Электропроводность твердых диэлектриков

Для твердых диэлектриков наиболее характерна ионная электропроводность. В кристаллических веществах ионную проводимость можно объяснить, исходя из представлений о внутренних нарушениях структуры или о дефектах решетки.

Согласно Я. И. Френкелю под действием тепловых флуктуаций ионы получают иногда энергию, достаточную, чтобы покинуть нормальные положения в решетке и попасть в пространство между нормально закрепленными ионами. При тепловом возбуждении эти межузельные ионы перескакивают из одного положения в другое, а если к кристаллу приложено поле, то в направлении поля более часто. Если при движении по кристаллу ион встречает вакантное место, то он снова закрепляется в узле решетки. Такой процесс приводит к обмену атомов местами, т.е. к диффузии. Коэффициент диффузии Д связан с подвижностью соотношением Нернста-Эйнштейна

μ/D=q/кТ, (3.2.9)

где μ — подвижность, q — заряд, к — постоянная Больцмана, Т — температура. Коэффициенты диффузии, вычисленные по этой формуле при комнатной температуре, очень малы, не более 10^-5 см²/с, а подвижность 10^-4 см² /В·с.

В процессе электропроводности играют роль не только собственные ионы решетки, но и ионы примесей, особенно с высокой подвижностью. К таким ионам относятся ионы Ма⁺, К⁺, Н⁺, роль которых велика уже при комнатной температуре. К числу примесных ионов с большой подвижностью относятся также ионы Си⁺,Aи⁺, Аg⁺. Для таких ионов D=10^-5-10^-7 см²/c, M=10^-2-10^-4 см²/B·с.

Возможен и другой механизм электропроводности кристаллов — по Шоттки, при котором дефекты образуются в результате удаления равного числа анионов и катионов из нормальных узлов решетки, и помещении их в новые узлы на внешних и внутренних поверхностях кристалла. В этом случае вакансии перемещаются по кристаллу вследствие переноса в незанятый узел ионов из соседних узлов. Для многих ионных кристаллов удельная электропроводность экспоненциально зависит от температуры

γ=q·n·μ/γ₀^{ехр(-Wа/kT)}, (3.2.10)

где Wа=W/2+U, а W=W_f или W=W_B—энергия образования дефектов по Френкелю или по Шоттки в зависимости от типа дефектов, U — энергия активации ионов.

В координатах lnу=f(1/Т) эта зависимость представляется в виде прямой линии, либо в виде линии с изломом, если имеются два различных механизма проводимости (рис. 3.2.2).

рис 3.2.2

В этом случае зависимость γ от 1/Т будет представляться суммой двух экспонент

γ=γ₁^exp(-Wal/kT)+γ₂^exp(-Wa2/kT). (3.2.11)

Для низкотемпературного участка NaCI по экспериментальным данным W_a1=l,7—2,2 эВ. В низкотемпературной области проводимость в основном определяется примесями и кривая в этой области имеет более слабый наклон.

В некоторых твердых неорганических диэлектриках, например в титаносодержащей керамике, возможна электронная или дырочная электропроводность.

Электропроводность полимерных диэлектриков носит в основном ионный характер. Источником ионов могут быть как сами молекулы, так и ионогенные примеси. По данным Б. И. Сажина энергия ионизации молекул примесей ионогена всего лишь 0,2 эВ и менее, концентрация свободных ионов в полимерах очень мала и составляет 10²⁰—10²² м³ Ширина запрещенной зоны у полимерных диэлектриков, например у фторопласта - 4, — велика: W= 10,07 эВ. Однако у некоторых полимерных диэлектриков может наблюдаться также и электронная проводимость, например у полимеров с сопряженными двойными связями, у которых ширина запрещенной зоны невелика. Концентрация электронов или дырок в полимерах зависит от их химического состава (строения) и условий обработки, может меняться в широких пределах: от 10¹⁶ до 10²⁶ м^-3. Зависимость In y=F(l/T) для полимеров вплоть до температуры стеклования Те носит линейный характер.