Содержание к диссертации
ВЕДЕНИЕ 5
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
2.1. Изготовление варисторов и микроструктура 8
2.2. Особенности ZnO варисторов 12
2.2.1. Коэффициент нелинейности 13
2.2.2. Напряжение пробоя 14
2.2.3. Нагрузочная способность по току 15
2.2.4. Время срабатывания 15
2.2.5. Емкость 15
2.2.6. Диэлектрические свойства 16
2.2.7. Явление старения 16
2.2.8 Электрическая проводимость 17
2.2.9. Эффекгы на границах зерен 17
2.2.10. Механизм проводимости 19
2.2.11. Переходные явления и деградация 23
2.2.12. Допускаемая мощность рассеивания 25
2.3. Добавки и их влияние на свойства варисторов 25
2.4. Спекание варисторов 31
2.5. Химическое осаждение (общие принципы) 31
2.5.1. Элементарные процессы зарождения новой фазы 32
2.5.2. Понятие о системе осадок - маточный раствор и ее старении
2.5.3. Индукционный период системы осадок - раствор 35
2.5.4. Образование и начальное старение системы осадок -раствор
2.5.5. Воздействие компонентов маточного раствора на полноту осаждения
2.5.6. Физическое старение осадка при контакте с маточным раствором Образование химических осадков с заранее
2.5.7. заданными физическими свойствами
2.6. Методы изготовления варисторов 43
2.7. Оксид цинка. Физические и химические свойства 46
2.8. Применение варисторов 53
2.9. Экономика 56
2.10. Выводы по обзору литературы 58
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 59
3.1. Цель и направление работы 59
3.2. Постановка работы 61
3.3. Характеристика используемых материалов 62
3.4. Методики исследования 72
3.4.1 Определение смачивающей способности и угла смачивания 75
3.4.2. Определение кажущейся плотности, открытой пористости и водопоглощения (ГОСТ 2409-95)
3.4.3. Определение усадки 76
3.4.4. Рентгенофазовый анализ (РФА) 76
3.4.5. Определение вольт-амперной характеристики (ВАХ) 77
3.4.6. Петрографический анализ 78
3.5. Методика изготовления образцов 79
3.5.1. Приготовление варисторов 79
3.5.2. Расчет составов/Приготовление порошков 81
3.6. Спекание, Свойства и Микроструктура 84
3.6.1. Дифференциально-термический анализ (ДТА) 92
3.6.2. РФА 98
3.6.3. Диаграмма состояния ZnO - S1O2 104
3.6.4. Микроструктура 105
3.7. Влияние режима обжига 112
3.7.1. Микроструктура 118
3.8. Влияние чистоты исходного оксида цинка на свойствах варисторов
3.9. Смачивание (Растекание) 128
3.10. Применение метода химического соосаждения 129
3.10.1. Цель и направление работы 130
3.10.2. Приготовление масс 130
3.10.3. Получение образцов 132
3.10.4. Керамические свойства 132
3.10.5. Усадка 133
3.10.6. Коэффициент нелинейности образцов 134
3.10.7. Дифференциально-термический анализ (ДТА) 135
3.10.8. Рентгенофазовый анализ (РФА) 137
3.10.9. Микроструктура 141
4. ОБЖУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 143
5. ВЫВОДЫ 148
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 149
Введение к работе
Развитие электротехники и электроники в значительной степени связано с расширенным применением нелинейных элементов в приборах и устройствах, эксплуатационной характеристикой которых является функциональная нелинейная зависимость.
Нелинейная вольтамперная характеристика (В АХ) (рис. 1.1) этих элементов позволяет решать многие технические задачи регулирования и стабилизирования работы отдельных блоков электронной аппаратуры, улучшения помехоустойчивости систем автоматической регулировки усиления и т.п. [1]. К таким элементам относят варисторы на основе оксида цинка. Они находят все большее признание, как простой и эффективный по стоимости способ защиты электрических систем, элементов и узлов аппаратуры от перегрузок по напряжению, а также в качестве разрядников в высоковольтных линиях электропередачи для защиты от ударов молнии. С помощью варисторов можно эффективно осуществлять регулирование различных электрических величин, преобразование частоты, получать сложные функциональные схемы Благодаря своей керамической природе, варисторы могут изготавливаться различных размеров и форм, что обеспечивает высокую разносторонность их применения.
Вполне вероятно, что использование варисторов на основе ZnO будет продолжать расти по мере усовершенствования технологии.
Освоение выпуска оксидно-цинковых варисторов стимулировано развитием полупроводниковой и микроэлектронной техники, которая, в отличие от электронной ламповой, обладает устойчивостью по отношению к перенапряжениям, возникающим в реальной аппаратуре. Причиной перенапряжений могут явиться грозовые разряды, коммутационные процессы, статическое электричество, электромагнитные наводки различной природы и другие.
Оксидно-цинковые варисторы предназначены для защиты электрического и электронного оборудования от импульсных воздействий напряжения. Они имеют уникально высокую способность рассеивать энергию за счет перераспределения энергии в объеме варистора, обладают высоким быстродействием и малыми размерами.
Варисторами называют полупроводниковые резисторы с нелинейной вольтамперной характеристикой. Они имеют высокое электрическое сопротивление при низком напряжении (аналогично диэлектрикам), но низкое сопротивление (большую проводимость) при высоком напряжении (аналогично полупроводникам) (рис. 1.1). Величина напряжения, при котором резко возрастает проходящий через варистор ток, называется напряжением пробоя или пороговым напряжением. Электрические свойства этих приборов не могут быть описаны законом Ома и называются «неомическими». Варистор подключается параллельно защищаемой электрической схеме; он пропускает маленький ток при нормальных условиях, но если возникает скачок напряжения, варистор забирает на себя большой ток вследствие резкого падения его сопротивления.
Первые варисторы изготавливали на основе карбида кремния обычными методами керамической технологии. Из-за ряда недостатков варисторов на основе SiC (малая нелинейность, низкий уровень зашиты) в настоящее время стали применять варисторы на основе оксида цинка. Варисторы на основе оксида цинка представляют собой керамические материалы, электрические характеристики которых определяются состояниями поверхности на границе зерен. Они обладают весьма нелинейным соотношением ток-напряжение, при котором 5% изменение в напряжении оказывается достаточным для увеличения тока на порядок величины и больше.
Варисторы на основе оксида цинка являются новыми керамическими полупроводниковыми устройствами с высоко нелинейной характеристикой ток-напряжение, схожей с характеристикой, встречно - параллельно соединенных диодов Зенера, но с большими возможностями по току и энергии. Нелинейные свойства формируются в процессе спекания керамики, с определенной структурой, состоящей из проводящих зерен ZnO, окруженных электроизоляционным барьером. Эти барьеры образуются на границах зерен, вы званных добавками таких оксидов, как Bi, Со, Рг, Мп и др.
