Лабораторная работа №2

Исследование диэлектрических тонкопленочных материалов

Цель: изучение электрического пробоя в тонкопленочных материалах.

Объект исследования: тонкопленочный материал на основе оксида кремния.

1. Теоретические сведения

1.1. Пробой твердых диэлектриков

Пробой − явление в диэлектрике, приводящее к образованию канала высо­кой проводимо­сти. Численной характеристикой стойкости диэлектриков к пробою является электрическая прочность, или пробивная напряженность электрического поля Е_пр.

У твердых диэлектриков наблюдаются все три основных механизма пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.

Пробой одного и того же материала может происходить по тому или иному из указанных механизмов в зависимости от:

а) характера электрического поля – постоянного или переменного, импульс­ного, низкой или высокой частоты;

б) времени воздействия напряжения;

в) наличия в диэлектрике дефектов, в частности за­крытых пор;

г) толщины материала;

д) условий охлаждения.

Электрический пробой. Этот вид пробоя в однородных твердых диэлектри­ках, как и у газах, характеризуется весьма быстрым развитием и сопровожда­ется разрушением диэлектрика в очень узком канале.

По своей природе электрический пробой – чисто электронный процесс, заклю­чающийся в том, что из немногих начальных, электронов в твердом теле созда­ется электронная лавина. Согласно современным представлениям, эти элек­троны рассеивают накопленную ими в электрическом поле энергию, возбуждая упругие колебания узлов кристаллической решетки. Достигнув определенной критической скорости, электроны отщепляют все новые и новые электроны, и стационарное состояние нарушается, т.е. возникает ударная ионизация в твердом теле.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние диэлек­трических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. Такие условия удается наблюдать у монокри­сталлов щелочно – галоидных соединений и у некоторых органических полиме­ров, у которых E_пр превышает 10⁹ В/м. При однородном поле и вполне одно­родной структуре материала пробивные напряженности в случае электриче­ского пробоя могут служить мерой электрической прочности вещества как та­кового.

Тепловой пробой. В том случае, если количество тепла, выделяющегося в диэлектрике под воздействием диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое в данных условиях может отводиться наружу, возникает тепло­вой пробой; при этом нарушается тепловое равновесие, и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Про­бивная напряженность поля при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия, в противоположность электрическому пробою, где электрическая прочность служит характеристикой лишь материала. Про­бивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой изменения напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от нагревостойкости материала.

Электрохимический пробой. Этот вид пробоя диэлектрических материалов имеет особо существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Он наблюдается как при постоянном напряжении, так и при переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются про­цессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой случа­ется при высоких частотах, если в закрытых порах диэлектрика происходит ио­низация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и изменением химиче­ского состава материала (например, восстановлением окислов металлов пере­менной валентности, в частности ТiO₃, содержащихся в керамике).

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного вре­мени. Большую роль в возникновении электрохимического пробоя, наблюдае­мого на постоянном токе в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, играет материал электрода. Например, серебро, способное диффундировать в керамику, понижает пробивное напряжение.