3. Варисторы на основе оксида цинка.

Представление о механизме проводимости оксидно-цинковых варисторов менялись с увеличением количества данных об электрофизических свойствах оксидно-цинковой керамики.

Исходным материалом для таких варисторов является оксид цинка ZnO, легированный примесями висмута, кобальта и других элементов. Варисторы из оксидных полупроводников делают методом керамической технологии, которая, однако, имеет ряд особенностей, отличающих ее от технологии производства электроизоляционных изделий. Особенности эти обусловлены тем, что нелинейность ВАХ варисторов из оксидных полупроводников связана не со свойствами основной составляющей полупроводниковой керамики – кристаллитами, а со свойствами межкристаллитных прослоек и потенциальных барьеров на поверхности кристаллитов. Поэтому кроме традиционных требований обеспечения достаточной плотности с минимальной пористостью обожженного материала при изготовлении варисторов надо обеспечить высокоомность межкристаллитного слоя, сопротивление которого должно превышать сопротивление объема кристаллитов.

Несмотря на то, что первый исследования нелинейных ВАХ кристаллов оксида цинка были проведены еще в 20-х годах О.В. Лосевым в Нижегородской лаборатории, а технология первых варисторов из оксидных полупроводников была разработана в 60-х годах, до сих пор нет четкого понимания принципа действия варисторов. Поэтому технология их изготовления имеет эмпирический характер.

Отличием варисторов из оксидных полупроводников от варисторов из карбида кремния является возможность относительно просто получить большую нелинейность ВАХ. Коэффициент нелинейности варисторов из оксида цинка может составлять несколько десятков. Отрицательной особенностью варисторов из оксидных полупроводников является их меньшая стабильность, как при работе, так и при хранении. Именно поэтому варисторы из оксидных полупроводников до сих пор не получили широкого распространения.

В свете современных представлений о механизме проводимости существование обедненных слоев толщиной ~ 1000 А и потенциальных барьеров на границе зёрен является определяющим фактором нелинейности ВАХ. При этом проводимость в области токов утечки объясняется термоактивированными токами и полевым понижением барьера. К настоящему моменту известен ряд моделей механизма проводимости оксидно-цинковой керамики на активном участке ВАХ с высокой нелинейностью. В области больших токов ВАХ варистора снова стремится к омической зависимости. Величина ограничивающего сопротивления определяется удельным сопротивлением объема зёрен ZnO, которое при концентрации свободных носителей ~ 10¹⁷… 10¹⁸см^-3не превышает 0,3 Ом*см.

ВАХ оксидно-цинкового варистора обычно изображают в двойном логарифмическом масштабе для охвата широкого диапазона токов и напряжений (рис. 3, 7). В таком масштабе любой участок ВАХ с постоянной нелинейностью представляется прямой линией и обычно аппроксимируется следующим выражением: I= (U\U₁), гдеU₁– значение напряжения при единичном токе.

Рис. 7. ВАХ оксидного варистора

4. Разновидности варисторов.

Маркировка – цифробуквенное обозначение варисторов (напр. СН 1-2-2) содержит информацию:

• СН – сопротивление нелинейное, т.е. варистор;

• 1-я цифра означает материал (1 – карбид кремния, 2 – селен);

• 2-я цифра (через дефис) – тип конструкции (1, 8 – стержневой, 2,6,7,10 – дисковый, 3 – микромодульный);

• 3-я цифра – порядковый номер разработки (как в нашем примере), или величину классификационного напряжения варистора (напр. СН1-10-47).

Конструкции отечественных варисторов приведены на рис. 8.

Рис. 8 Конструкции отечественных варисторов: а – СН1; б – СН1-2; в – СН1-3

Полное обозначение варистора, например, дискового типа на классификационное напряжение 270В с допуском ±10% имеет вид: СН1-2-1-270 В±10%.

Классификационное напряжение для стержневых варисторов определяется при кратковременном пропускании постоянного тока 10мА, для дисковых – при токе 3мА в диапазоне классификационных напряжений от 15 до 27 В и при токе 2мА в диапазоне 50…270 В.