Введение к работе
Актуальность темы. Развитие науки и техники привело к расширению области применения диэлектриков. Во многих устройствах используются слои диэлектриков, которые длительное время должны работать в условиях сильных электрических полей. При этом в диэлектриках протекают физические процессы, приводящие, к изменению структуры вещества и ухудшению его электроизоляционных свойств. Поэтому изучение процессов, проходящих в диэлектриках в сильных электрических полях, является важной практической задачей. Исследования любых сложных процессов проводят обычно на наиболее простых в структурном отношении и хорошо изученных материалах, так называемых модельных. К ним относятся щелочногалоидные кристаллы ( ЩГК ).
Исследование свойств ЩГК в сильных электрических полях ведется на протяжении многих лет. Но интерес к этим материалам как модели диэлектрика с ионной связью не ослабевает. Благодаря эффекту электрического упрочнения с уменьшением толщины диэлектрика появилась возможность проводить исследования ЩГК в сверхсильных электрических полях. Сверхсильные электрические поля - это поля, превышающие по напряженности пробивные для диэлектриков с толщиной более 20 - 30 мкм и реализуемые в более тонких слоях, то есть поля с напряженностью более 1 МВ/см. В таких полях был обнаружен ряд новых явлений ( ударная ионизация, электролюминесценция, эмиссия горячих электронов в вакуум, генерация электрическим полем дополнительных линейных и точечных дефектов и др. ).
Сравнительно небольшое число работ посвящено исследованию токов, процессов ударной ионизации, пробоя и электрической прочности ЩГК в условиях сверхсильных электрических полей. Однако при исследовании токов в ЩГК не учитывалось, что в сильных и сверхсильных электрических полях возможна генерация дефектов в процессе измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ), что может влиять на измеряемые характеристики.
В ЩГК в основном исследовано появление дефектов при механических и радиационных воздействиях. Но при наблюдении
электролюминесценции в области сверхсильных электрических полей обнаружено появление дефектов кристаллической решетки под действием электрического поля. Механизм появления этих дефектов до конца не изучен. Появление дефектов под действием сверхсильных электрических полей, по-видимому, является составным элементом таких давно исследуемых явлений как пробой и старение материала, которые, с одной стороны, ограничивают применение материалов, но с другой стороны, находят практическое применение в ряде устройств. Дефектообразование и протекающие токи в ЩГК в сверхсильных электрических полях могут быть взаимосвязаны. Поэтому необходимо исследовать не только кинетику генерации дефектов в сверхсильном электрическом поле, но п влияние генерации дефектов на свойства и характеристики ЩГК. Такое исследование является актуальным по той причине, что по мере приближения к пробивным полям процессы дефектообразовання начинают играть определяющую роль в переносе зарядов, ударной ионизации, электролюминесценции, и, в конечном счете, в пробое диэлектрика.
Данная работа выполнена в рамках госбюджетных тем N 14/94 "Низкотемпературные исследования ионных и электронных процессов в щелочногалоидных кристаллах в условиях сильных и сверхсильных электрических полей" и N4/97 "Исследование ионных и электронных процессов в щелочногалоидных кристаллах в области сильных и сверхсильных электрических полей", выполняемых в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по единому заказ-наряду (темы N 14/94 и N 4/97 согласованы с Головным советом "Физика, подсекция Физика твердого тела").
Цель работы. Изучение характера токов и кинетики дефектообразовання в ЩГК в сверхсильном электрическом поле при различных температурах, а также исследование влияния дефектообразовання на ток и его состав, выявление роли ионных процессов в обшей картине физических явлений, проходящих в диэлектрике в сверхснльных электрических полях.
Научная новизна. В данной работе впервые целенаправленно комплексно исследованы процессы дефектообразовання и токопрохождення в тонких монокристаллических слоях NaCl в сверхсильных электрических полях. В частности:
l.Ha основании проведенных экспериментов и теоретических расчетов определен состав токов на каждом участке ВАХ. Показано, что в сверхсильных электрических полях не реализуется механизм токов, ограниченных пространственным зарядом.
-
Исследовано влияние напряженности электрического поля на изменение плотности дислокаций в зависимости от температуры и времени воздействия поля.
-
Исследовано изменение плотности дислокаций в процессе измерения ВАХ и вольтяркостных характеристик ( ВЯХ ).
-
Впервые показано значительное влияние ионных процессов и связанных с ними структурных изменений в монокристаллических слоях ЩПС на протекание электронно-оптических явлений в этих кристаллах в условиях сверхсильных электрических полей.
Научная и практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований носят фундаментальный характер и могут быть использованы при разработке количественных теорий в области физики диэлектриков сильных и сверхсильных электрических полей (в теориях электролюминесценции, электрического пробоя твердых диэлектриков, деградационных процессов и электрического старения диэлектрических материалов ).
На защиту выносятся следующие научные положення:
-
Ионные токи определяют последующее развитие элек-троннооптических процессов в сверхсильных электрических полях и пробой. Это влияние усиливается с увеличением начальной концентрации дефектов в образце и с увеличением напряженности электрического поля вследствие процесса генерации дефектов в сверхсильном электрическом поле.
-
До начала свечения электронные токи через образец не протекают. Появление электронных токов обусловлено автоэлектронной эмиссией из электролитового электрода, причем это
происходит в полях с такой напряженностью, при которой захват электронов ловушками не наблюдается и не реализуется механизм токов, ограниченных пространственным зарядом.
-
Напряженность поля, при которой начинается заметная автоэлектронная эмиссия в значительной степени зависит от интенсивности структурных изменений в образце, протекания ионных токов. Этими процессами и объясняется смещение изгибов на вольт - амперной характеристике, связанных с изменением характера тока, и начала ВЯХ в область более сильных полей в зависимости от начальной концентрации дефектов, времени и температуры.
-
Кинетика дефектообразования в ЩГК в электрических полях при напряженностях Е < 1 МВ/см определяется размножением дислокаций вследствие их пересечения и взаимодействия при движении под действием кулоновских сил (полевой механизм ), а при Е > 1 МВ/см - генерацией дислокаций вследствие термоупругих напряжений, вызванных локальным протеканием электронного тока.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на I и П Республиканских конференциях по физике твердого тела ( г. Караганда, 1986 и 1990 гг. ), на расширенном заседании секции электролюминесценции Научного Совета по люминесценции АН СССР ( г. Запорожье, 1987 г. ), на IY Всесоюзной конференции по физике диэлектриков ( г. Томск, 1988 г.), на XXXIY и XXXY Международных научных конференциях студентов и аспирантов ( г. Новосибирск, 1996,1997 гг. ).
Всего по теме диссертации опубликовано 9 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 146 наименований и содержит 164 страницы сквозной нумерации, 43 рисунка и три таблицы.
Похожие диссертации на Токи и дефектообразование в ЩГК в сильных и сверхсильных электрических полях
