5.1. Электронный пробой
В той мере, в какой существует понятие собственной пробивной прочности вещества, наиболее вероятным источником нестабильности следует считать то небольшое число электронов в материале, которое способно ускоряться во внешнем поле. Можно ожидать, что по аналогии с механизмом искрения в газах в сильном поле электроны проводимости при столкновениях набирают энергию, достаточную для возбуждения новых электронов, и возникает электронная лавина. На самом деле величины пробивной прочности, рассчитанные для твердых изоляторов на основе простой газовой модели кумулятивного процесса, оказываются сильно завышенными. Более успешными оказались подходы, которые учитывают высокую подвижность электронов в регулярной решетке и в основе которых лежит зонная теория. Поскольку перенос энергии от электронов решетке — процесс сравнительно медленный, электронная температура Т может оказаться выше температуры решетки То, когда электрическое поле непосредственно передает энергию электронам проводимости. Знания о деталях механизмов проводимости в полимерах довольно ограничены, и по этой причине подходящей модели для соответствующих расчетов не существует. Можно только предполагать, какая из имеющихся теорий наилучшим образом описывает реальные процессы.
Рассмотрим схему энергетических уровней, изображенную на рис. 6.1, согласно которой электроны проводимости появляются в запрещенной зоне из глубоких примесных уровней (V = 1 эВ и более). Также имеется некоторое число мелких ловушек ниже края зоны проводимости. Во внешнем электрическом поле Е энергия передается непосредственно электронам проводимости (заряд е, масса m) со скоростью v = jE, где j — плотность тока.
Рис. 5.1. Схематическое изображение энергетических уровней в полимере
Энергия, полученная от поля, быстро распределяется между электронами проводимости и захваченными электронами в результате электрон-электронных столкновений. Рассмотрим передачу энергии от электронов решетке. Концентрация захваченных электронов приближенно описывается соотношением
(5.1)
где 
относится к плотности ловушек и слабо
зависит от температуры. При высокой
плотности ловушек концентрация
захваченных электронов будет значительно
превышать концентрацию электронов
проводимости и передача энергии решетке
будет происходить главным образом от
захваченных электронов.
При низкой напряженности поля устанавливается равновесная температура электронов, при которой энергия, полученная от поля, равна энергии, отданной решетке. Однако при напряженности поля выше критического значения Ес баланс невозможен, что и определяет величину пробивной прочности.
При росте температуры пробивное напряжение уменьшается. Физически причина этого заключается в увеличении числа электронов проводимости, которые, в отличие от захваченных электронов, получают кинетическую энергию от внешнего поля.
Как уже отмечалось, существуют большие сомнения, что в полимерах когда-либо наблюдался истинный пробой, являющийся характеристикой данного материала. В этом смысле истинный пробой должен рассматриваться как максимально достижимое экспериментальное значение пробивной прочности. Наиболее достоверные измерения, судя по высоким, в сравнении с другими данными, значениями, получены с помощью образцов, имеющих выемку с напыленными алюминиевыми электродами, как показано на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Изменение электрической прочности полиэтилена от температуры. На врезке показана схема расположения электродов. [4].
Форма углубления позволяет концентрировать высокое напряжение в тонком слое, в то же время удается избежать слишком высоких полей в воздухе или другой среде, окружающей образец. Результаты, полученные для полиэтилена, показаны на рис 5.2.
Для того, чтобы предсказать абсолютные значения электрической прочности, необходимы более подробные и пока отсутствующие данные об электронных состояниях и подвижности носителей в полимерах. В настоящее время можно только констатировать, что имеется удовлетворительное согласие между зависимостями, полученными теоретически на основании общей электронной модели, и наиболее достоверными экспериментальными данными. В той степени, в какой достоверна использованная модель, настолько же глубоко понимание механизма электрического пробоя полимеров. Измерения предпробойных токов, в особенности с использованием игольчатых электродов, создающих очень высокие поля при погружении в образец, позволили сделать вывод о том, что генерация носителей путем инжекции из электродов (эмиссия Шоттки) или генерация примесей (эффект Пула-Френкеля) также играют определенную роль в механизме пробоя. Для полного понимания деталей процесса пробоя требуются, однако, дополнительные исследования.