Электропроводность твердых диэлектриков

По электропроводности все твердые тела можно разделить на три большие группы: металлы, полупроводники, диэлектрики. Диэлектрики практически не проводят электрический ток – их используют в качестве электрических изоляторов. Удельная электропроводность занимает область лежащую ниже 10^-8 (Ом×м)^-1. Огромное влияние на величину электропроводности оказывают примеси и дефекты в материале.

Поскольку ширина запрещенной зоны у диэлектриков большая, рис. 1, то при комнатной и более низких температурах электроны из валентной зоны в зону проводимости практически не попадают. Концентрация свободных носителей в диэлектрике исключительно мала, и собственная проводимость ничтожна. Поэтому электронная проводимость (при участии как электронов, так и дырок, учитывая их природу) в диэлектрике может возникнуть лишь при наличии примеси как донорного, так и акцепторного типа, создающей разрешенные примесные уровни в запрещенной зоне. В связи с этим для электроизоляционных материалов так важна химическая чистота. Для различных диэлектриков электронная проводимость колеблется от 10^-10 до 10^-22 (Ом×см)^-1.

Рис. 1. Схема заполнения зон электронами в диэлектрике

Светло-серым цветом обозначена зона проводимости; белым — запрещенная зона; темно-серым цветом показано заполнение валентной зоны электронами. E_v — верхняя граница валентной зоны; E_g — ширина запрещенной зоны; Е_с — нижняя граница зоны проводимости; 1 эВ = 1,60217733×10^–19 Дж.

Электронная проводимость может возникать в диэлектриках не только за счет теплового воздействия, но также за счет облучения светом с соответствующей длиной волны, быстрыми частицами, при приложении сильных электрических полей.

Надо отметить, что если носители заряда достаточно сильно связаны с кристаллической решеткой, то возникает, так называемая поляронная проводимость. Образование поляронасвязано с искажением (поляризацией) близ лежащей области кристаллической решетки носителем заряда. Носитель локализуется в этой области и движется вместе с ней, что значительно уменьшает его подвижность. При слабом взаимодействии носителя с решеткой образуется полярон большого радиуса, характеризующийся слабым искажением решетки, и следовательно, слабым влиянием на подвижность носителя. При сильном взаимодействии электрона или дырки с кристаллической решеткой может образоваться полярон малого радиуса (~ постоянной решетки). В этом случае искажения решетки очень сильны. Такой полярон очень стабилен и движется даже за счет тепловых флуктуаций в кристалле прыжками. При наложении внешнего электрического поля в этом случае возникает так называемая прыжковая проводимость.

В ряде диэлектриков доминирует ионная проводимость, связанная как с направленным перемещением ионов примеси, так и ионов самого диэлектрика. В этом случае осуществляется не только перенос электрического заряда, но и перенос вещества. Под действием внешнего электрического поля анионы движутся к аноду, а катионы к катоду. Постепенно концентрация носителей заряда уменьшается, поэтому величина ионного тока со временем спадает. При низких температурах обычно превалирует примесная ионная проводимость, а при высоких – перенос ионов основного вещества. У диэлектриков с ионным характером электропроводности соблюдаются законы Фарадея: количество выделившегося при электролизе вещества пропорционально количеству прошедшего через материал электричества. Например, ионная электропроводность неорганических стекол обусловлена электролизом различных окислов, входящих в состав самих стекол. Электропроводность стекол сильно повышается при содержании в них оксидов щелочных металлов (Li₂O, Na₂O, K₂O) из-за высокой подвижности катионов Li⁺, Na⁺, K⁺. Соответственно, введение окислов щелочноземельных металлов (MgO, CaO, BaO) приводит к снижению проводимости в стеклах.

У ряда диэлектриков выше некоторой критической температуры происходит фазовое превращение, которое связано с разупорядочением одной из ионных подрешеток. В этом случае происходит резкий скачок ионной проводимости, которая становится сравнимой с электропроводностью расплавов или концентрированных электролитов ~1 (Ом×см)^-1. Таким образом, кристалл переходит в особое состояние – суперионное. Такие кристаллы называются суперионными проводниками.

Таблица 1