Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости

Рис. 3.2. Система электродов для опреде­ления р и р₅ диэлектриков: / — измерительный электрод; 2 — «кольце­вой» электрод, используемый как заземляю­щий при определении р и как высоковольт­ный при определении р₅; 3 — электрод: высоковольтный при определении р и зазем­ляющий при определении р₅; 4 — образец

Вторая характерная особенность электропроводности диэлектри­ков — спадание тока со временем после приложения постоянного напряжения. При включении постоянного напряжения ток в диэлек-

Рис. 3.3. Зависимость величины тока / в диэлек­трике от времени т приложения постоянного на­пряжения (схематически):

/_см — ток смещения, вызванный деформационными видами поляризации; /_аб — ток абсорбции; /_ск — ток сквозной проводимости; 1 — электрическое старение (электролиз); 2 — электроочистка

трике вначале резко возрастает, а затем постепенно снижается, асим­птотически приближаясь к некоторой установившейся величине (рис. 3.3). Резкое возрастание тока вначале и последующее его сни­жение вызваны током смещения /_см в диэлектрике. Плотность тока смещения у_см определяется скоростью изменения вектора электриче­ского смещения D (или вектора Е, поскольку D = е₀еЕ):

1_м=дВ/дх = г₀г(дЕ/дг). (3.4)

Ток смещения /_см вызван как мгновенными (деформационными) видами поляризации, так и замедленными (релаксационными), а также перераспределением свободных зарядов — их дрейфом, но без разряжения на электродах.

В первом случае из-за кратковременности установления элек­тронной и ионной поляризаций /_см не удается зафиксировать с по­мощью измерительного прибора. Ток смещения, обусловленный де­формационными видами поляризации, имеет важное значение в работе /7-л-перехода полупроводниковых приборов и подробно рас­сматривается в гл. 8.6.

Во втором случае ток смещения наблюдается в технических ди­электриках от нескольких минут до нескольких десятков минут по­сле приложения напряжения и называется током абсорбции /_аб.

Ток абсорбции 1_аб вызван релаксационными видами поляризации и перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика. Послед­нее приводит к накоплению носителей заряда в местах наибольшей концентрации ловушек (уровней захвата) — дефектов решетки, не- однородностей, границ раздела и т. п., и вносит свой вклад в поля­ризацию диэлектрика. При поляризации диэлектрика на его поверх­ностях, обращенных к электродам, образуются поверхностные связанные заряды (см. гл. 2.1.2). Для компенсации этих зарядов на электроды дополнительно натекают сторонние заряды + (?_д и (см. рис. 2.1, б), формирование и рост которых связаны с возникновени­ем и ростом тока абсорбции. Когда поляризация диэлектрика начнет завершаться, то рост сторонних зарядов замедлится, а затем и вовсе прекратится, следовательно, и ток абсорбции по мере завершения поляризации начнет уменьшаться и станет равен нулю.

Ток абсорбции при постоянном напряжении наблюдается только в момент включения и выключения, при переменном напряжении — в каждый полупериод изменения электрического поля, т. е. прак­тически в течение всего времени приложения переменного напря­жения.

В результате поляризации диэлектрика, вызванной релаксационными видами, а также под действием образовавшихся объемных зарядов, образец заряжается. В диэлектрике возникает электрическое поле (Е_сз), вектор ко­торого направлен противоположно приложенному полю. Если от него от­ключить внешний источник напряжения и его закоротить, то по образцу пойдет обратный так называемый ток деполяризации, который образуется в результате освобождения носителей заряда с различных ловушек и дезори­ентации диполей. Зависимость тока деполяризации от времени несет информацию о закономерностях молекулярной подвижности, дефектах строения, и в ряде случаев с ее помощью возможно прогнозирование срока службы полимерной изоляции (см. гл. 5.4.3). При нагревании (с постоян­ной скоростью) заряженного образца образуется ток деполяризации, или ток термостимулированной деполяризации (ТСД). Метод ТСД широко ис­пользуют при изучении релаксационных переходов (Г_с, Г_т и др.) в поли­мерных диэлектриках, а также закономерностей накопления и переноса носителей заряда.

Составляющая тока, которая не изменяется со временем прило­жения постоянного напряжения, представляет собой стационарный поток электрически заряженных частиц, разряжающихся на электро­дах, и называется током сквозной проводимости /_ск (сквозным током, током утечки или остаточным током). По величине сквозного тока определяют удельную объемную (или поверхностную) электропро­водность диэлектрика.

Ток сквозной проводимости обусловлен направленным движением свободных зарядов с обязательным их разряжением на электродах. Эти заряды поставляются ионогенной примесью, самим диэлектриком, а в сильных полях инжектируются со стороны электродов.

Только в результате разряжения носителей заряда на электродах (поло­жительный ион принимает электрон(ы) из катода, а отрицательный ион от­дает электрон(ы) аноду) во внешней цепи возникает электрический (элек­тронный) ток, измерив величину которого, можно определить удельное объемное (или поверхностное) сопротивление диэлектрика. Если в диэлек­трике протекающий ток имеет ионную природу, то во внешней цепи — электронную. Следовательно, на электродах происходит трансформация тока из ионного типа в электронный.

Ток сквозной проводимости измеряют тогда, когда после прило­жения к образцу постоянного напряжения ток абсорбции спадет практически до нуля. Это время, как отмечалось выше, составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут и определяется экспериментально.

Величина тока сквозной проводимости при длительном прило­жении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимических процессов, а также образования объемных зарядов. Величина сквозного тока не изменяется только при чисто электронном типе проводимости. Если при длительном приложении постоянного напряжения к твердому или жидкому диэлектрику ток сквозной проводимости со временем продолжает уменьшаться (см. рис. 3.3, кривая 2), значит электропроводность данного материала обусловлена в основном ионами примеси и уменьшается в результате электроочистки образца. Ток сквозной проводимости также уменьшается, если носители заряда, подходя к электродам, не разряжаются на них из-за высокого потенциаль­ного барьера на границе металл—диэлектрик. Накапливаясь в приэлектродных областях, носители заряда образуют объемные за­ряды (положительный — у катода и отрицательный — у анода), препятствующие прохождению тока. Объемные заряды в приэлек­тродных областях могут также образовываться (в сильных полях) в результате инжекции зарядов со стороны электродов, однако в этом случае знак объемных зарядов соответствует полярности электродов (см. гл. 7.15.5).

До приложения электрического поля диэлектрик был электро­нейтральным, т. е. суммарный заряд всех его микрообъемов был ра­вен нулю, то после приложения поля, в результате перемещения за­рядов (в том числе инжектированных со стороны электродов) на макроскопические расстояния и закрепления части из них на ловуш­ках, электронейтральность нарушается, и в диэлектрике возникают объемные заряды. Образец поляризуется. Заряды, которые разряжа­ются на электродах, образуют ток сквозной проводимости. Таким образом, поляризация и электропроводность всегда проявляются од­новременно, только по истечении некоторого времени поляризация завершается, а электропроводность сохраняется.

Если же ток сквозной проводимости со временем увеличивается (см. рис. 3.3, кривая 7), то это указывает на участие в образовании электрического тока зарядов, являющихся его структурными элемен­тами материала, т. е. имеет место электролиз. В этом случае материал стареет — в нем протекают необратимые электрохимические процес­сы, постепенно приводящие к разрушению (пробою) образца (см. гл. 5). Например, приложив к нагретому неорганическому стек­лу постоянное напряжение, можно наблюдать благодаря его про­зрачности, как в стекле продукты электролиза, в частности выделяю­щийся на катоде металлический натрий, образуют ветвистые отложения — металлические дендриты (подробнее см. гл. 5.4.3). При достаточном времени прохождения тока дендриты могут прорасти сквозь всю толщину диэлектрика от катода к аноду и образовать проводящий канал.

Дата добавления: 2015-08-09