Ініціюючі процеси.

Електрони (рідше дірки)? з електродів в загальному випадку можуть переходити у діелектрик у результаті автоелектронної (холодної, польової), термопольової, термічної або фотоемісії. Іноді емісія ускладнюється наявністю діелектричних забруднень на електродах (ефект Малтера).

Теоретичний розгляд емісії електронів з металів в ізолюючий проміжок, звичайно, проводиться з використанням зонної теорії, основні положення якої були викладені в попередньому розділі.

Енергетичний бар'єр для переходу електронів з електрода в електроізоляційний матеріал визначається різницею робіт виходу j?. Якщо перехід активується тільки тепловим рухом, то такий термоемісійний струм у вакуумі, відповідно до формули Річардсона – Душмана, дорівнює

де А - стала, що змінюється в залежності від матеріалу електродів від 2,6 10⁵ для Fe і до 6,5 10⁵ А/м²К² для Cu . До винятків відносяться цезій А = 1,6 10⁴ А/м²К², гафній - А = 3,3 10⁶ А/м²К² і реній - А = 7,2 10⁶ А/м²К².

При наявності на поверхні електрода, що емітує, електричного поля (рис. 4) напруженістю Е висота потенційного бар'єра знижується (ефект Шотткі) на величину

Зниження потенційного бар'єра спостерігається також при адсорбції на поверхні металу позитивних іонів. При адсорбції негативних іонів потенційний бар'єр збільшується.

Зміна висоти бар'єра при адсорбції заряджених часток дорівнює

де n_f,q_f- щільність і заряд диполів, утворених адсорбованими частками і їхніми дзеркальними відображеннями;

d- товщина дипольного шару.

У сильних електричних полях (Е > 10⁸ В/м ) спостерігається зменшення товщини потенційного бар'єра (рис. 4), і бар'єр стає "прозорим" для електронів, якщо врахувати хвильові особливості їхнього руху.

Проходження електронів через бар'єр, або "тунелювання" відповідає явищу автоелектронної емісії. Струм автоелектронної емісії дорівнює (Фаулер, Нордгейм)

Рис. 4. Зміна конфігурації потенційного бар'єра на межі метал-вакуум і метал-діелектрик в електричному полі.

а з урахуванням теплової енергії

/1/

Автоелектронна емісія можлива також при покритті металу тонким ізоляційним шаром і зарядженні зовнішньої сторони шару позитивним потенціалом. Густина емісійного струму в цьому випадку дорівнює

де W_з - ширина забороненої зони діелектрика;

Е - напруженість, створювана поверхневим зарядом.

Наведені вище формули справедливі й для контакту метал-діелектрик, якщо зменшити роботу виходу в e_r раз (e_r - відносна діелектрична проникність).

Одним із джерел ініціюючих електронів може служити фотоемісія, тобто емісія електронів під дією збуджуючого світла природного або штучного походження. Енергія кванта hn (де h = 6,54·10^-34 Дж∙c - стала Планка, n - частота випромінювання) повинна перевищувати роботу виходу електронів.

Ініціюючі носії можуть утворюватися й в електроізоляційному матеріалі під дією іонізуючих (наприклад, космічних) випромінювань, температури, електричного поля.

Одним з найпоширеніших механізмів утворення ініціюючих носіїв є іонізація речовини космічними променями. Якщо в газоподібних діелектриках в 1 см³ в 1 с утворюється 4-5 пар іон – електрон, або різнойменних іонів, то в конденсованих - близько 200.

Фотоіонізація можлива, якщо енергія фотона hn > W_і (де W_і- енергія іонізації –див. табл. 1). В той же час при нейтралізації позитивного іона виділяється квант енергії, рівний W_і.

Крім фотоіонізації при впливі випромінювання й інших факторів на газ можливе збудження молекул. Зворотний перехід збуджених молекул у нормальний стан супроводжується випромінюванням фотонів з енергією hn = DW (де DW- різниця енергії збудженого й нормального станів). У сумішах газів при наявності компонента з енергією іонізації нижче DW ці фотони можуть приводити до його інтенсивної фотоіонізації.

У твердих діелектриках істотну роль грає механізм теплової генерації вільних носіїв. Імовірність переходу в зону провідності для електрона в діелектрику із забороненою зоною W_з дорівнює /2/

При наявності електричного поля ця ймовірність збільшується й згідно Френкелю стає рівною

,

а густина струму

де b_е - рухливість електронів;

n₀ - концентрація електронів у валентній зоні;

b - коефіцієнт рекомбінації електронів.

Домішки й неоднорідності структури різко збільшують провідність реальних діелектриків, тому що при цьому полегшуються умови для переходу електронів у зону провідності внаслідок утворення домішкових рівнів у забороненій зоні.

В іонних діелектриках може переважати іонна провідність. Сама по собі вона не може катастрофічно зрости, однак тривале протікання іонного струму пов’язане, звичайно, з поступовим погіршенням властивостей матеріалу через перенесення маси й супроводжуюче його нагромадження дефектів. Зростання дефектності матеріалу і його електропровідності може стати причиною теплового пробою.

Початкова провідність рідин, що застосовуються в ізоляційній техніці, пов'язана, частіше всього, з домішками, тому що молекули їх неполярні й імовірність їхньої дисоціації мала?. Найбільше розповсюдженою і найбільш шкідливою через велику полярність домішкою є вода.

У рідинах часто спостерігається також катафоретична провідність. Найчастіше вона пов'язана з макродомішками з меншою діелектричною проникністю, які в рідині заряджаються позитивно.

Електронна провідність у рідині починає превалювати тільки в досить сильних полях.

<16 17 181920 21 22 >

Дата добавления: 2015-02-10; просмотров: 843;