1.3. Варисторы
Варистор - нелинейный резистор, сопротивление которого зависит от напряженности электрического поля. Можно сказать, что варистор (переменный резистор) – полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется по мере увеличения приложенного напряжения.
Варисторы изготавливают, используя метод керамической технологии, который заключается в следующем. Основой для изготовления варисторов являются так называемые полупроводники группы AIYBIY, единственным представителем этой группы является соединение элементов IY группы – карбид кремния (SiC). Кристаллический материал размельчают, смешивают со стеклообразующей основой (глина, жидкое стекло, органические лаки и другие), после чего порошкообразный карбид кремния запрессовывают вместе со связующим веществом в форму (цилиндра или таблетки) и спекают при температуре 1700 оС. Более детальные сведения по технологии изготовления варисторов изложены в литературе.
Ширина запрещенной зоны Eз, определяющая собственную проводимость для различных модификаций кристаллического карбида кремния, изменяется от 3 до 6 эВ. Однако, поскольку в материале может быть значительное количество как донорных, так и акцепторных примесей, их энергия активации Eпр изменяется в широких пределах до нескольких десятых эВ. Поэтому примесная проводимость в материале осуществляется до температур 600 оС, после чего реализуется собственная проводимость.
В целом, композиционную структуру материала можно представить как совокупность микроскопических монокристаллов карбида кремния (размером зерен от 40 до 300 мкм), поверхностно разделенных между собой, с одной стороны, тонкими слоями окисных пленок (рис. 1.4, а), с другой стороны, многократно соприкасающихся между собой посредством точечных микроконтактов, условно представленных на рис. 1.4, б.
а) б)
Рис. 1.4. Совокупность кристаллов (а) и точечные контакты (б) в структуре варистора
По мере увеличения напряжения на варисторе ток растет нелинейно независимо от полярности напряжения (рис. 1.5, линия 1). Причиной нелинейного возрастания тока является резкое снижение сопротивления материала (линия 2).
Процессы, протекающие в варисторе, описываются моделями прохождения носителей:
а) через диэлектрические пленки, например, SiO2, возникающие на границе отдельных зерен (рис. 1.4, а), т. е. проникновения электрических зарядов через поверхностные потенциальные барьеры на границах этих зернами;
б) через точечные контакты между микрокристаллами (рис. 1.4, б);
в) через всевозможные p-n-переходы, обусловленные различной электропроводностью примыкающих друг к другу контактных областей.
а) б)
Рис. 1.5. Вольтамперная характеристика варистора и его подключение в цепь
Рассмотрим эти процессы более подробно. Несмотря на то, что поверхностные диэлектрические пленки имеют малую толщину, они характеризуются большим сопротивлением, и на каждой из них падает напряжение Ui. Значит, в этих пленках возникают сильные электрические поля напряженностью E даже при малых напряжениях на варисторе. Фактически напряжение, приложенное к образцу, падает не в объеме микрокристаллов карбида кремния, а в изоляционных диэлектрических пленках.
Проводимость отмеченных диэлектрических пленок реализуется, главным образом, посредством туннельного эффекта (туннеллирования) квантового эффекта, в котором проявляются волновые свойства электронов. Высокие электрические поля приводят к нелинейному возрастанию вероятности туннеллирования носителей заряда сквозь энергетические потенциальные барьеры тонких оксидных пленок, вследствие чего происходит резкое увеличение проводимости кристаллов карбида кремния. Именно этим обусловлен начальный участок вольтамперной характеристики (рис. 1.5, а) при малых напряжениях на варисторе, характеризуемый относительно малыми токами и большими значениями сопротивления постоянному току.
При дальнейшем увеличении напряжения на варисторе токи нелинейно возрастают; в этом диапазоне напряжений начинают играть роль точечные контакты между зернами, условно изображенные на рис. 1.4, б. При относительно больших токах, проходящих через варистор, плотность тока в точечных контактах оказывается очень большой. Сопротивление контактов больше, чем сопротивление объема, поэтому на контактах падает практически все подведенное к прибору напряжение, и вследствие этого именно в области контактов происходит интенсивный разогрев за счет выделяемого джоулевского тепла. Удельная мощность, выделяемая в точечных контактах, достигает больших значений. Из-за выделения тепловой (джоулевской) энергии и локального разогрева микроконтактов их проводимость (как полупроводниковых структур) увеличивается, и сопротивление варистора, в целом, нелинейно уменьшается [6].
Варисторы, как нелинейные резисторы, используются в низковольтных и высоковольтных электрических цепях (постоянного и переменного тока) для регулирования силы тока в зависимости от напряжения, а также для защиты цепей, в частности, линий электропередач, от перенапряжений. Описание и применение нелинейных резисторов (на основе материала вилита или тирита в вентильных разрядниках высоковольтных линий электропередач, для защиты электрических цепей, в вилитовых стержнях) приведено в рекомендованной литературе.
В частности, для защиты сопротивления нагрузки Rн от перенапряжения (рис. 1.5, б), например, при резком увеличении напряжения U, варистор включается параллельно.
К параметрам варистора относятся:
вольтамперная характеристика (ВАХ);
коэффициент нелинейности варистора (U) отношение статического R и дифференциального rd сопротивлений при заданном постоянном напряжении на варисторе:
(U) R/rd = (U/I)/(dU/dI). (1.10)
В форме конечных разностей имеем
U/I)I/U.
температурные коэффициенты статического сопротивления:
при постоянном напряжении:
ТКRU=const = (1/R) (dR/dT)U=const;
при постоянном токе:
ТКRI=const = (1/R) (dR/dT)I=const. (1.11)
другие параметры и характеристики.