Старение нелинейных сопротивлений.
О причинах, вызывающих старение НС от нагрузки, имеются разнообразные представления.
Было высказано предположение, что старение обусловлено выгоранием SiC, его термическим разложением под действием искр, появляющихся в норах НС при больших импульсах тока. Поскольку в настоящее время уже известно, что U0CT увеличивается и при импульсах, при которых искрения нет, эта гипотеза отпадает.
Экспериментально было показано [120], что старение связано с нагревом. Нагрузка, вызывавшая увеличение UOCT на 20% при комнатной температуре, не вызывала его изменений, когда нагрузочный импульс был подан на образец, находящийся при температуре жидкого воздуха. В последнем случае происходило интенсивное охлаждение контакта и его нагрев был незначительным. Эти опыты позволили авторам предположить, что старение обусловлено или окислением нагретых мест, или испарением SiC вследствие нагрева.
В работе [30] показано, что во всех случаях, когда плотность тока на контакт порошка SiC увеличивалась (при возрастании амплитуды нагрузочного тока или вследствие уменьшения тока стабилизации), усиливалось и старение порошка. Кроме того, было показано, что интенсивность старения зависит от среды, заполняющей поры порошка SiC. В кислороде старение много интенсивное, а в гелии оно значительно меньше, чем в воздухе.
Все это указывает на то, что при нагреве контакта происходит его окисление. То обстоятельство, что тервит старится менее интенсивно, чем вилит, также не противоречит гипотезе об окислении. Поверхность SiC в тервите прикрыта плотной пленкой связующего, сращивающегося с SiC в процессе высокотемпературного обжига. В видите пленка связующего менее плотна и хуже связана с поверхностью SiC. Вследствие этого поверхность SiC в тервите менее доступна для кислорода.
Наличие окисления SiC при старении не вызывает сомнений. Однако старение НС нельзя приписать только окислению SiC. На это указывает влияние полярности и появление асимметрии при нагрузке НС импульсами одного направления. Так, например, если НС было подвергнуто воздействию какого-то количества импульсов отрицательной полярности, то U0CT при малом токе отрицательной полярности будет на 5—10% больше, чем при том же токе положительной полярности. Если нагрузочный импульс имел положительную полярность, то выше будет U0CT при малом токе положительной же полярности.
Электролиз связующего в явном виде не проявляется. Сущность явления старения еще требует своего разрешения.
Рис. 2-26. Распределение пробивных напряжений U зерен карбида кремния при разных длительностях импульсов напряжения τ: 1,3·10-3 сек (кривая 1); 2,6·10-4 сек (2); 3,25·103 сек (3); 2,6· 10-6 сек (4)
Пропускная способность нелинейных сопротивлений.
Основные вопросы, которые должны быть решены при рассмотрении явлений, связанных с пропускной способностью — это вопросы о механизме, обусловливающем наличие зависимости п от I и I от τ.
Пробой НС, осуществляемый большим числом ударов, делает вероятным предположение о том, что единичный импульс оставляет в диске НС какой-то след разрушения; при дальнейших импульсах аккумулирование следов приводит к полному пробою. В работе [56] предложена гипотеза последовательного пробоя НС,
объясняющая качественно наличие зависимостей п (I) и I (τ). Гипотеза базируется на экспериментальном наблюдении, что пробой запорного слоя зерна SiC, как и в акте стабилизации, приводит к увеличению электропроводности кристалла при малых напряжениях. На рис. 2-26 представлено семейство кривых распределения пробивных напряжений отдельных зерен SiC при пробое их импульсами различной длительности. При заданной длине волны существует диапазон напряжений, вызывающих пробой. Функция р (U) имеет максимум, соответствующий наиболее вероятному значению напряжения пробоя. Чем короче волна, тем больше величина напряжения, при котором еще нет пробитых зерен, т. е. величина безопасного напряжения U0. При увеличении длины волны максимум функции распределения смещается в сторону меньших напряжений.
Пусть в совокупности зерен, образующих диск НС высотою h, число зерен, расположенных по высоте, а следовательно, и число контактов будет равно N. При подаче напряжения U на этот диск напряжение на контакте в первом приближении будет U/N. В действительности распределение напряжений между контактами зависит не только от их числа, но и от сопротивления контактов.
При подаче на диск импульса напряжения, при котором U/N будет больше U0, часть контактов пробьется. Количество пробитых контактов m будет зависеть от того, насколько U/N превышает U0, и от вида функции распределения р (U). Таким образом произойдет неполный пробой диска. Если сопротивление пробитого участка мало, то при подаче следующего импульса U напряжение на каждом непробитом контакте повысится, что повлечет за собою пробой еще некоторого количества контактов, и т. д. При дальнейшей подаче импульсов в какой-то момент пробой диска завершится.
Если первый импульс имеет амплитуду, при которой U/N незначительно превышает U0, то число ударов, приводящих к пробою, будет велико. Если U/N существенно больше U0, то число ударов до пробоя уменьшится. Таким образом, данная гипотеза объясняет наличие зависимости п от U, а следовательно, и п от I.
Зависимость I от τ является следствием того, что распределение пробивных напряжений зависит от τ. На рис. 2-27 представлена зависимость между напряжением, соответствующим максимуму функции распределения, т. е. наиболее вероятному значению пробивного напряжения Um, и длительностью импульса т: Um с ростом τ уменьшается. Таким образом, напряжение U/N, при котором пробивается значительная часть контактов в случае длинных волн, может оказаться безопасным при коротких волнах. Наличие зависимости U (τ) обусловливает и зависимость тока от длительности импульса.
Рис. 2-27. Соотношение между наиболее вероятным пробивным напряжением Um и длительностью импульса τ
Уменьшение пробивного напряжения при увеличении τ объясняется тем, что пробой контактов SiC является тепловым.
Недостатком вышеуказанной гипотезы является следующее. В дисках НС след пробоя не является проводящим. Пробой и старение здесь очень тесно переплетены между собой. Например, если измерять Uост при пробое НС на длинной волне через каждые 10 ударов, то окажется, что U0ст возрастают вплоть до пробоя. При пробое кристаллов SiC мощными импульсами тока [31] было обнаружено, что сопротивление кристаллов после воздействия импульса может возрастать или падать. По-видимому, большие нагрузки вследствие разогрева контактов вызывают их окисление. Таким образом, процесс пробоя является более сложным, чем это было постулировано в [56]. Гипотеза последовательного пробоя контактов, правильная в принципе, должна быть откорректирована с учетом того, что пробитый участок не всегда является проводящим.
Возможно, что пленки SiO2, проявившиеся вследствие окисления SiC под воздействием пробивающих токов, вновь пробиваются последующими импульсами. Такой многократный процесс должен привести к нарушению непосредственного контакта между зернами, вследствие чего при малых напряжениях сопротивление канала пробоя будет велико и малым оно может стать только при больших напряжениях.
Пробой элементарного контакта зерен SiC обусловлен теплом, выделяющимся в контактах [56, 134, 206].
В [206] была сделана попытка упрощенным способом рассчитать температуру Т, возникающую вблизи контакта на расстоянии г от него при протекании через контакт импульсов тока различной длительности т.
Для температуры Т [r, τ) было получено выражение:
(2-8)
Здесь N — мощность, выделяющаяся на контакте; r — расстояние от контакта до поверхности, имеющей температуру Т, r0 — радиус площади соприкосновения двух зерен между собой; λ и с — средние значения теплопроводности и теплоемкости карбида кремния.
По формуле (2-8) температура растет при увеличении длительности импульса т. Поэтому с ростом т критическая температура разрушения будет достигаться при меньших величинах тока и напряжения. Таким образом, с помощью уравнения (2-8) можно объяснить снижение разрушающих токов при увеличении длительности импульса.
Поскольку значения N и r0 точно неизвестны, автор подставил в (2-8) приближенные значения этих величин. При этом получались температуры порядка 100—200o С, что совершенно недостаточно для термического разрушения SiC. Вследствие этого в работе [206] высказано предположение, что распределение температуры в диске НС неравномерно и существуют отдельные места, где в силу технологической неоднородности диска температура значительно выше. В этих местах происходит спекание контактов SiC, сопротивление зерен падает, образуются пути концентрации тока и, когда этот процесс заходит далеко, сопротивления пробиваются.
Математическое исследование процесса возрастания температуры во времени в диске НС при различных напряжениях было проведено в работе [119]. Поскольку сопротивление падает с увеличением температуры и зависит также и от напряжения, для зависимости I от U и Т можно написать:
(2-9)
где σ, β и В — константы.
Мощность
При подаче на диск напряжения начнется процесс возрастания его температуры, вызывающий увеличение тока, в свою очередь повышающего температуру. Процесс будет идти в соответствии c уравнением теплового баланса. Решая его с помощью вычислительной машины, Болен [119] получил следующие характерные кривые:
- Возрастание температуры с увеличением длительности при разных U (от 1 до 5 кВ) для случая, когда сопротивление диска однородно по всей площади (рис. 2-28).
- Возрастание температуры с увеличением τ при различных значениях начальной электропроводности σ.
Рис. 2-28. Зависимость температуры Т от длительности импульса τ при разных напряжениях 1119]: 1000 в(кривая 1); 1500 в (2); 2000 в (3); 2500 в (4); 3000 в (5); 3500 в (б); 4000 в (7); 5000 в (8)
Рис. 2-29. Зависимость [119] температуры Т в неоднородном диске от его радиуса г при импульсах разной длительности τ, мксек: 250 (кривая 2); 500 (3); 750 (4); 1000 (5); 1500 (3);
2000 (7)
- Зависимость температуры от радиуса диска при разных длительностях воздействия напряжения в тех случаях, когда электропроводность диска на каком-либо участке повышена (рис. 2-29). При этом на участке, электропроводность которого приблизительно в 3 раза превышает электропроводность однородной части диска, при τ = 250 мксек температура лишь немного превышает температуру основной части диска. Но при увеличении τ разница становится все больше, достигая очень больших значений при τ=1,5-2 мсек. При средней температуре около 90° С температура в локальной точке превышает 450° С. Таким образом, причиной пробоя является локальный перегрев диска, обусловленный наличием в диске участка повышенной электропроводности.
Тепловой механизм пробоя совокупности зерен SiC и нелинейных сопротивлений из SiC не является общепризнанным.
Существенное значение разряду в порах НС придается в работе [31], в которой показано, что пропускная способность порошка SiC при нагрузке длинными (600/1150 мксек) и короткими (26/60 мксек) волнами зависит от давления воздуха и от среды, заполняющей поры (рис. 2-30 и 2-31).
Рис. 2-30 иллюстрирует уменьшение числа ударов до пробоя с ростом давления воздуха при пробое порошков длинными волнами. Рис. 2-31 демонстрирует увеличение разрушающих токов при повышении давления воздуха, если пробой порошка проводится короткими волнами тока.
Рис. 2-31. Зависимость [31] между числом ударов nпр до пробоя и амплитудой тока I у порошка SiC в воздухе при нормальном давлении (1); в воздухе при давлении 6 ата (2); в воде (3)
Рис. 2-30. Зависимость [31] между числом ударов nср до пробоя и давлением воздуха ра у порошка SiC.
Давление на порошок 200 кГ (2000 н); волна 600/1150 мксек.
давление на порошок 200 кГ (2000 н); волна 20/60 мксек
Таким образом, в настоящее время механизм разрушения НС нельзя считать установленным.
Отметим, что во всех рассмотренных случаях игнорируется поведение пленки связующего, которая также должна быть пробита вместе с запорным слоем карбида кремния. Сопротивление ее того же порядка, а зачастую и больше, чем сопротивление запорного слоя [62]. Поэтому необходимо учитывать распределение напряжений в двухслойном конденсаторе.
При длинных волнах, несомненно, большую роль играет нагрев, т. е. можно считать, что пробой контакта (и SiC, и пленки связующего) является тепловым. Вероятно, что при этом происходит окисление контакта, что делает след пробоя непроводящим.
Теория пробоя должна учитывать старение образцов НС в предпробойной стадии. Необходимо указать еще, что однотипность пробоя при коротких и длинных волнах в настоящее время достаточно определенно не установлена.
Механизм, объясняющий все закономерности, связанные с разрушением НС, должен объяснять и их энергетические характеристики.
