Теория электрического пробоя твердых диэлектриков (ударная ионизация)

Ударная ионизация — это физическое явление увеличения числа электронов и ионов в промежутке за счет столкновения электронов с повышенной энергией с нейтральными молекулами.

В литературе, посвященной проблеме электрического пробоя, чаще всего рассматривают теории ударной ионизации электронами [7, с. 154−158], как наиболее теоретически обоснованные и наилучшим образом согласующиеся с экспериментальными данными. В основе механизма электрического пробоя, в соответствии с теориями этой группы, лежат процессы, приводящие к лавинообразному возрастанию числа свободных электронов проводимости.

Согласно теории Хиппеля-Каллена (теории ударной ионизации медленными электронами) требуемую для ионизации энергию электроны накапливают после нескольких столкновений. Для этого энергия, теряемая электроном в результате взаимодействия с кристаллической решеткой, должна быть меньше, чем энергия, приобретаемая им в электрическом поле. Условия системы пробоя в теории Хиппеля-Каллена имеют вид:

(1).

В теории Фрелиха (ударной ионизации быстрыми электронами) решающую роль в пробое твердого диэлектрика играют электроны, энергия которых близка к энергии ионизации. Фрелих доказал, что с увеличением напряженности внешнего электрического поля, уменьшается энергия электронов. При этом ускоряются электроны, значение энергии которых лежит в пределах .

Эти электроны, в дополнение к быстрым, и создают ударную ионизацию. Условия системы пробоя твердого диэлектрика в теории Фрелиха имеют вид:

(2).

В работе Г. А. Воробьева, С. Г. Еханина и Н. С. Несмелова [4] доказано, что в щелочно-галлоидных кристаллах (NaCl и KCl) электрический пробой обусловлен именно ударной ионизацией электронами. Однако авторы отмечают, что на механизм пробоя существенное влияние оказывают дефекты и неоднородности кристаллической структуры. Электронные токи, сопровождаемые ударной ионизацией, протекают в локальных участках слоя диэлектрика, где под действием электрического поля произошла генерация линейных и точечных дефектов.

Н.П. Богородицкий выделяет в качестве отдельного вида электрический пробой неоднородных диэлектриков и отмечает, что пробивные напряжения для них, как правило, невысоки [1, с. 67−69]. Пробивное напряжение неоднородного диэлектрика существенно зависит от его толщины и площади электродов. Чем больше толщина диэлектрика и площадь электродов, тем больше пор и микротрещин, заполненных газом, попадают в пределы электрического поля, что приводит к существенному снижению электрической прочности материала.