Для сравнения свойств различных материалов более удобной характеристикой является электрическая прочность. Электрической прочностью называют минимальную напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою диэлектрика:

Eпр = Uпр/ h.

Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства. Пробой твердых диэлектриков заканчивается разрушением изоляции. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока при пробое допустимым пределом.

Пробой диэлектриков может возникать в результате чисто электрических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля. Механизмы пробоя диэлектриков зависят и от агрегатного состояния вещества.

Электрический пробой — лавинный пробой, связанный с тем, что носитель заряда на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекулкристаллической решётки или газа и увеличивает концентрацию носителей заряда. При этом создаются свободные носители заряда (увеличивается концентрация электронов), которые вносят основной вклад в общий ток. Генерация носителей происходит лавинообразно. Различают поверхностный пробой и объёмный пробой диэлектриков. У полупроводников существует разновидность поверхностного пробоя, так называемый шнуровой эффект.

Пробой бывает и полезным, и вредным. К примеру, пробой изолятора на линии высокого напряжения является серьёзной аварийной ситуацией, а отсутствие пробоя бензовоздушной смеси на свече в двигателе внутреннего сгорания не позволяет запустить двигатель.

Электротепловой(сокращеннотепловой)пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала. Органические диэлектрики вследствие малой нагревостойкости при прочих равных условиях имеют более низкие значения пробивных напряжений при тепловом пробое, чем неорганические. При расчетах напряжения теплового пробоя должны приниматься во внимание тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика и его зависимость от температуры, а также диэлектрическая проницаемость материала. В цепях переменного тока низкой частоты находят применение материалы, дающие резкое возрастание тангенса угла диэлектрических потерь уже при нагреве выше 20…30°С; с другой стороны, известны диэлектрики, значение тангенса угла диэлектрических потерь которых мало меняется в очень широком интервале температур, вплоть до 150…200°С. В последнем случае тепловой пробой сможет развиваться только при достижении этих температур.

Электрохимический пробой изоляционных материалов имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции.

Такое явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании.











3.1.3. Электропроводность диэлектриков

Величина и называется подвижностью носителей заряда. Она равна скорости направленного движения носителя в электрическом поле единичной напряженности.

Носителями зарядов могут быть электроны (дырки), ионы и молионы — заряженные группы молекул (коллоидные частицы). В связи с этим различают электронную, ионную и молионную электропроводности.

Электронная электропроводность характерна для проводников (металлов), полупроводников и относительно реже встречается у диэлектриков.

Ионная электропроводность наблюдается у кристаллических диэлектриков за счет ионов самого вещества или ионов примесей. Однако она особенно характерна для аморфных веществ – смол, лаковых пленок, компаундов, стекол, а также для жидких диэлектриков. Прохождение ионных токов сопровождается явлением электролиза, т.е. переносом вещества с образованием вблизи электродов новых химических веществ. Это явление используется при нанесении различных покрытий.

Молионная электропроводность по своей физической сущности довольно близка к ионной и наблюдается в коллоидных системах, представляющих собой смесь двух веществ (фаз), одно из которых в виде макроскопических частиц находится во взвешенном состоянии в другом веществе. Из коллоидных систем наиболее часто в электроизоляционной технике используются эмульсии (обе фазы — жидкости) и суспензии (одна фаза — твердое вещество, другая — жидкость). При приложении внешнего поля молионы приходят в движение, и процесс сопровождается явлением электрофореза, который отличается от электролиза тем что не происходит образование новых веществ, а лишь меняется концентрация одной фазы в другой за счет осаждения молионов на электродах. Примером практического использования электрофореза является покрытие металлических предметов каучуком, смолами из их суспензий.

Молионная электропроводность наблюдается у жидких лаков и компаундов, увлажненных масел и т.д.

Практической мерой электропроводности является не удельная проводимость, а величина, ей обратная, — удельное сопротивление ρ. В технике различают удельное объемное ρV и удельное поверхностное ρS сопротивления.

В системе СИ удельное объемное сопротивление ρV численно равно сопротивлению куба вещества с ребром 1 м, если ток проходит через объем между противоположными гранями куба и имеет размерность

[Ом·м].

Удельное поверхностное сопротивление ρS численно равно сопротивлению квадрата любого размера на поверхности диэлектрика, если ток проходит между противоположными сторонами этого квадрата, и

имеет размерность [Ом], [Ом/квадрат], [Ом/□]. Последняя форма записи

4.2. Виды электропроводности диэлектриков

определяется в первую очередь примесями, содержащимися в аморфной фазе.

В отличие от электронной электропроводности, при которой электроны поступают из катода и переносят заряд через кристалл, в случае ионной проводимости перенос заряда сопровождается переносом вещества, т. е. электролизом. Анионы (носители отрицательного заряда) осаждаются и разряжаются в области анода, а катионы (носители положительного заряда) осаждаются в области катода. По этой причине величина ионного тока должна зависеть от времени, так как концентрация носителей заряда, имеющихся в диэлектрике, постепенно уменьшается: ионы уносятся полем в приэлектродную область.

Таким образом, в материалах с ионной связью основными носителями зарядов являются слабосвязанные ионы, которые нужно рассматривать как примеси. Концентрация подвижных ионов зависит от энергии химической связи и энергии теплового возбуждения. Иначе говоря, концентрация подвижных ионов зависит от физикохимической природы диэлектрика и температуры.

Процесс ионной проводимости можно рассматривать по аналогии с ионной релаксационной поляризацией, учитывая, что ионы не закрепляются в новых положениях, а следуют в направлении, определяемом направлением электрического поля.

Зависимость потенциальной энергии иона от его положения

впространстве можно описать периодической функцией. Для того чтобы перемещаться в диэлектрике, ионы должны преодолевать по-

тенциальные барьеры высотой Ea, т. е. преодолевать силы, связывающие их с соседними частицами. В случае когда энергия системы минимальна, каждый ион находится на дне потенциальной ямы, т. е.

внаиболее устойчивом положении. Вероятность того, что при тепловом хаотическом движении частица сможет преодолеть энергети-

ческий барьер Ea и перемещаться в диэлектрике, пропорциональна exp (– Ea /kT). Повышение энергии системы (например, при нагреве

материала), приводит к тому, что энергия какого-либо иона возрастает настолько, что ион покидает пределы потенциальной ямы и под действием внешнего электрического поля начинает перемещаться. Следовательно, при увеличении температуры вероятность появления свободных носителей заряда растет.

Расчеты показывают, что если в электропроводности принимают участие собственные и примесные ионы, то удельная ионная электропроводность σV ион определяется выражением

диэлектриков в электрическом поле | IntechOpen

2.1. Проводимость

Основными свойствами диэлектрика в электрическом поле являются проводимость, поляризация, диссипация и пробой. Хотя обычно диэлектрический материал является хорошим изолятором, некоторые заряды проходят через весь материал под действием электрического поля, что называется током утечки. В поле постоянного тока (dc) ток может быть постоянным для материала. Если обнаруженный ток равен I , когда к материалу приложено напряжение U , проводимость G материалов составляет I / U .Если материал имеет регулярную пластинчатую структуру с поверхностью A и толщиной t , проводимость σ материала составляет:

σDC = IUdAE1

Свойство также можно выразить объемным удельным сопротивлением ρ , которое обратна проводимости:

ρ = UIAdE2

Как проводимость, так и удельное сопротивление являются электрическими свойствами для всех материалов, то есть проводника, полупроводника и изолятора. Из-за различного механизма проводимости существует огромный разрыв между проводимостью разнородных материалов, что хорошо понимается теорией энергетических зон.Электропроводность проводника может достигать 10 9 См / м; проводимость хороших изолирующих диэлектриков может составлять 10 −18 См / м.

Проводимость по постоянному току в диэлектриках связана с прыжковым переходом дефектных зарядов и, таким образом, сильно зависит от температуры:

σDC = σ0e − Ea / kBTE3

Здесь kB — постоянная Больцмана, T — температура, а Ea — энергия тепловой активности. Подгоняя экспериментальную дату с формулой.3, подобранная энергия активации Ea дает информацию о носителях тока.

Электропроводность диэлектриков в поле переменного тока (переменного тока) связана с мнимой частью диэлектрической проницаемости, которая вводится в разделе 3. Поскольку изоляция является обязательной для диэлектриков, при исследовании диэлектриков проводимость не учитывается. Однако в некоторых случаях это имеет решающее значение для диэлектрических свойств [7].

2.2. Поляризация

Поляризация — это уникальные электрические свойства диэлектриков, в зависимости от того, какое понятие определено.Существуют различные типы поляризации, то есть электронная поляризация, ионная поляризация, ориентационная поляризация, интерфейсная поляризация, спонтанная поляризация и так далее.

В диэлектриках, если один положительный заряд + q и соответствующий отрицательный заряд — q разделены расстоянием d , образуется электрический диполь с величиной p = qd . Это вектор с направлением от отрицательного заряда к положительному.Этот диполь может быть вызван электрическим полем, например, при электронной поляризации или ионной поляризации, но он также может быть постоянным, как в полярных молекулах и сегнетоэлектриках. После введения электрического диполя поляризация в материале может быть определена как сумма индивидуальных дипольных моментов p , деленная на объем V материала:

P = ∑pVE4

Из этого определения мы можем видеть, что Величина поляризации равна плотности поверхностного заряда, фактически в зависимости от того, какая спонтанная поляризация сегнетоэлектриков измеряется электрическим мостом Сойера-Тауэра.

Для всех диэлектриков в электрическом поле взаимные сдвиги ядер и электронов вызывают электронную поляризацию, которая происходит за очень короткое время, то есть 10 −14 −10 −16 с. Электронная поляризация существует для всех материалов. В ионных кристаллах относительное разделение катиона и аниона индуцируется электрическим полем, которое называется ионной поляризацией. Ионная поляризация также нарастает за очень короткое время, то есть 10 −12 –10 −13 с.

В некоторых молекулах центр положительного и отрицательного заряда не совпадает, что называется полярной молекулой. В полярных молекулах существуют постоянные диполи, которые могут как-то вращаться под действием электрического поля. В состоянии теплового равновесия диполи ориентируются случайным образом, и, таким образом, суммарная поляризация отсутствует. При приложении внешнего электрического поля эти диполи в некоторой степени выравниваются по нему. Таким образом индуцируется ориентационная поляризация. Время отклика этих постоянных диполей меняется от материала к материалу, то есть 10 −2 –10 −12 с.Например, в воде при 300 К время отклика составляет около 5 × 10 −11 с.

Поляризация границ раздела, которую также называют поляризацией пространственного заряда, создается на границе раздела двух или более гетерогенных сред, то есть между электродами и диэлектриками, между различными диэлектриками, между границами зерен в керамике и т. Д. Электроны, ионы и другие дефекты ловушки на этих участках, которые медленно реагируют на электрическое поле переменного тока. Время отклика варьируется от случая к случаю, то есть 10 7 –10 –6 с.

В сегнетоэлектриках, от высокотемпературной параэлектрической фазы до низкотемпературной сегнетоэлектрической фазы, постоянный диполь присутствует из-за нарушения симметрии без электрического поля, что называется спонтанной поляризацией. Спонтанная поляризация может быть обращена внешним электрическим полем, что делает сегнетоэлектрики умным материалом с множеством интересных свойств.

В общем, связь между поляризацией P и электрическим полем E следующая [12]:

P = εχE + высшие члены в EE5

, где ε0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, а χ — восприимчивость.Уравнение не учитывает спонтанную поляризацию сегнетоэлектриков. Для большинства диэлектриков первый член является доминирующим. Высшие члены обычно опускаются, за исключением нелинейных диэлектриков.

Из уравнения. Из (5) видно, что χ представляет поляризуемость. Но наиболее широко используемым параметром является диэлектрическая проницаемость ε :

ε = DEE6

Здесь D — электрическое смещение. А в технике используется относительная диэлектрическая проницаемость εr = ε / ε0 , или, в более общем смысле, диэлектрическая проницаемость, поскольку ε слишком мала в единицах СИ.

Для конденсатора электрическое смещение равно поверхностной плотности заряда. Предположим, плоский конденсатор, состоящий из двух параллельных электродов с поверхностью S и расстоянием d . Когда приложено напряжение В и между электродами нет диэлектрического материала, по закону Гаусса появляется поверхностная плотность заряда Q 0 = ε0V / t . Если между двумя электродами залить диэлектрический материал с восприимчивостью χ , он вносит вклад в поверхностную плотность заряда Q d = P = ε0χV / t .В результате общий заряд поверхности равен сумме двух: Q = ε0 (1 + χ) V / t. В результате комбинируя уравнения. Используя формулы (5) и (6), мы можем получить связь между относительной диэлектрической проницаемостью εr и восприимчивостью χ :

εr = 1 + χE7

И εr , и χ являются параметрами, описывающими поляризуемые свойства диэлектрики в электрическом поле.

2.3. Диэлектрическое рассеяние

В электрическом поле переменного тока через конденсатор протекает ток двух типов: так называемый ток поляризации I P и ток проводимости I R .В этом случае диэлектрическая проницаемость выражается комплексным числом:

εr = εr’-iεr ″ E8

Первый член по-прежнему называется диэлектрической постоянной, а второй член называется мнимой частью диэлектрической проницаемости. Когда электрическое поле переменного тока E = E 0 eiωt ( E 0 — постоянная величина, ω = 2πf и f — частота), приложенное к диэлектрическому материалу, его эквивалентную схему можно представить, как показано на рисунке 1.Ток I P протекает через емкость, экономящую энергию, в то время как ток I R протекает через сопротивление, рассеивающее энергию. Если поверхность конденсатора составляет S , а его толщина составляет d , ток поляризации равен IP = iωε0εr’SE0eiωt, а ток проводимости IC = ωε0εr ″ SE0eiωt, что означает, что фаза поляризационного тока опережает приложенный электрический ток. поле на 90 o , в то время как ток проводимости сохраняет ту же фазу, что и приложенное электрическое поле.Отношение между ними определяет диэлектрическое рассеивание, также называемое диэлектрическими потерями, или тангенс угла потерь tanδ :

tanδ = ICIP = εr ″ εr’E9

Рисунок 1.

Эквивалентная схема для диэлектрического конденсатора.

Ток проводимости обычно вреден для приложений. Таким образом, предстоит много работы по снижению диэлектрических потерь.

2.4. Пробой

В очень сильном электрическом поле ток проводимости значительно увеличивается. Наконец, диэлектрик переходит в неравновесное состояние с высокой проводимостью, которое называется пробоем.Математически это может быть выражено как:

dIdU → ∞ ordUdI → 0E10

Если материал толщиной d и пробой при напряжении UB , поле пробоя материала составляет UB / d , которое меняется для от материала к материалу, то есть ~ МВ / м для керамики, ~ 10 МВ / м для керамической тонкой пленки и ~ 100 МВ / м для полимеров. Поле пробоя также называют диэлектрической прочностью. Для большинства материалов пробой обычно вызывается порами, примесями и другими дефектами из-за электрических неоднородностей.Таким образом, управление обработкой критически важно для получения высокого поля пробоя. Ковалентные соединения обычно имеют большее поле пробоя, чем ионные соединения. На сегодняшний день пробивное поле 1,2 ГВ / м, полученное в стекле SiO 2 -BaO-B 2 O 3 -Al 2 O 3 , возможно, является самым высоким значением для диэлектриков [13].

За исключением электрического поля, нагрев также вызывает пробой. Термический пробой происходит, когда материал не может эффективно рассеивать выделяемое тепло. Во многих случаях поломка сопровождается как электрическими, так и тепловыми пробоями.Распад также имеет случайность, которую можно описать распределением Вейбулла.

.

Обзор механизмов проводимости в диэлектрических пленках

Механизмы проводимости в диэлектрических пленках имеют решающее значение для успешного применения диэлектрических материалов. В диэлектрических пленках существует два типа механизмов проводимости, а именно: механизм проводимости, ограниченный электродом, и механизм проводимости, ограниченный объемом. Ограниченный электродом механизм проводимости зависит от электрических свойств на границе раздела электрод-диэлектрик. На основе этого типа механизма проводимости можно определить физические свойства высоты барьера на границе раздела электрод-диэлектрик и эффективную массу носителей проводимости в диэлектрических пленках.Механизм объемной проводимости зависит от электрических свойств самого диэлектрика. Согласно анализу механизмов объемной проводимости, можно получить несколько важных физических параметров в диэлектрических пленках, включая уровень ловушки, расстояние между ловушками, плотность ловушек, дрейфовую подвижность носителей, время диэлектрической релаксации и плотность состояния в зоне проводимости. В данной работе подробно обсуждаются аналитические методы механизмов проводимости в диэлектрических пленках.

1. Введение

Применение диэлектрических пленок всегда было очень важной темой для полупроводниковой промышленности и научного сообщества. Это особенно верно для технологии полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOSFET) в интегральных схемах (IC). Концепция полевого МОП-транзистора основана на модуляции несущих каналов с помощью приложенного напряжения затвора через тонкий диэлектрик. Диэлектрик — это материал, в котором электроны очень плотно связаны.Электрические заряды в диэлектриках будут реагировать на приложенное электрическое поле изменением диэлектрической поляризации. Диэлектрические материалы — это почти изоляторы с очень низкой электропроводностью и большой шириной запрещенной зоны. В общем, значение ширины запрещенной зоны изоляторов устанавливается больше 3 или 5 эВ. Хотя не все диэлектрики являются изоляторами, все изоляторы являются типичными диэлектриками. При 0 K валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости полностью пуста.Таким образом, нет носителя для электропроводности. Когда температура больше 0 K, будут происходить термические возбуждения некоторых электронов из валентной зоны, а также с донорного примесного уровня в зону проводимости. Эти электроны будут способствовать переносу тока в диэлектрический материал. Точно так же дырки будут генерироваться акцепторными примесями, а вакансии будут покидать возбужденные электроны в валентной зоне. Ток проводимости изоляторов при нормальном приложенном электрическом поле будет очень мал, потому что их проводимость по своей природе низкая, порядка 10 −20 ~ 10 −8 Ом −1 см −1 .Однако ток проводимости через диэлектрическую пленку заметен при приложении относительно большого электрического поля. Эти заметные токи проводимости возникают из-за множества различных механизмов проводимости, что имеет решающее значение для применения диэлектрических пленок. Например, диэлектрик затвора полевых МОП-транзисторов, диэлектрик конденсатора динамической памяти с произвольным доступом и туннельный диэлектрик флэш-памяти имеют первостепенное значение для приложений ИС. В этих случаях ток проводимости должен быть ниже определенного уровня, чтобы соответствовать определенным критериям надежности при нормальной работе устройств.Следовательно, изучение различных механизмов проводимости через диэлектрические пленки имеет большое значение для успеха интегральных схем.

Чтобы измерить ток проводимости через диэлектрическую пленку, необходимо подготовить какие-то образцы устройств для испытаний. Как правило, при тестировании образцов используются два типа структур устройств. Один из них — это структура металл-изолятор-металл, которая называется MIM-конденсатором или MIM-диодом. Рассматриваемый вопрос в конденсаторах МИМ — возможная асимметрия электрических свойств, когда верхний и нижний электроды изготовлены из разных металлов.Разные металлы обычно приводят к разным функциям выхода и, следовательно, к различным межфазным барьерам металл-диэлектрик. Основными параметрами в этом типе измерения являются высота барьера на границе раздела металл-диэлектрик и эффективная масса носителей проводимости. Второй тип, используемый для характеристики диэлектрической пленки, — это конденсатор металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Поскольку МДП-конденсатор является наиболее полезным устройством при исследовании поверхностей полупроводников, представляет интерес охарактеризовать электрические свойства устройства.Однако структура МДП конденсатора по своей природе асимметрична, и нужно быть осторожным с падением напряжения на каждом слое. Если МДП конденсатор может быть смещен таким образом, что поверхность полупроводника накапливается, падение напряжения на полупроводнике будет минимальным, и большая часть напряжения будет приложена к диэлектрической пленке. Если поверхность полупроводника истощается или инвертируется, некоторое падение напряжения на полупроводнике будет иметь место, и тогда падение напряжения необходимо учитывать при расчете электрического поля на диэлектрической пленке.

Среди исследуемых механизмов проводимости некоторые зависят от электрических свойств на контакте электрод-диэлектрик. Эти механизмы проводимости называются механизмами проводимости, ограниченными электродом, или механизмами проводимости, ограниченными впрыском. Существуют и другие механизмы проводимости, которые зависят только от свойств самого диэлектрика. Эти механизмы проводимости называются механизмами проводимости с ограничением объема или механизмами проводимости с ограничением транспорта [1–10]. Методы различения этих механизмов проводимости важны, потому что существует ряд механизмов проводимости, которые все могут вносить вклад в ток проводимости через диэлектрическую пленку одновременно.Поскольку несколько механизмов проводимости зависят от температуры по-разному, измерение зависимых от температуры токов проводимости может предоставить нам полезный способ узнать структуру токов проводимости. Ограниченные электродом механизмы проводимости включают туннелирование Шоттки или термоэлектронной эмиссии Фаулера-Нордхейма, прямое туннелирование и термоэлектронную полевую эмиссию. Механизмы ограниченной объемной проводимости включают эмиссию Пула-Френкеля, прыжковую проводимость, омическую проводимость, проводимость, ограниченную пространственным зарядом, ионную проводимость и проводимость, ограниченную границей зерен.На рис. 1 представлена ​​классификация механизмов проводимости в диэлектрических пленках.

2. Ограниченные электродом механизмы проводимости

Ограниченные электродом механизмы проводимости зависят от электрических свойств в контакте электрод-диэлектрик. Наиболее важным параметром в этом типе механизма проводимости является высота барьера на границе электрод-диэлектрик. Ограниченные электродом механизмы проводимости включают Шоттки или термоэлектронную эмиссию, туннелирование Фаулера-Нордхейма, прямое туннелирование и термоэлектронную полевую эмиссию.Ток из-за термоэлектронной эмиссии сильно зависит от температуры, тогда как туннельный ток практически не зависит от температуры. Помимо высоты барьера на границе раздела электрод-диэлектрик, эффективная масса носителей проводимости в диэлектрических пленках также является ключевым фактором в механизмах электродно-ограниченной проводимости.

2.1. Шоттки или термоэлектронная эмиссия

Эмиссия Шоттки — это механизм проводимости, при котором, если электроны могут получить достаточно энергии, обеспечиваемой термической активацией, электроны в металле преодолеют энергетический барьер на границе раздела металл-диэлектрик, чтобы перейти к диэлектрику.На рис. 2 показана диаграмма энергетических зон МДП, когда металлический электрод находится под отрицательным смещением относительно диэлектрика и полупроводниковой подложки. Высота энергетического барьера на границе раздела металл-диэлектрик может быть уменьшена за счет силы изображения. Эффект снижения барьера из-за силы изображения называется эффектом Шоттки. Такой механизм проводимости за счет эмиссии электронов из металла в диэлектрик называется термоэлектронной эмиссией или эмиссией Шоттки. Термоэмиссия — один из наиболее часто наблюдаемых механизмов проводимости в диэлектрических пленках, особенно при относительно высокой температуре.Выражение излучения Шоттки:

где — плотность тока, — эффективная постоянная Ричардсона, — масса свободного электрона, — эффективная масса электрона в диэлектрике, — абсолютная температура, — это заряд электронов, — высота барьера Шоттки (т. е. смещение зоны проводимости), электрическое поле через диэлектрик, — постоянная Больцмана, — постоянная Планка, — диэлектрическая проницаемость в вакууме и — оптическая диэлектрическая проницаемость (т. е., динамическая диэлектрическая проницаемость). Ввиду классического соотношения между диэлектрическими и оптическими коэффициентами динамическая диэлектрическая проницаемость должна быть близкой к квадрату оптического показателя преломления (т.е.) [11]. Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость обычно является функцией частоты, поэтому в этом случае используется оптическая диэлектрическая проницаемость. Если в процессе эмиссии время прохождения электронов от границы раздела металл-диэлектрик до положения максимума барьера меньше времени релаксации диэлектрика, диэлектрик не успевает поляризоваться; следовательно, следует выбирать диэлектрическую проницаемость при высокой частоте или оптическую диэлектрическую проницаемость.Эта оптическая диэлектрическая проницаемость меньше статической диэлектрической проницаемости или значения на низкой частоте, где большее количество механизмов поляризации может вносить вклад в общую поляризацию [10].

На рис. 3 показаны характеристики плотности тока и электрического поля () МДП-конденсаторов из Al / CeO 2 / -Si, смещенных в режиме накопления при температурах от 300 K до 500 K. Согласно оптическим характеристикам CeO 2 пленки, показатель преломления () 632.8 нм составляет около 2,33. Следовательно, оптическая диэлектрическая проницаемость пленок CeO 2 составляет около 5,43. Измеренные кривые в [11] и моделирование эмиссии Шоттки показаны на рисунке 3. Экспериментальные данные очень хорошо согласуются с теорией эмиссии Шоттки при высокой температуре (≥400 К) в среднем электрическом поле (0,5 ~ 1,6 МВ / см). . Соответствующий сдвиг зоны проводимости между Al и CeO 2 затем определяется как эВ.

Помимо метода моделирования, график Шоттки является наиболее популярным способом определения высоты барьера на границе раздела.Для стандартного излучения Шоттки график зависимости) от должен быть линейным. Высота барьера может быть получена из пересечения графика Шоттки. Например, данные, измеренные при высоких температурах (> 425 K) и в сильных полях (> 1 МВ / см), хорошо коррелируют с теорией эмиссии Шоттки при инжекции затвора в Al / ZrO 2 (17,4 нм) / — Si MIS конденсатор [13], как показано на рисунке 4. Более того, подобранная оптическая диэлектрическая постоянная на графике стандартного излучения Шоттки чрезвычайно близка к квадрату оптического показателя преломления (т.е.е.,), а извлеченная высота барьера Шоттки между Al и ZrO 2 составляет около 0,92 эВ.

Симмонс указал, что если длина свободного пробега электронов в изоляторе меньше толщины диэлектрической пленки, уравнение стандартной эмиссии Шоттки должно быть изменено [14]. Когда возбужденные электроны проходят через диэлектрические пленки, на тепловые электроны влияют ловушки и интерфейсные состояния, которые возникают из-за кислородных вакансий и тепловой нестабильности между диэлектриком и Si соответственно.Толщина диэлектрических пленок также влияет на поведение излучения Шоттки. Ограниченный ловушкой механизм управляет транспортировкой носителей в диэлектрических пленках [13]. Следовательно, (1) следует преобразовать в (2), когда длина свободного пробега электронов () меньше толщины диэлектрика ():

где A s / cm 3 K 3/2 — подвижность электронов в изоляторе; остальные обозначения такие же, как определено ранее. Примечательно, что нельзя провести четкое различие между механизмами проводимости, ограниченными объемом и электродом, как указано в (2), поскольку каждый из них участвует в процессе проводимости [15].Путем создания модифицированных диаграмм эмиссии Шоттки для пленок ZrO 2 различной толщины можно определить длину свободного пробега электронов в пленках ZrO 2 , которая составляет от 16,2 до 17,4 нм при высокой температуре (> 425 K) [13]. Кроме того, электронная подвижность () в пленках ZrO 2 может быть определена из пересечения графика модифицированного излучения Шоттки. Полученная электронная подвижность в ZrO 2 составляет 12-13 см 2 / В-с в среднем поле при высоких температурах [13].

2.2. Туннелирование Фаулера-Нордхайма

Согласно классической физике, когда энергия падающих электронов меньше потенциального барьера, электроны будут отражаться. Однако квантовый механизм предсказывает, что волновая функция электрона проникает через потенциальный барьер, когда барьер достаточно тонкий (<100 Å). Следовательно, вероятность того, что электроны находятся по ту сторону потенциального барьера, не равна нулю из-за туннельного эффекта. На рисунке 5 показана схематическая диаграмма энергетических зон туннелирования Фаулера-Нордхейма (F-N).F-N-туннелирование происходит, когда приложенное электрическое поле достаточно велико, так что волновая функция электрона может проникать через треугольный потенциальный барьер в зону проводимости диэлектрика. Выражение туннельного тока F-N: где - туннельная эффективная масса в диэлектрике; остальные обозначения такие же, как определено ранее. Чтобы извлечь туннельный ток, можно измерить вольт-амперные характеристики () устройств при очень низкой температуре.При такой низкой температуре термоэлектронная эмиссия подавляется, а туннельный ток преобладает.

Для туннелирования F-N график зависимости должен быть линейным. На рис. 6 показаны данные, измеренные при 77 К для МДП-конденсатора HfO 2 , смещенного в режиме накопления [16]. На врезке показано, что теория туннелирования F-N в сильных электрических полях очень хорошо согласуется. Наклон графика F-N может быть выражен в (4) [17] и также является функцией эффективной массы электрона и высоты барьера:

Чтобы определить эффективную массу электрона и высоту барьера, полезно измерить ток термоэлектронной эмиссии при высокой температуре и туннельный ток при низкой температуре.Чиу [16] сообщил, что эффективная масса электрона в HfO 2 и высота барьера на границе раздела Al / HfO 2 могут быть определены с использованием пересечения графика Шоттки при высоких температурах и наклона графика FN при 77 K, как показано на рисунке 7. В общем, предполагается. Используя метод математической итерации для MIS-конденсатора HfO 2 с длиной волны 23,2 нм, эффективная масса электронов и высота барьера на границе раздела Al / HfO 2 были извлечены и составили около

.

электричества | Определение, факты и типы

Электростатика — это исследование электромагнитных явлений, которые происходят, когда нет движущихся зарядов, то есть после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов.И наоборот, имея набор проводников с известными потенциалами, можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников. Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, хранится в нем как электростатическая энергия электрического поля.

Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, тренных друг о друга в сухой среде. Объяснение статического электричества и его проявлений в повседневной жизни. Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Статическое электричество — это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы передаются от одного тела к другому. Например, если два предмета трутся друг о друга, особенно если они являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают одинаковые и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения.Объект, теряющий электроны, становится заряженным положительно, а другой — отрицательно. Сила — это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона. Электрическая сила, действующая на заряд Q 1 в этих условиях, вызванная зарядом Q 2 на расстоянии r , определяется законом Кулона

. характер силы, а единичный вектор — это вектор, размер которого равен единице, и который указывает от заряда Q 2 до заряда Q 1 .Константа пропорциональности k равна 10 −7 c 2 , где c — скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 9 ньютонов на квадратный метр на квадратный кулон (Нм 2 / C 2 ). На рисунке 1 показано усилие на Q 1 , вызванное Q 2 . Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q 1 , и Q 2 произвольно выбраны как положительные заряды, каждый с величиной 10 −6 кулонов.Заряд Q 1 расположен в координатах x , y , z со значениями 0,03, 0, 0 соответственно, а Q 2 имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты указаны в метрах. Таким образом, расстояние между Q 1 и Q 2 составляет 0,05 метра.

электрическая сила между двумя зарядами Рисунок 1: Электрическая сила между двумя зарядами. Предоставлено факультетом физики и астрономии Мичиганского государственного университета
Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.Подпишитесь сегодня

Величина силы F на заряде Q 1 , рассчитанная по уравнению (1), составляет 3,6 ньютона; его направление показано на рисунке 1. Сила, действующая на Q 2 из-за Q 1 , составляет — F , что также имеет величину 3,6 ньютона; его направление, однако, противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее составляющие по осям x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y .Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, и результаты показаны на рисунке 2. Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в состоянии покоя. Если заряды имеют противоположные знаки, сила будет притягивающей; притяжение будет обозначено в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q 1 будет иметь направление, противоположное единичному вектору , и будет указывать от Q 1 к Q 2 .В декартовых координатах это привело бы к изменению знаков компонентов силы x и y в уравнении (2).

компоненты кулоновской силы Рисунок 2: Компоненты x и y силы F на рисунке 4 (см. Текст). Предоставлено факультетом физики и астрономии Мичиганского государственного университета

Как можно понять эту электрическую силу на Q 1 ? По сути, сила возникает из-за наличия электрического поля в позиции Q 1 .Поле создается вторым зарядом Q 2 и имеет величину, пропорциональную размеру Q 2 . При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *