8. Механизм электропроводности диэлектрика

Проводимость твердых диэлектриков определяется электронной и ионной электропроводностью.

Электронная электропроводность вносит малый вклад в проводимость диэлектрика при обычных температурах эксплуатации компонентов РЭС (-60...+125 oС), поскольку концентрация свободных электронов при этих температурах в диэлектриках очень мала. Данный механизм электропроводности является доминирующим лишь в случае электрического пробоя, который наблюдается при высоких значениях напряженности электрического поля в диэлектрике.

Электронная проводимость в диэлектрических материалах может быть заметной также в случае высокой концентрации примесей, создающих в запрещенной зоне диэлектрика дополнительные энергетические уровни, которые могут быть легко ионизированы, то есть отдают в зону проводимости электроны или захватывают их из валентной зоны.

Ионная электропроводность обусловлена перемещением ионов основного вещества или ионов примесей под действием электрического поля, приложенного к диэлектрическому материалу. Поэтому ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды (в случае электронной электропроводности это явление не наблюдается).

Процесс ионной электропроводности диэлектриков условно можно представить состоящим из двух этапов. На первом этапе ионы в результате тепловых колебаний переходят из узлов в междуузлия кристаллической решетки диэлектрика, выполняющие роль ловушек для ионов. На следующем этапе (после включения внешнего электрического поля Е) захваченные на ловушки ионы перемещаются по междоузлиям решетки, осуществляя электропроводность и перенос вещества.

С ростом температуры электропроводность диэлектрических материалов увеличивается в связи с увеличением подвижности ионов.

Механизмы переноса заряда в диэлектриках:

а) Дрейфовый: большую часть времени носители заряда тратят на движение, а меньшую – на соударение и рассеяние на других частицах.

б) Прыжковой проводимости: обусловлен образованием и движением полиронов путем перескока на соседние узлы кристаллической решетки.

в) Диффузионный: выравнивание концентрации носителей заряда в диэлектрике за счет беспорядочных хаотических движений.

По механизму образования носителей заряда различают:

а) Равновесные носители заряда: образуются при термической активации диэлектриков.

б) Неравновесные: возникают при инжекции электронов или дырок с металлических электродов при фотооблучении, ионизирующем облучении или действия сильного электрического поля.

В диэлектриках кроме процесса генерации электронов и дырок происходят процессы рекомбинации, при которых электроны или дырки взаимодействуют и взаимоуничтожаются за счет рекомбинации электронов с дырками.

9. Дефекты кристаллической решетки и их влияние на керамические материалы.

В реальных кристаллах часто встречается нарушение структуры, которое называется дефектами. Дефекты могут располагаться как на микроуровне, так и в макроразмерах.

Дефекты классифицируют по размерам:

а) Нульмерные (точечные)

б) Одомерные (линейные)

в) Двумерные (плоские)

г) Трехмерные (объемные)

К нульмерным (точечным) дефектам кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов, а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения.

Одномерные (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим – соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации. Дислокация – граница области незавершенного сдвига в кристалле.

Двумерные дефекты: возникают на поверхности кристалла, границе зерен материала, поверхности раздела фаз.

Трехмерные дефекты: к ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы.

Нульмерные дефекты:

а) Электронные (электроны, дырки, экситоны (e + h)

б) Атомные (твердые растворы замещения и вычитания)

Дырка – квазичастица с зарядом электрона спином П/2, возникает при освобождении занятого состояния, выраженною формой распределения электронов.

К нульмерным дефектам относятся вакансии, примесные атомы.

Твердые растворы – однородные кристаллические фазы переменного состава. Твердые растворы замещения образуются в результате замещения атомов основного кристаллического вещества атомами другого вещества. Замещение может быть полным или ограниченным.

При изоморфном замещении необходимо соблюдать электроотрицательность кристаллической решетки. Если заряды замещенных ионов одинаковы, то это изовалентный изоморфизм.

Если разные заряды, то это гетеровалентный изоморфизм.

Твердые растворы внедрения – образуются в результате внедрения атома или иона одного вещества в свободные промежутки или междоузлия решетки другого вещества.

Твердые растворы внедрения всегда носят ограниченный характер. К ним относят гидриды, нитриды, карбиды.

Твердые растворы вычитания – представляют собой дефекты нестехиометрии. Все реальные твердые вещества имеют отклонения нестехиометрии (отсутствие катионов в междоузлиях кристаллической решетки).

Имеют многие оксиды основных металлов с переменной валентностью (карбиды, барриды).

К атомным нульмерным дефектам относят дефекты по Френкелю (атом из узла решетки перемещается в междоузлие, а в узле остаются вакансии).

А дефекты по Шоттки возникают тогда, когда атом покидает узел решетки, оставляет в них вакансию и уходит за пределы решетки, на поверхность кристалла.

Причины возникновения: тепловые колебания атомов или ионов (особенно при повышении температуры).

Дефекты по Френкелю легче образуются тогда, когда размеры катионов и анионов сильно различны.

Дефекты по Шоттки возникают тогда, когда размеры анионов и катионов близки.

Дефекты при быстром охлаждении могут замораживаться и их количество может превышать равновесное значение при данной температуре.