3.7. Процессы теплового разрушения твердых тел

Тепловая устойчивость твердых тел, так же как теоретическая механическая прочность, определяется энергией межмолекулярной, межатомной связи (энергией кристаллической решетки). Большая величина энергии связи характеризует способность к образованию решеток с высокой нагревостойкостью, механической и электрической прочностью. В зависимости от скорости нагревания тепловое разрушение представляет собой плавление или испарение (сублимацию) твердого тела. Медленное нагревание кристаллического твердого тела сопровождается его плавлением и испарением расплава; быстрое нагревание вызывает испарение твердого тела.

Процесс плавления твердого тела характеризуется температурой и теплотой плавления (количеством энергии, необходимым для плавления одного моля вещества при постоянной температуре), значения которых возрастают с увеличением энергии связи. Наблюдаемая корреляция между плавлением и механическим разрушением соответствует связи между пластической деформацией и разрушением: элементарные акты при плавлении и пластической деформации полагаются одинаковыми (при пластической деформации наступает локальное плавление вследствие повышения температуры в узкой зоне вдоль плоскости скольжения за счет энергии внешнего источника).

Во всяком случае, имеющиеся данные свидетельствуют о близкой природе физических процессов механического и теплового разрушения материала. На взаимную связь этих процессов указывает, в частности, то, что одновременное действие механической нагрузки и нагревания оказывает одинаковое совокупное действие, ускоряющее разрушение металла.

Процессы сублимации (испарения, выгонки) твердых тел, происходящие

24

при любой температуре, имеют большое практическое значение при некоторых условиях эксплуатации. Так, в космических условиях (в глубоком вакууме) сублимация материалов оказывает непосредственное влияние на работоспособность устройств.

Испарение твердого тела происходит в результате увеличения значения энергии теплового движения до величины, необходимой для преодоления сил связи между частицами твердого тела и для отрыва частиц с поверхности кристалла (теплота сублимации или теплота испарения). При испарении твердого тела кристаллическая решетка полностью разрушается; скорость теплового разрушения твердого тела зависит от подводимой энергии, давления, структуры тела и ее нарушений.

При термическом разрушении (испарении) в вакууме чистых металлов, сплавов, окислов металлов, диэлектриков, полупроводников, так же как и при их механическом разрушении, наблюдаются одинаковые закономерности; температурно-временная зависимость механической и тепловой прочности твердого тела выражается аналогичными экспоненциальными зависимостями; время испарения уменьшается экспоненциально с повышением температуры тела и уменьшением теплоты испарения.

4. Процессы электрического разрушения твердых диэлектриков и полупроводников

Процессы электрического разрушения диэлектрических материалов могут быть двух видов: пробой толщи диэлектрика и разряд по поверхности диэлектрика. Пробой диэлектрика происходит при наложении электрического поля, напряженность которого превышает определенное критическое значение  пробивную напряженность Е_пр, характеризующую электрическую прочность диэлектрика. Для твердых диэлектриков характерны две основные формы пробоя: пробой, вызванный электрическим разрядом (чисто электрический пробой), и тепловой пробой.

Некоторые особенности чисто электрического и теплового пробоя многих твердых диэлектриков показаны на графике зависимости пробивного напряжения при данной толщине диэлектрика (или пробивной напряженности) от температуры (рисунок). Существуют две температурные области, в которых диэлектрик ведет себя по-разному. В области I  более низких температур, соответствующей чисто электрическому пробою, пробивная напряженность не зависит от температуры (так же, как и от времени воздействия напряжения, если оно не мало). В области II, соответствующей тепловому пробою, пробивная напряженность зависит как от температуры, так и от длительности воздействия напряжения: чем меньше время воздействия, тем выше пробивная напряженность.

Пробивная напряженность при электрическом пробое различных твердых диэлектриков составляет 10⁶10⁷ В/см; тепловой пробой в обычных условиях происходит в большинстве случаев при напряженности поля 10⁴10⁵ В/см. 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 (старения), снижающий его электрическую прочность, и собственно пробой, который может быть тепловым (чаще всего) и чисто электрическим. Ухудшение свойств диэлектрика в процессе старения, особенно при повышенной температуре, может создать такие условия, когда последняя фаза длительного процесса примет форму пробоя (теплового или электрического), характерную для кратковременного воздействия напряжения.

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 элек-

трического поля (пробивной напряженностью), при которой начинается резкий рост электропроводимости. Различия объясняются, главным образом, разной

26

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 раз-

личными физическими процессами. В связи с этим различают, так же как для твердых диэлектриков, электрический, тепловой и комбинированный механизмы пробоя полупроводников.

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

27

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: пло-

щадь 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 разруше- нию  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

28

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.