Рис. 6.1. Зависимость электрической прочности каменной соли от толщины

Часть II. Глава 6. Процессы, наблюдаемые в диэлектриках в области сверхсильных электрических полей

Глава 6. Процессы, наблюдаемые в диэлектриках в области сверхсильных электрических полей

6.1. Электрическое упрочнение

Электрическое упрочнение, как уже указывалось, является необходимым следствием механизма пробоя вследствие ударной ионизации электронами. Предсказанное А.Ф. Иоффе электрическое упрочнение твердых диэлектриков не было в свое время экспериментально подтверждено, что было связано с трудностями получения образцов диэлектрика малой толщины, не имеющих слабых мест. Еще Александров и Золотарева [3] указывали, что в

таких неоднородных образцах пробой происходит по слабым местам в диэлектрике, что не позволяло обнаружить электрическое упрочнение.

	В Томске под руководством Г.А.
	Воробьева были разработаны способы
	получения монокристаллических сло-
	ев щелочно-галоидных кристаллов
	толщиной до десятых долей микрона.
	Исследование		пробоя		таких			слоев
	позволило		обнаружить				наличие
	электрического упрочнения.						Позднее
	электрическое			упрочнение				было
	обнаружено в органическом стекле,
	целлулоиде,				полиэтилене,
	полистироле и других ТД. В качестве
Рис. 6.2. Зависимость пробив-	примера	на	рис. 6.1 и рис. 6.2
	приведена зависимость Е				пр	= f (d ) для
ного напряжения (1) и элек-	каменной	соли.		При				мкм
трической прочности (2) ка-					d=0.3
менной соли от толщины	Епр=1010	В/м,		т.е. почти в			50 раз

выше, чем при толщине 100 мкм. Аналогичные данные были получены для кристаллов KCl, KBr, KJ [4].

Исследования пробоя тонких монокристаллических слоев NaCl, КС1, LiF также показали наличие минимума пробивного напряжения, что показано на рис. 6.2, в зависимости пробивного напряжения ка-

138

Часть II. Глава 6. Процессы, наблюдаемые в диэлектриках в области сверхсильных электрических полей

менной соли от толщины. Наличие минимума пробивного напряжения можно объяснить только с позиций механизма пробоя вследствие ударной ионизации электронами по аналогии с газами.

6.2.Электронные токи в микронных слоях ЩГК в сильных электрических полях

Исследование токов, протекающих в тонких слоях ЩГК в сильных и сверхсильных электрических полях, позволяет судить о наличии ударной ионизации в диэлектрике в процессе пробоя. Без решения этой основной проблемы (реализуются в ЩГК процессы ударной ионизации или нет) невозможно понимание физической картины электрического пробоя в ЩГК. Имеются теоретические и экспериментальные работы, в которых показано, что вплоть до пробоя размножения электронов не происходит и электрический пробой якобы проходит без участия процессов ударной ионизации. Эти работы поставили под сомнение само существование ударной ионизации в щелочно-галоидных кристаллах. Однако анализ экспериментов и теоретических моделей показал, что при исследовании предпробойных токов принципиально не могло быть обнаружено ударное размножение электронов, так как исследовались

Рис. 6.3. Зависимость коэффициента ударной ионизации от напряженности электрического поля для КС1 и NaCI

Рис. 6.4. Зависимости отношения тока через слои J к току насыщения J от напряженности электрического поля Е, полученные в условиях принудительной инжекции электронов в слой диэлектрика для слоев NaCI различной толщины d, мкм:

1 – 6.5; 2 – 4.5; 3 – 3.2; 4 – 1.6

толстые образцы, в которых первая же лавина электронов приводит образец к пробою. Что касается теоретических расчетов строения энергетических зон ЩГК, то они были проведены для случая слабых электрических полей и содержали ряд допущений, состоятельность которых требовала тщательных экспериментальных исследований.

139

Часть II. Глава 6. Процессы, наблюдаемые в диэлектриках в области сверхсильных электрических полей

Советскому исследователю В.И. Пружининой-Грановской еще в 1938 г. впервые удалось наблюдать электронные токи в слюде в поле 1.108 В/м, т.е. близком к пробивному. Затем А.В. Баранов и Г.А. Воробьев в 60-х годах в Томске наблюдали электронные токи в тонких слоях монокристаллов KCl и КВr. В настоящее время имеются данные исследований токов в тонкопленочных диэлектриках, которые также интерпретируются как электронные. При этом напряженность поля в таких диэлектриках имеет тот же порядок 108 В/м. В работахА.В. Баранова измерялись токи в микронных слоях ШГК на импульсном напряжении с использованием мостовой схемы, позволяющей компенсировать емкостной ток. Эти токи в кристаллах КСl и КВr оказались очень малыми (на уровне чувствительности схемы). В кристаллах КСl и КВr обнаружены импульсные токи, которые зависели от термической обработки кристалла. В отожженных кристаллах токи были на три порядка меньше, чем в закаленных. В импульсном режиме ток также уменьшается от импульса к импульсу.

С.Г. Еханин использовал другую методику измерения токов. На катодную поверхность напылялся полупрозрачный слой металла, анодный электрод был электролитовый. С помощью электронной пушки электроны с энергией порядка 1 кэВ эмитировались через полупрозрачный электрод в диэлектрик. Путем ступенчатого повышения напряжения были получены вольт-амперные характеристики (ВАХ), представленные на рис. 6.4. Эти ВАХ напоминали характеристики разряда в газах. Участок а напоминает участок, где реализуется закон Ома, участок б – насыщение тока, в – возрастание тока за счет ударной ионизации. На это указывает и зависимость тока от толщины диэлектрика d. С ростом d возрастает и ток. На основании третьего участка получена зависимость коэффициента ударной ионизации от напряженности электрического поля в кристаллах NaCl и КСl (рис. 6.3).

Следует отметить, что коэффициент ударной ионизации в ЩГК на два-три порядка выше, чем в газах. При полях, близких к пробивным,

значение α ≈104 см-1. Если в диэлектрике имеются горячие электроны, способные к ударной ионизации, то можно ожидать эмиссию электронов из диэлектрика в вакуум. Проведенные С.Г. Еханиным эксперименты показали, что действительно при создании в тонком слое ЩГК сверхсильного электрического поля наблюдается эмиссия электронов через полупрозрачный анодный металлический электрод, нанесенный на слой диэлектрика напылением. Импульсы тока, протекающего через диэлектрик, и эмитированного тока в вакуум через анод были пропорциональны. Интенсивность и длительность импульса эмитированного тока определяются величиной и длительностью приложенного к слою напряжения. Послеэмиссия отсутствует. Средняя энергия эмитирован-

140

Часть II. Глава 6. Процессы, наблюдаемые в диэлектриках в области сверхсильных электрических полей

ных электронов составляет 5÷6 эВ, а хвост энергетического распределения уходит в область энергий, значения которых больше 10 эВ. Следует отметить, что коэффициент пропорциональности между эмиссионным и сквозным токами увеличивается при уменьшении толщины диэлектрического слоя, что доказывает связь эмиссионного тока с процессами в объеме диэлектрика, а не на анодном электроде.

Таким образом, экспериментальные факты показывают, что в вакуум эмитируются через анодную поверхность электроны, разогретые в зоне проводимости ЩГК сверхсильным электрическим полем, и позволяют заключить, что в ЩГК электроны могут ускоряться полем до энергий, достаточных для ударной ионизации.

6.3. Свечение в микронных слоях ЩГК

.А. Воробьев и И.С. Пикалова впервые наблюдали свечение в слое каменной соли на постоянном напряжении, что было редким явлением, а И.С. Пикалова и Н.С. Несмелов наблюдали регулярно возникающее свечение в микронных слоях ЩГК при воздействии переменного напряжения частотой от сотен герц до нескольких килогерц в кристаллах NaCl, KCl, KBr, NaBr и LiF. На рис. 6.5 показана микрофотография свечения тонкого слоя каменной соли (светлая вертикальная полоса между темными лунками, заполненными электролитом).

Рис. 6.5. Микрофотография свечения монокристаллического слоя NaCI с электролитовыми электродами

Рис. 6.6. Микрофотография свечения монокристаллического слоя NaCI с плазменными электродами

С.Г. Еханиным и Н.С. Несмеловым предложено устройство, когда к образцу присоединялись изолирующие трубки. В трубки вводились металлические электроды в виде иглы, не касавшиеся электродной поверхности. При приложении напряжения к металлическим электродам в трубках и лунках образца зажигался тлеющий разряд, и напряжение прикладывалось к тонкому слою диэлектрика, который при этом также светился, но спектр свечения слоя отличался от спектра свечения разряда в газе и соответствовал спектру свечения кристалла.

141

Часть II. Глава 6. Процессы, наблюдаемые в диэлектриках в области сверхсильных электрических полей

На рис. 6.6. показана микрофотография свечения, когда в качестве электродов использовался тлеющий разряд в воздухе. На рисунке видно свечение тлеющего разряда в лунках, а в центре микрофотографии – свечение диэлектрического слоя (поперечная светящаяся полоса). Исследование спектров свечения в кристаллах NaCl, KCl, KBr и NaBr показало их малое расхождение, причем при одинаковом галоиде спектры свечения почти не различаются, имеют голубоватый цвет и уходят в область ближнего ультрафиолета (рис. 6.7).

Оказалось, что интенсивность свечения возрастает с увеличением протекающего тока и начало свечения совпадает с началом протекания электронного тока в образце. То, что спектр излучения не зависит от

	плотности электронного тока, ука-
	зывает на		люминесцентный характер
	излучения. Сравнение						полученных
	спектров		излучения		со		спектрами
	фотолюминесценции						позволяет
	связывать		наблюдаемое				свечение
	аннигиляцией				возбужденного
	состояния анионов с вакансией.
	Рекомбинационные					процессы в
	слое	ЩГК,		находящемся					в
	сверхсильном			электрическом					поле,
Рис. 6.7. Спектр свечения	маловероятны.			Однако,			как	в	было
электролюминесценции KBr -	показано,		электрическое			поле			све-
Tl при различной концентра-	тящемся		слое	ЩГК		распределено
ции примеси, моль %:	неравномерно.			Наибольшую				напря-
1 – 4.3.10-4; 2 – 5.8.10-3;
3 – 1.6.10-2;	женность		электрическое				поле	имеет
4 – чистый кристалл KBr	вблизи		катода, где				происходит
	эмиссия	электронов.			Положительный

объемный заряд, обусловленный процессами ударной ионизации электронами кристаллической решетки, расположен в прианодной области слоя, там, где напряженность электрического поля наименьшая. Повидимому, в прианодной области вероятность рекомбинационных процессов выше, чем в остальной части слоя. Спектр свечения активированных ЩГК имеет 2 полосы: одну, совпадающую с излучением неактивированных кристаллов, и другую – в области ультрафиолета, совпадающую со спектром примесного излучения при фотолюминесценции.

Это указывает на то, что разогретые полем электроны возбуждают активаторные центры свечения, что позволяет судить об энергии быстрых электронов. Например, в кристаллофосфоре NaCI–Ag, возбуждение активаторных центров свечения наблюдается при энергии фотонов (при фотолюминесценции) или «горячих» электронов при электролю-

142