Электрический пробой и электрическая прочность: виды и причины явления

Резкое возрастание величины тока в вакууме, а также в газообразном, жидком или твердом диэлектрике, либо в полупроводнике, связанное с приложением к объему образца напряжения, величина которого превышает некое критическое значение, именуют электрическим пробоем. Электрический пробой как явление может длиться от нескольких пикосекунд до довольно продолжительного времени, как например в случае установления устойчивого дугового разряда в газе.

С явлением электрического пробоя тесно связана такая характеристика как электрическая (или диэлектрическая) прочность . Для твердых и жидких диэлектриков, а также для газов, электрическая прочность в заранее определенных условиях является величиной постоянной и выражается в В/см (вольт на сантиметр).

Она обозначает величину минимальной (критической) напряженности электрического поля в веществе, при которой наступает электрический пробой. Для твердых диэлектриков, таких как кварц или слюда, электрическая прочность лежит в диапазоне от 10 ⁶ до 10 ⁷ В/см, для жидких диэлектриков (таких как трансформаторное масло) — достигает 10 ⁶ В/см.

Если напряженность электрического поля в диэлектрике вдруг начинает превышать его электрическую прочность, то после пробоя диэлектрик начинает проводить электрический ток. Это связано с явлениями ударной ионизации и туннелирования, причем роли каждого из этих двух явлений для разных конкретных диэлектриков различны. В условиях пробоя электропроводность диэлектрика возрастает скачком, а сам диэлектрик зачастую испытывает при этом перегрев и разрушается.

У газов электрическая прочность связана с давлением и толщиной слоя, — чем выше давление — тем ниже электрическая прочность: при нормальных условиях в воздухе, при толщине слоя в 1 см, электрическая прочность находится в районе 30 кВ/см, однако с понижением давления она может доходить до 10 ⁷ В/см.

Электрический пробой вакуума

В вакууме, в промежутке между двумя проводящими электродами, к которым приложено критическое электрическое напряжение, появляются свободные электроны. Как следствие — проводимость в промежутке увеличивается и возникает электрический ток .

Суть происходящего заключается в том, что при некотором минимальной напряжении, на микроостриях катода (отрицательного электрода) сначала начинается автоэлектронная эмиссия , формирующая слабые предпробойные токи.

Когда же напряжение возрастает, между электродами формируется искровой разряд, который в принципе способен превратиться в дугу в парах металла, из которого изготовлены электроды. Есть две теории, описывающие данный процесс.

Согласно одной — электронно-лучевой теории — электроны, образовавшиеся в результате автоэлектронной эмиссии на катоде, будучи ускорены электрическим полем в промежутке, врезаются в анод, вызывая его локальный разогрев. Выделяются газы и пары металлов, атомы которых тут же ионизируются ускоренными электронами, в результате формируется электронная лавина.

Положительно заряженные ионы, получившиеся в результате такой ионизации, направляются к катоду, формируя возле него пространственный заряд, локально увеличивающий электрическую напряженность возле катода, что способствует усилению автоэлектронной эмиссии.

Вместе с этим начинается ионно-электронная эмиссия и катодное распыление. Концентрация паров металлов и газов в промежутке возрастает, вследствие чего развиваются искровой и дуговой разряды.

Согласно другой теории, ток автоэлектронной эмиссии разогревает катод, и при плотностях тока около 10 ⁸ А/кв.м, на катоде происходит микровзрыв, приводящий к образованию паров металла, в которых и формируется дуговой разряд.

Электрический пробой газа

В газах электрический пробой напрямую связан с электрическим током и процессом ионизации. В результате столкновений электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами и молекулами газа, начинается лавинообразное размножение заряженных частиц с образованием новых электронов, которые также ускоряются и усиливают ионизацию, формируя самостоятельный разряд.

Если для поддержания разряда в газе требуется дополнительная ионизация, например, внешним ионизирующим излучением, то такой разряд называется несамостоятельным. Обычно для поддержания разряда в газе применяют постоянное или переменное электрическое поле. В процессе разряда в газе, движущиеся ионы увлекают за собой молекулы газа, это называют электрическим ветром.

Молния как электрический пробой газа

Так называемый «пробой на убегающих электронах» впервые в 1992 году рассмотрел российский физик-теоретик Александр Викторович Гуревич. Данный вид пробоя в газе, как полагают, является начальной фазой формирования природной молнии .

Суть заключается в том, что электроны в воздухе при обычных условиях отличаются небольшой средней длиной свободного пробега — около 1 мкм. Среди электронов в воздухе встречаются быстрые электроны — с энергиями от 0,3 до 1 МэВ, которые движутся со скоростями близкими к скорости света. Такие быстрые электроны отличаются от «обычных» электронов в 100 раз большей средней длиной свободного пробега.

Электрическое поле в атмосфере способно ускорить быстрые электроны до энергий, сильно превышающих энергию обычных, изначально покоившихся электронов. При столкновении ускоренных электронов с молекулами воздуха, высвобождаются «убегающие» релятивистские электроны, формирующие электронные лавины.

Таким образом происходит пробой воздуха при атмосферном давлении, причем напряжение пробоя оказывается сильно меньше, чем при пробое воздуха (тоже при атмосферном давлении) в лабораторных условиях. Здесь критический уровень равен около 2,16 кВ/см, тогда как без «убегающих» электронов потребовалось бы 23 кВ/см.

Источником, отвечающим за образование быстрых электронов в атмосфере, изначально являются космические лучи, ионизирующие молекулы воздуха в верхних слоях атмосферы, высвобождающие таким образом релятивистские электроны, которые и рассматриваются как «быстрые».

Тепловой пробой полупроводников и диэлектриков

При чрезмерном разогреве кристаллической решетки полупроводника или диэлектрика может случиться его тепловой пробой. Суть в том, что с ростом температуры вещества, свободные электроны в нем приобретают энергию, близкую к той, которой достаточно для ионизации атомов кристаллической решетки. В связи с этим пробивное (критическое) напряжение данного вещества снижается.

Так, в результате передачи тепла к полупроводнику извне, либо вследствие протекания по нему тока, или из-за протекания переменного тока внутри диэлектрика (тепло диэлектрических потерь), в условиях когда тепло не успевает уходить в окружающую среду, может произойти термическое разрушение образца.

Для полупроводникового p-n-перехода тепловой пробой является необратимым, и, как правило, является следствием превышения обратного напряжения, которое из-за разогрева полупроводника уменьшилось. Именно таким путем часто вызывается выход из строя полупроводниковых приборов.

Лавинный пробой в диэлектриках и полупроводниках

Под действием сравнительно сильного электрического поля внутри диэлектрика или полупроводника, носители заряда в нем способны уже на расстоянии длины свободного пробега разогнаться до такой степени, что приобретают кинетическую энергию достаточную для того чтобы произвести ударную ионизацию атомов или молекул.

В итоге, от столкновений с атомами или молекулами таких ускоренных носителей заряда, внутри вещества образуются пары противоположно заряженных частиц, которые также начинают разгонятся электрическим полем и тоже производят ударную ионизацию. При этом число участвующих в ударной ионизации заряженных частиц нарастает лавинообразно.

Туннельный пробой и эффект Зенера

Туннельный эффект, проявляющийся как квантовомеханическое явление просачивания электронов через тонкий потенциальный (энергетический) барьер, способен вызвать явление резкого нарастания тока через обратносмещенный p-n-переход — туннельный пробой.

Суть эффекта состоит в том, что когда p-n-переход находится в обратносмещенном состоянии, энергетические зоны — зона проводимости и валентная зона — перекрываются. В данных условиях электроны имеют возможность переходить из валентной зоны p-области — в зону проводимости n-области.

Электрическое поле, приложенное к обедненному слою полупроводника, вызывает в нем туннелирование электронов из валентной зоны — в зону проводимости, что и выражается как резкое нарастание обратного тока через p-n-переход. Если данный ток как-то ограничен, то пробой обратим и p-n-переход не разрушается (а при лавинном пробое — разрушается).

В сильнолегированных p-n-переходах туннельный эффект наблюдается уже при напряжении менее 5 вольт, пробой является обратимым и относится к чистому эффекту Зенера (применяется в стабилитронах — диодах Зенера).