Процессы разрушения электрической природы

Отказы, связанные с электрическими явлениями, в основном актуальны для технических устройств содержащих диэлектрики и полупроводники. В этих материалах встречаются два вида разрушения электрической природы: пробой и поверхностный разряд.

Электрическая прочность материала характеризуется напряжением пробоя (напряжение пробоя). При повышенных температурах происходит так называемый тепловой пробой, при котором напряжение пробоя, в отличие от чисто электрического пробоя, зависит от температуры. Типичные значения напряжения при электрическом пробое находятся в интервале 10⁶-10⁷В/см, а при тепловом – 10⁴-10⁵В/см (электропроводность диэлектриков растет с увеличением температуры). Пробой при таких напряжениях не всегда происходит мгновенно, его длительность может достигать нескольких секунд при электрическом пробое и сотен секунд – при тепловом.

Существуют две температурные области, в которых диэлектрик ведет себя по-разному. В области низких температур, соответствующей электрическому пробою, напряжение пробоя не зависит от температуры и от времени воздействия напряжения, если оно не мало. В области, соответствующей тепловому пробою, напряжение пробоя зависит как от температуры, так и от длительности воздействия напряжения: чем меньше время воздействия, тем напряжение выше.

Иногда выделяются как отдельные формы пробоя химический (электрохимический) пробой и пробой, вызываемый физическими дефектами диэлектрика. Под химической формой пробоя понимается пробой, связанный со снижением электрической прочности диэлектрика вследствие химических изменений, происходящих в диэлектрике при длительном воздействии высокого напряжения. При этом по существу происходят два последовательных процесса: процесс физико-химического изменения диэлектрика (старение), снижающий его электрическую прочность, и собственно пробой, который может быть тепловым (чаще всего) или чисто электрическим.

Обычно разрушение изоляции при эксплуатации происходит в результате комбинированного воздействия ряда факторов: термического воздействия при повышенных температурах, воздействия электрического напряжения, механического воздействия, влияния влаги и загрязнений и др.

Полупроводники, так же как диэлектрики, обладают определенной электрической прочностью, характеризуемой критической напряженностью электрического поля (пробивной напряженностью), при которой начинается резкий рост электропроводимости. Различия объясняются, главным образом, разной шириной полосы запрещенных энергий между валентной зоной и зоной проводимости: в диэлектриках она больше 3 эВ, в полупроводниках меньше 2 эВ. Потеря электрической прочности и пробой полупроводников под действием электрического поля в зависимости от ряда условий могут быть вызваны различными физическими процессами. В связи с этим различают, так же как для твердых диэлектриков, электрический, тепловой и комбинированный механизмы пробоя полупроводников.

Керамика — неоднородный по составу материал. Воздействие на нее электрического поля приводит к возникновению в керамике областей с повышенным значением максимальной напряженности по отношению к значению средней напряженности электрического поля. Причиной возникновения таких областей могут быть крупные и мелкие поры, макро- и микротрещины, проводящие включения, межкристаллическая прослойка, граница электрод—керамика.

Электрический пробой твердых диэлектриков представляет собой сложный комплекс разнообразных физических процессов и явлений: электрических, механических, тепловых. Характерной особенностью электрического пробоя, который возникает в чистом виде в достаточно однородном поле, в отсутствие краевых разрядов, при кратковременном приложении напряжения, является возрастание тока перед пробоем с увеличением напряжения приблизительно по экспоненциальному закону и почти скачкообразное увеличение тока при достижении определенной напряженности поля (при пробое); образующийся большой ток способен расплавить, обуглить или сжечь диэлектрик, при небольшом токе в месте пробоя остается след в виде прокола или прорыва.

Наиболее вероятным механизмом электрического пробоя твердых диэлектриков является ударная ионизация электротоками или ионами. При движении в решетке твердого тела электроны проводимости отдают энергию, полученную от электрического поля, атомам или ионам кристалла, вызывая ионизацию. Разрушение диэлектрика в стадии завершения разряда и послепробойной стадии значительно больше, чем в стадии формирования разряда. В стадии завершения разряда (стадии разрушения) выделяется энергия, по крайней мере на три порядка большая, чем в стадии формирования разряда.

Различают два основных вида электрического разряда по поверхности диэлектрика и соответствующего им электрического повреждения:

1) поверхностное (дуговое) перекрытие, характеризующееся тем, что электрическая дуга начинается и проходит в основном в газе, находящемся над поверхностью изоляционного материала;

2) прогрессирующее поверхностное повреждение, при котором повреждение происходит под разрушающим влиянием поверхностных дуговых разрядов или искрения.

При прогрессирующем повреждении при каждом разряде на поверхности диэлектрика появляется неисчезающий дефект (проводящий след или проводящая дорожка), имеющий обычно древовидную форму и способный вызывать сильную эрозию поверхности. Влияние дуги и проводящего следа является в основном термическим, т. е. они вызывают высокотемпературные реакции, такие как разложение или горение. Поверхностное перекрытие изоляционных конструкций зависит от большого числа факторов, к которым относятся: площадь и состояние поверхности диэлектрика, расположение поверхности диэлектрика относительно электродов, относительные значения диэлектрической проницаемости двух сред (твердого диэлектрика и газовой среды), электрическая прочность газа, контакт между электродом и изоляционным материалом, форма приложенного напряжения, продолжительность его действия, толщина изоляции и изоляционные расстояния и др.

Тепловой пробой твердых диэлектриков происходит обычно при длительном воздействии электрического напряжения и является следствием нарушения теплового равновесия диэлектрика (когда подвод тепла к диэлектрику превышает отвод тепла путем теплопроводности, излучения и конвенции). Нарушение теплового равновесия приводит к катастрофическому нарастанию количества тепла, выделяемого в диэлектрике, и к термическому его разрушению - прожиганию, плавлению или разложению. Тепловой пробой имеет место в случае, когда приложенное напряжение недостаточно для того, чтобы вызывать электрический пробой при данной температуре, и когда вследствие выделения тепла происходит такое повышение температуры в диэлектрике, что снижаются его электрическое сопротивление и электрическая прочность до значений, соответствующих приложенному напряжению.

Возникновение электрического пробоя полупроводников в сильном электрическом поле обусловлено резким увеличением концентрации носителей зарядов вследствие генерации электронно-дырочных пар электрическим полем. В полупроводниковых приборах с увеличением обратного напряжения, приложенного к электронно-дырочному (p-n)-переходу, по достижении некоторого напряжения происходит резкое возрастание обратного тока и, если не принять мер к его ограничению, возникает пробой (p-n)-перехода прибора. Существуют следующие механизмы электрического пробоя в объеме полупроводников:

- электрический пробой, вызываемый электростатической ионизацией (электростатический, туннельный, зинеровский пробой);

- электрический пробой, вызываемый ударной ионизацией (ударный, или лавинный пробой).

Пробой может наступить в результате совместного действия ударной и электростатической ионизации. Наряду с пробоем в объеме полупроводника наблюдается поверхностный пробой. В ряде случаев выход полупроводниковых приборов из строя происходит вследствие их теплового пробоя, что влияет на их тепловую устойчивость. Исследования показывают, что практически во всех случаях теплового пробоя транзисторов происходят следующие явления:

а) выход транзисторов из строя сопровождается возникновением необратимого короткого замыкания между коллектором и эмиттером либо, что наблюдается значительно реже, – между коллектором и базой;

б) выход транзисторов из строя происходит при напряжениях, значительно меньших, чем предусмотренное ТУ предельное напряжение для транзисторов данного типа;

в) вероятность отказа транзисторов быстро возрастает с повышением температуры (р-n)-перехода и приложенного к нему напряжения;

г) вероятность отказа больше для транзисторов с большим обратным током коллекторного перехода, особенно если наблюдается возрастание этого параметра в процессе работы.