Лекция 08 (Лекции 1-16, без 15й)

Лекция №8

Материалы с гетерогенной микроструктурой.

Металл-оксидные варисторы.

Развитие электротехники и электроники в значительной степени связано с применением нелинейных элементов – приборов и устройств, флуктуационной характеристикой которых является существенно нелинейная функциональная зависимость. Подавляющее большинство полупроводниковых приборов обладает униполярной электропроводностью. Основной структурной единицей современного полупроводникового прибора является асимметричный потенциальный барьер, с которым связана асимметричная ВАХ. Вместе с тем полупроводниковая техника все более нуждается в устройствах, работающих с импульсами произвольной полярности. Одной из насущных задач является поглощение энергии коммутационных импульсов (которые принципиально не устранимы) с целью стабилизации напряжения и защиты и элементов цепи. Это требует создания нелинейных резисторов (варисторов) с симметричной ВАХ и большой рассеиваемой мощностью. Функциональные возможности симметричных нелинейных элементов очень велики. Схемы с варисторами могут быть реализованы: стабилизация напряжения, переключение, защита от перенапряжения и скорогашения на контактах, умножение частоты, амплитудные и частотные модуляции, управление электролюминисцентными индикаторами и жидкокристаллическими дисплеями. Стабилизация напряжения

(рис. 1).

Защита от перенапряжений

(рис. 2).

Нелинейность ВАХ варистора обусловлена контактными явлениями и связана с межкристаллитными потенциальными барьерами. Для создания таких симметричных барьерных структур не требуется специальных технологических процессов, т. к. барьеры возникают в силу поликристалличности материала. Технология МОВ хотя и обладает специфическими особенностями, является типичной керамической технологией, что обеспечивает невысокую стоимость приборов. Этапом явилось создание высоконелинейных цинкоксидных варисторов.

Рис. 3.

ВАХ варистора в первом приближении аппроксимируют

[1].

Главное применение варисторов в электротехники и элетронике – защита от перенапряжений (гашение пульсаций). В классах напряжений от нескольких вольт до нескольких десятков вольт варисторы могут быть исполнены в виде монолитных варисторов или в пленочном исполнении. На классы напряжения от нескольких десятков вольт до нескольких киловольт используют варисторы диаметром от 1-2 мм до 20 мм с различными типами элетродов в открытом или капсулированном типе исполнения. От 6-1150 кВ применяют ОПН (ограничители перенапряжения). Перенапряжения бывают двух типов: грозовые (атмосферные), коммутационные. Длительность импульсов токов грозовых перенапряжений – микросекунды. Длительность коммутационных импульсов токов самые различные. Основной тип испытательных импульсов – волна тока 8/20 мкс. В качестве импульсов имитирующих коммутационные перенапряжения используют импульсы длительностью 1000 мкс, или колоколообразный импульс 1,2/2,5 мс. ОПН расчитаны на поглощение волн с энергией несколько десятков килоджоулей с амплитудой импульса несколько килоампер. Поскольку именно такие разряды возникают при ядерных взрывах (фактор ЭМИ), то один из основных потребителей ОПН и варисторов является военная электроника. Большим достоинством МОВ по сравнению с некоторыми другими полупроводниковыми приборами является малая инерционность. Она составляет примерно 50 нс. Исследования показали, что быстродействие ограничено не переходом варистора в проводящее состояние, а конструктивными элементами монтажа приборов. Использование для монтажа МОВ сборок и разъемов применяемых в СВЧ технике позволяет повысить быстродействие и снизить носимые потери. Время отклика при этом не превышает 0,5 нс, что позволяет использовать МОВ в режиме работы с еще более короткими импульсами, чем при атмосферных разрядах. Такие импульсы возникают в частности при взаимодействии гамма-радиации с околоземной атмосферой. Распространение гамма-излучения в атмосфере приводит к образованию комптоновских электронов и ионизированных атомных остовов, и, как следствие, все это приводит к мощному импульсу с длительностью фронту около 10 нс. Дальнейшие перспективы МОВ связаны с их внедрением в полупроводниковую электронику, где преимущество симметрично-барьерных структур, безынерционность, возможность реализации с обратной ВАХ и др. преимущества. Сдерживающим обстоятельством является плохая совместимость полупроводниковой технологии с типично кермаческой. Первый путь решения проблемы: совершенствование технологии пленочных варисторах; второй: использование в качестве подложек, одновременно функционирующих как элементы схем. Используемые в МОВ неомические явления специфичны для оксидов как нестехиометричеких соединений Ме-кислород и не встречаются в других классах полупроводниковых веществ.

Квазихимические реакции, квазихимические уравнения, обозначение дефектов по Винку и Крюгеру.

Для обозначения точечных дефектов удобно использовать символику предложенную Винком и Крюгером. Прописная буква обозначает тип дефекта, индекс – кристаллографическую позицию дефекта. Таким образом, А с индексом а означает, что атом а занимет регулярный узел. В химических соединениях число возможных дефектов увеличивается. Строго говоря, в решетке немолекулярного кристалла все виды точечных дефектов (вакансии, внедренные атомы и антиструктурные дефекты) присутствуют одновременно. Но, в следствие различия в энергии упорядочивания одни дефекты доминируют над другими. Следует обратить внимание, что в любом стехиометрическом кристалле доминирует не один, а минимум два вида дефектов. В нестехиометричесом кристалле – один вид дефектов. При отклонении состава бинарных кристаллов от стехиометрического наблюдается увеличение электропроводности. Следовательно, дефекты нестехиометрии являются источником свободных или слабо связанных дефектов. В химии твердого тела широко используют понятие эффективного заряда, т. е. заряда атомов или вакансий по отношению к нормальным составляющим к решетке стехиометрического соединения. Эффективный заряд нормальных составляющих стехиометрического соединения в ….. В разупорядоченном кристалле, как стехиометрическом так и нестехиометрическом, дефекты чаще всего имеют эффективный заряд отличный от нуля. Известно, что кристалл оксида цинка содержит избыток цинка в форме внедренных атомов. Можно ожидать, что избыточные атомы цинка втраиваются в решетку, стремятся приобрести ту же электронную конфигурацию, что и нормальные составляющие решетки. Поскольку такими составляющими являются ионы цинк два с плюсом служат донорми свободных электронов. При составлении уравнений дефектообразования, называемых квазихимическими следует соблюдать закон сохранения массы и заряда, в том числе и эффективного, и не нарушать фиксированного соотношения между числом различных узлов решетки, свойственного данной кристаллической решетке.

Химический состав металлооксидных варисторов. Основа – ZnO (95%). Около 1 молярного % , далее, по полпроцента могут быть , , . Имеет гексагональную структуры типа вюрцита. Фазовый состав: основа-зерна ZnO, легированные кобальтом и марганцом, особенно в приповерхностных слоях; может быть Bi (на один-два межатомных слоя); в местах стыка обычно расположены фазы пирохлора или фаза шпинели; висмутсодержащая фаза. В фазах пирохлора и шпинели иногда часть ионов цинк два с плюсом замещена на марганец два с плюсом или кобальт два с плюсом. С ростом температуры спекания МОВ соотношение пирохлор-шпинель изменяется в пользу шпинели. При высоких температурах 1300-1350 градусов Цельсия пирохлор полностью переходит в шпинель, в соответствии с уравнением

[3].

содержится в виде дискретной фазы, а также в виде тонкого адсорбционного слоя. Структурная модификация, в которой находится висмут два о три влият на стабильность свойств варистора. Причиной нестабильности может явиться склонность

и [4]

к электролизу. Оптимизация структуры может быть достигнута при температурной обработке в окислительной среде.

Задание.

Первая бригада. Расчет композиционного диэлектрика на основе пластиката поливинилхлорида (связующее) и М-8500 (наполнитель).

Наполнитель/связующее «эпсилон»

80/20 30

75/25 21

70/30 19

65/35 15

60/40 14

Вторая бригада. Расчет КД, где связующее – эпоксидная смола, наполнители – М-130, М-900, М-8500.

Наполнитель «эпсилон»

1. 14

1. 20

0.783 24.2

0.789 28

Что надо сделать. Нанести на график все эти экспериментальные точки. Доли пересчитать из весовых в объемные. Поливинилхлоридный пластикат – плотность 1.3 г/см3, плотность наполнителя – 5 г/см3, эпоксидная смола – 1.2 г/см3. Формулы Лихтенекера-Ротора, Одилевского для двухкомпонентой статистической смеси, Максвелла-Вагнера, Одилевского для матричных смесей (где меньше всего наполнителя). Сравнить экспериментальные графики с расчетными.