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Der 1. Hauptsatz der Materialwissenschaft sagt es schon: Mit Gewalt kann man alles kaputtmachen
- Dielektrika sind keine Ausnahme. Erhöht man die Spannung an einem klassischen Kondensator und dadurch die Feldstärke
im Dielektrikum, wird es früher oder später kräftig knallen. Wir haben elektrischen
Durchschlag oder Durchbruch, d.h. plötzliches und sehr schnelles Anwachsen
des Stromes von praktisch Null auf Werte die das Mateirial in Bruchteilen von Sekunden zerstören. |
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Der kritische Parameter ist die Feldstärke E im Dielektrikum. Überschreitet
sie einen kritischen (und materialspezifischen) Wert Ecrit, wird's knallen. Die (DC) Strom-Spannungs Kennlinie sieht
etwa so aus (und kann nur einmal gemessen werden): |
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Dummerweise ist Ecrit keine besonders wohl definierte Materialeigenschaft, sie
hängt von allem möglichen ab; z. B. auch von der Zeit, die das Dielektrikum schon einem Feld ausgesetzt war. |
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Die folgende Tabelle gibt deswegen nur eine Größenordnungsübersicht über kritische
Feldstärken in diversen isolierenden Materialien. |
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| Material |
Durchbruchsfelsstärke
[kV/cm] |
| Öl | 200 | | Glas, Keramiken (Porzellan) | 200...400 |
| Glimmer (früher viel verwendet) | 200...700 | | Ölpapier | 1800 |
| Polymere | 50...900 |
| SiO2 in ICs | > 10 000 |
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Mechanismen des elektrischen Durchschlags |
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Was sind die atomaren Mechanismen des elektrischen
Durchschlags? Keine einfach zu beantwortende Frage, und es gibt auch keine allumfassende und einfache Antwort. Was wir haben
sind diverse Mechanismen, die auch kombiniert auftreten können. Die prominentesten Disaster Szenarien sind:
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Thermischer Durchschlag |
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Ein winziges Strömchen fließt lokal durch eine Schwachstelle des Dielektrikums. Mit zunehmender
Feldstärke steigt dieser Strom, produziert lokale Erwärmung, die erzeugt atomare Fehlstellen im Kristall oder
so was. Ionische Leitfähigkeit setzt ein, die Temperatur steigt lokal noch mehr an - Bumm!
Das ist der am weitesten verbreitete Mechanismus in billigen und nicht sehr perfekten Materialien. |
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Lawinendurchbruch |
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Auch der perfekteste Isolator enthält noch ein paar freie Elektronen; es gibt dafür eine ganze
Reihe von Gründen. In großen elektrischen Feldern werden diese Elektronen beschleunigt, und bei großem
Feld nehmen sie viel Energie auf (d. h. sie werden sehr schnell) bevor sie wieder irgendwo reinknallen. Falls sie soviel
Energie bekommen, dass sie aus den Atomen weitere Elektronen herausschlagen können, setzt eine Art Kettenreaktion ein
mit dem Ergebnis: Bumm! |
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Lokale Entladungen |
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In kleinen Hohlräumen wie sie z. B. in gesinterten Keramiken immer vorhanden sind, ist die Feldstärke
größer als im soliden Material. Das kann dazu führen, dass in dem Hohlraum oder Void ein Mikrolichtbogen
steht, der das Material "abbrennt". Der Hohlraum wird größer, der Lichtbogen kräftiger - Bumm ! |
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Elektrolytischer Durchschlag |
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Lokale elektrolytische "Mikro"strompfade transportieren Ionen ins Material, die sich im Laufe
der Zeit abscheiden und einen leitenden Pfad ins Innere des Materials bilden. Daduch wird lokal die Dicke des Dielektrikums
reduizert, die Feldstärke geht hoch - Bumm ! |
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Wir lassen es mal damit bewenden, aber halten doch noch mal fest, dass Durchbruchsfeldstärken
von enormer technischer Bedeutung sind! |
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Und nun ganz schnelle Fragen |
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© H. Föll (MaWi für ET&IT - Script)
