Rev. Phys. Appl. (Paris) 17, 55-64 (1982)
DOI: 10.1051/rphysap:0198200170205500

Sur la rupture thermique filamentaire différée dans les isolants électriques

R. Goffaux¹ et R. Coelho<sup>2

1</sup>  Laboratoire de Recherches, Ateliers de Construction de Charleroi, B.P. n° 4, 6000 Charleroi, Belgique
²  Laboratoire de Physique des Décharges , Ecole Supérieure d'Electricité, 91190 Gif sur Yvette, France

Abstract
We present a detailed model for the electrical breakdown of inhomogeneous insulating films submitted to a high electric field during more than a few milliseconds. The process under investigation here is called delayed thermal breakdown - as opposed to the electronic avalanche breakdown appearing with a shorter time lag under a higher applied field. The model is based on the interplays between electrons in a free state and/or trapped in surface states, namely at boundaries between amorphous and crystalline areas on the one hand, and ions originating from naturally ionized or electrodissociated impurities on the other hand We show that these interplays may favour the transient formation of relatively conducting channels in which the energy stored in the sample - and possibility in the source - might initiate a thermal breakdown. The model accounts for the current oscillations sometimes observed before puncture, and for the influence of the area S of the electrodes on the breakdown field E and its scatter. For thin samples, it predicts a law of the form SE4 = Cte, in agreement with some experimental results. It is self-consistent provided that one assumes that the impedance of the channels first quickly rises from a low level related to their capacitive character, before decreasing by dissipation.

Résumé
On présente un modèle détaillé de la disruption de films isolants inhomogènes soumis à un champ électrique intense pendant une durée dépassant quelques millisecondes. C'est ce type de rupture - en opposition à la disruption électronique par avalanche s'amorçant avec un délai beaucoup plus court sous un champ plus élevé - que nous appelons rupture thermique différée. Le modèle repose sur les interactions existant entre les électrons mobiles, les électrons piégés dans les états de surface localisés (par exemple aux interfaces entre zones amorphes et zones cristallines), et des ions mobiles résiduels ou créés par électrodissociation. On montre que ces interactions peuvent aboutir à la formation transitoire de canaux par lesquels l'énergie accumulée dans l'échantillon et éventuellement dans la source pourrait se dissiper et amorcer une rupture thermique. Ce modèle rend compte des oscillations de courant parfois observées avant la rupture, et de l'influence de raire S des électrodes sur le champ disruptif E et sa dispersion. Pour des feuilles minces, il conduit à une relation de la forme SE4 = Cte, en accord avec certains résultats expérimentaux. Il est cohérent dans la mesure où on admet que l'impédance des canaux commence par croître à partir d'une valeur basse liée à leur caractère capacitif, avant de décroître du fait de la dissipation.

PACS
7750 - Dielectric breakdown and space charge effects.

Key words
electric breakdown of solids -- insulating thin films -- free electrons -- surface electrons -- delayed thermal filamentary breakdown -- electrical insulators -- high electric field -- current oscillations