Контактні явища.

Джерелами ініціюючих носіїв струму пробою можуть бути електроди або сам електроізоляційний матеріал. В електродних процесах основну роль відіграють явища, що відбуваються на межі електрода й міжелектродного проміжку - контактні явища. При розгляді контактних явищ доцільно використати зонну теорію конденсованих середовищ.

З наведеного вище очевидно, що й у металах, і в неметалах електрони зв'язані в результаті взаємодії з ядрами своїх і чужих молекул, атомів або іонів. Тому вихід електрона з речовини /емісія/ у вакуум або інше середовище можливий лише тоді, коли електрону надається енергія, достатня для виконання роботи з подолання сил цієї взаємодії, сили дзеркального відображення, що виникає, коли електрон знаходиться над поверхнею, а також сили гальмування з боку подвійного зарядженого шару, що утворений раніше емітованими електронами. Ця робота називається роботою виходу.

Термодинамічна робота виходу електронів з речовини – j. – відраховується від рівня хімічного потенціалу електронів (рівня Фермі) Для металів вона може становити величину 2 - 6 еВ, для діелектриків - від 2 до 8 еВ. Характер контактних явищ визначається різницею робіт виходу контактуючих матеріалів j₀.(?)

Енергетичні діаграми контактів вакуум і метал - діелектрик у момент приведення в зіткнення наведені на рис.3 а, б.

Рис. 3. Енергетичні діаграми контактів: метал-вакуум (а), метал-діелектрик у момент контакту (б), метал-діелектрик у рівноважному стані при j_м > j_д (в), і j_м < j_д (г).

Тому що умовою рівноваги електронів у контактуючих тілах є рівність їхніх рівнів хімічного потенціалу, то в наступні моменти після приведення металу і діелектрика в контакт починається перерозподіл зарядів між ними. Характер цього перерозподілу залежить від різниці робіт виходу електронів з металу й діелектрика. Якщо робота виходу електронів з металу j_м більше роботи виходу з діелектрика j_д , то електрони з діелектрика переходять у метал доти, доки не утвориться контактна різниця потенціалів, яка дорівнює різниці робіт виходу і компенсує її. У приелектродному шарі в діелектрику утвориться збіднений електронами шар (рис. 3 в). В сильних полях діелектрик має власну електронну провідність (n –тип). Тому збіднений шар має підвищений опір і називається запірним. Інжекція (емісія) неосновних носіїв - дірок, що має місце в цьому випадку, не може компенсувати ріст опору внаслідок відходу електронів від площини контакту у зв'язку з тим, що рухливість дірок у діелектриках нижча, ніж рухливість електронів.

Якщо робота виходу електронів з металу менша, ніж з діелектрика, то спостерігається інжекція електронів у діелектрик (рис. 3 г). Приелектродний шар збагачується основними носіями, і його опір знижується. Такий шар називається антизапірним.

Глибина проникнення об'ємного заряду в діелектрик L може бути визначена з рівняння Пуассона

При граничній умові j|_x=L=0 вона дорівнює .

У діелектрику з концентрацією здатних іонізуватися домішкових центрів n=10¹² -10¹⁵ см ^-3, глибина проникнення об'ємного заряду може досягати міліметрів.

Таким чином, вже в результаті контакту металу з діелектриком, спостерігається зміна властивостей останнього в приповерхневому шарі. Величина цієї зміни залежить від різниці робіт виходу, тобто від матеріалу електродів. Однак, вплив матеріалу електродів на пробій на практиці спостерігати надзвичайно складно. Справа в тому, що контактна різниця (одиниці вольт) дуже мала у порівнянні із пробивними напругами (сотні - тисячі вольт) за винятком пробою шарів діелектрика товщиною в одиниці мікрометрів. Крім того, у наведених міркуваннях не враховувалася відмінність властивостей діелектрика на поверхні від об'ємних. Ця відмінність обумовлена обривом періодичної структури діелектрика на поверхні, у результаті чого в забороненій зоні з'являються дозволені енергетичні рівні, так звані рівні Тамма, а також впливом абсорбованих на поверхні діелектрика забруднень (волога, гази? й т.п.), які можуть бути частково іонізованими. При великій концентрації забруднень на поверхні діелектрика, поверхневий шар екранує контактне поле, й контактне падіння потенціалу приходиться на проміжок метал - діелектрик, а не на діелектрик. Зазначені явища приводять до відсутності чіткого взаємозв'язку між матеріалом струмоведучих і потенційних елементів і пробивною напругою електроізоляційної конструкції.