книги / Нелинейные металлоксидные полупроводники
..pdf31. Применение металлоксидных варисторов
Основные причины перегрузок в электрических цепях принципиально не устранимы, поэтому расширение разра ботки и производства МОВ является актуальным и способ ствует развитию различных областей электроники.
Одними из наиболее частых причин перегрузок в си стемах распределения мощности являются ЭДС самоин дукции и обусловленные индуктивностью цепи коммута-
Рис. 99. Варистор в качестве стабилизатора напряжения (а); примене ние варистора для защиты нагрузки '(б) и разрывного контакта -(e) от
пульсаций перенапряжения.
ционные пульсации. Другой причиной перегрузок являются электрические атмосферные разряды. Остаточное действие этих разрядов можно представить как перегрузку молние отводов, которыми защищаются бытовые и промышленные системы распределения электроэнергии в местах перехода от наружной системы к потребителю.
На рис. 99 показано включение варистора в качестве стабилизатора напряжения, а также для защиты нагрузки от колебаний напряжения в цепи и искрогашения в контак те. Во всех случаях варистор служит нелинейным шунтом, сопротивление которого в отсутствие волны перенапряже ния очень велико, а при возникновении пульсации практи чески мгновенно снижается до нуля.
Одной из скрытых причин выхода из строя отдельных элементов могут оказаться некоторые особенности элек тронных схем. На рис. 100 изображена схема обычного транзисторного последовательного стабилизатора напряже ния. При включении схемы конденсатор ведет себя как короткозамкнутая цепочка и на транзистор попадает все нестабилизированное напряжение линии. Для исключения выброса напряжения между коллектором и эмиттером транзистора включают варистор.
Одним из частых источников помех в электрических схемах являются коммутационные процессы в первичной обмотке, понижающего трансформатора. Помехи эти обу?
словлены межвитковой емкостью и могут привести к пере грузкам элементов в цепи вторичной обмотки. На рис. 101 показано включение варистора для защиты электрической цепи, связанной со вторичной обмоткой от волн перена пряжения, вызванных переходными процессами в первич ной обмотке. Показаны линейное напряжение в первичной обмотке и подавление пульсации во вторичной обмотке трансформатора в момент включения.
Рис. 100. Варистор в схеме последовательного транзисторного стабили' затора напряжении.
Рис. 101. Защита вторичной обмотки трансформатора от коммутацион ных перенапряжений в первичной обмотке с помощью варистора (а);
напряжение в первичной обмотке (б); сглаживание переходного про цесса во вторичной обмотке *(в).
Применение варисторов позволяет улучшать электриче ские характеристики схем благодаря их возрастающей по мехоустойчивости. На рис. 102 рассмотрен один из таких примеров — выходной каскад небольшой передающей ра диолинии. В первом случае для подавления помех исполь зуется ЯС-цепочка, во втором случае — варистор. На рис. 102,6 показана пульсация напряжения на участке це пи, содержащем мощный транзистор, защищенный R С-це почкой. На рис. 102,в — пульсация на том же участке цепи
при использовании МОВ. Сравнение амплитуд напряжения показывает, что применение варистора более эффективно. Другим достоинством является возможность упростить схе му, так как требуемые для подавления помех конденсато ры, как правило, громоздки. Используя варисторы, удается уменьшить количество элементов цепи и упростить монтаж. На рис. 102,г зафиксировано изменение тока, текущего че рез варистор при возникновении пульсации.
Преимущество варистора перед /?С-цепочками, приме няемыми для защиты от коммутационных .перенапряжений, заключается также в том, что варистор не запасает энер гию, а, наоборот, только рассеивает ее. С этой точки зре ния /?С-цепочки являются потенциальными источниками
142
искр при случайном закорачивании контактов и в отдельных производствах '(например, в нефтегазовой и химиче ской промышленности) опасны в пожарном отношении.
К традиционным применениям варисторов относится за щита межвитковой изоляции обмоток от перенапряжения в моменты переключений. Для обеспечения надежной ра боты в коммутационных режимах межвитковую изоляцию рассчитывают с большим коэффициентом запаса по элек-
Рис. 102. Защита транзистора в выходном каскаде радиолинин (а) с помощью ÆC-цепочки (б) и варистора
(в); ток, сопровождающий пульсацию в варисторе (г).
трической прочности. Включение высоконелинейного МОВ параллельно обмотке позволяет значительно снизить амплитуду коммутационных перенапряжений и упростить конструкцию за счет снижения коэффициента запаса.
Конкретные электрические схемы, в которых могут быть использованы МОВ, весьма многочисленны.
Металлоксидные варисторы применяются в схемах кад ровой развертки цветного телевидения, в релейных схемах (для подавления пульсаций, рис. 103,а, б). В этих схемах
применяются варисторы дискового типа мощностью 0,3—
1,5 Вт |
с диапазоном варисторного напряжения |
82— |
10000 В |
[87]. |
|
Варисторы с классификационным током 0,1 мА, мощ |
||
ностью |
0,5— 1 Вт и варисторным напряжением до |
12 кВ |
используются для защиты высоковольтных диодов, напри мер, в цепях СВЧ-нагревателей (рис. 103,в).
Керамические диодные варисторы (вариатиты) могут применяться в схемах подачи смещения на базу транзи стора в усилителе высокой частоты (рис. 103,г) или на эмиттер транзистора в схемах усилителя низкой частоты. На рис. 103,5 показано включение двух вариатитов в схеме регулировки входного напряжения в усилителе постоянно го тока.
Рис. 103. Включение варисторов для гашения пульсаций в релейных цепях (а, б); в высоковольтной цепи СВЧ-нагрева (в); в схеме подачи
смещения на базу транзистора в усилителе ВЧ (г) и в схеме регули ровки входного напряжения в усилителе постоянного тока (б).
/ — трансформатор накала; 2 — высоковольтный трансформатор; 3 — дроссель; 4 — магнетрон; 5 — экран; 6 — диоды.
Вариатиты (поверхностно-барьерные варисторы на ос нове титаната бария), иногда называемые также керами ческими диодными варисторами, обладают несимметричны ми ВАХ. Прямая ветвь ВАХ вариатитов по степени нели нейности не уступает обычным диодам. Однако вариатиты отличаются повышенной температурной стабильностью свойств: температурный коэффициент напряжения (имеет ся в виду номинальное напряжение, отвечающее номиналь ному току 1,5 мА) в 5 раз ниже, чем у кремниевых диодов (рис. 104). Причиной этого является различие физических механизмов, приводящих к нелинейности ВАХ обычного р-п перехода и приэлектродного барьерного слоя в вариа-
144
титах. Номинальное напряжение вариатитов составляет 1—3 В и определяется точкой пересечения ВАХ с прямою /= 1 ,5 мА, отвечающей номинальному току.
Основная область применения вариатитов — радиоэлек троника, где они служат для стабилизации напряжений к защиты в полупроводниковых и интегральных схемах.
Одним из наиболее перспективных направлений являет-
Рис. 104. ВАХ различных вариатитов (а) и температурная зависимость, номинального напряжения для Si-диода и вариатита (6).
ся применение МОВ в качестве высокоэнергетических твер дотельных разрядников для поглощения волн перенапря жения. Такие разрядники рассчитаны на поглощение волю с энергией в несколько десятков килоджоулей с амплиту дой импульса несколько килоампер при максимальном напряжении волны около 1 кВ. Поскольку .именно такие разряды возникают при атмосферной молнии и ядерных взрывах, одним из основных потребителей твердотельных: разрядников является военная электроника.
Существующие стратегические системы должны бытьзащищены от разрядных импульсов амплитудой от 7 до 12 кА при ширине импульса несколько миллисекунд 165].. На основе МОВ были созданы твердотельные разрядники,, способные поглощать пульсации с зарядом до 40 Кл прю амплитуде тока 6,5 кА, напряжении 1,1 кВ, характеризую щиеся временем спадания по экспоненциальному закону 5 мс.
Современные разрядники в виде газонаполненных ламп,, кроме своих традиционных недостатков — недолговечности! вследствие изменений работы выхода и потенциала иониза ции из-за ионной бомбардировки для рассматриваемых целей принципиально не пригодны, поскольку обладают большим временем задержки (не менее 100 мкс).
Твердотельный разрядник представляет собой большое' число параллельно соединенных варисторов. При этом по следовательно с каждым из варисторов включен балласт-
ный резистор (рис. 105,6). Цель этого сопротивления — снизить неоднородность распределения тока между парал лельными цепочками, причиной которой является неидентичность ВАХ различных варисторов. В отсутствие бал ластного резистора токи в соседних цепочках могут сильно отличаться. При подключении балластного резистора об щая линия нагрузки (прямая а на рис. 105) проходит та-
Рис. 105. Выравнивание токов в параллельных цепочках подавителя пульсаций с помощью балластных сопротивлений (а); схематическое изображение многоэлементного разрядника (б).
Л и 2 — ЕАХ варисторов в соседних цепочках.
ким образом, что разброс токов в соседних цепочках Д/д становится гораздо меньше, чем исходный разброс Д/о.
Такой разрядник может иметь конструкцию, собранную из компактных модулей. Модуль сформирован из двух плат, сцентрированных и склеенных между собой, одна из которых несет варисторы, а другая — балластные резисто ры, изготовленные напылением. Таким способом был соз дан разрядник, состоящий из 200 варисторов с классифи кационным напряжением 275 В, способный абсорбировать заряд более 48 Кл.
Максимальное значение плотности поглощаемой энер гии, например, для варисторов GE-MOV оценивается в 250 Д ж /см 3 и определяется выражением
гг
E = \ U I d r ^ ü J \ I \d * = U cQ, |
(110) |
|
ô |
о |
|
где Uс— напряжение на зажимах варистора.
В случае простого экспоненциального импульса, полу чаемого, например, при разряде /?С-цепочки, заряд, погло щаемый варистором, определяется зарядом, запасаемым конденсатором Qo=CU0. Однако если источником перена-
346
пряжения является ^LC-цепочка, т. е. пульсация является синусоидально затухающей, заряд определяется выраже нием
0 = |
---- ——JJ— |
(111). |
^ |
1 _е—'o/2-t > |
' ' |
где t0= 2 i t ‘|/LC — период синусоиды из формулы Томсона;:
т — постоянная времени.
Вэтом случае Q>Qo, так как разрядный импульс про
текает через варистор достаточно большое время, прежде чем затухает.
Впоследние годы МОВ широко применяются для управ ления индикаторными устройствами. Сравнительно недавно эту задачу пытались решить с помощью пороговых пере ключателей с S-образной ВАХ на основе стеклообразных: полупроводников. Однако попытки разработать переключа
тели с пороговым напряжением 50 В и более не привели к успеху. Пленки с таким пороговым напряжением имеют слишком большую толщину, что приводит к неизбежной диссипации мощности в структуре. В результате электрон ный механизм переключения сменяется термическим, что» затрудняет изготовление прибора со стабильными харак теристиками.
Применение в индикаторных устройствах, в |
частности! |
в дисплеях на жидких кристаллах (Ж К), МОВ |
представ |
ляется оптимальным техническим решением, так как позво ляет наиболее просто организовать управление каждой ячейкой многоэлементной матрицы. В то же время создать аналогичную управляющую структуру на основе, например,, тонкопленочных транзисторов технологически оченьсложно.
На рис. 106 показан принцип работы ЖК-элемента мат рицы, управляемого последовательно соединенным с ним. варистором. Наиболее пригодны для этой цели МОВ с мак симально выраженным перегибом на ВАХ при некотором: напряжении Uc. Единичный элемент ЖК-дисплея факти
чески является конденсатором, заряд которого и, следова тельно, оптический отклик, например отражательная спо собность, зависят от внешнего напряжения, как это пока
зано на |
рис. |
Ю6,б. При напряжении, меньшем |
1)с, МОВ- |
||
в первом |
приближении |
ведет себя как диэлектрик. При’ |
|||
U ^Ù c |
ток |
в |
цепочке |
растет и эквивалентная |
емкость. |
ЖК-элемента начинает заряжаться. ЖК-элемент включает
ся при напряжении U = U c- \ - U 0 ( U 0 ^ |
собственное порого |
вое напряжение включения элемента) |
и после снятия на- |
пряжения остается включенным, т. е. находится в состоя нии с «памятью». Длительность хранения информации вследствие токов утечки через варистор около 10 мс, по этому дисплей работает в режиме с перезаписью информа ции. Матричная адресация осуществляется короткими импульсами (около 10 мкс) при времени стирания 10 мс,
Рис. 106. Схема управления жидкокристаллическим дисплеем с помоацыо вариатора.
л — схем а зам ещ ения; |
б — включение варнстора |
и ж и дк ого кристалла по отдел ь |
н о сти ; в — включение |
дисплея (К — оптический |
отклик). |
что позволяет в принципе использовать матрицы с числом линий около 1000. Возможность управления с помощью
.импульсов обеих полярностей способствует восстановлению
.характеристик дисплея и увеличивает срок службы. Зна чения Uс и Uo составляют соответственно 60 и 15 В.
|
|
|
Т а б л и ц а 16 |
И ндекс материала |
•г |
Е с , 10» В / см |
С, пФ/см* |
|
|
|
|
А |
1 3 6 0 |
1 ,7 9 |
3 5 9 0 |
Б |
4 1 7 |
2 , 7 3 |
1 6 8 0 |
В |
13 3 |
4 , 2 3 |
8 3 0 |
Г |
1 2 7 |
5 , 1 9 |
9 7 0 |
д |
151 |
7 , 0 |
1 5 6 0 |
|
Параметры некоторых материалов на основе ZnO, ислользуемых для создания ЖК-матриц, приведены в табл. 16
[ 66] .
Относительная диэлектрическая проницаемость приве дена для частоты 1 кГц, пороговая напряженность поля относится к плотности тока 10_3 А/см2, удельная емкость
.дана для МОВ с пороговым напряжением 60 В.
Наиболее простая конструкция ЖК-дисплея, смонтиро ванного на МОВ, служащем подложкой, показана на рис. 107. Здесь проводимость осуществляется через объем МОВ, на обе стороны которого нанесена толстая 25 мкм пленка диэлектрика. В диэлектрической пленке травлением вскрываются окна для напыления металлических электро-
Рнс. 107. Конструкция ЖК-дисплея, управляемого МОВ типа «санд вич».
%/т—стекло; |
2 — прозрачный электрод столбца; |
3 — ЖК; 4 — электроды дисплея; |
5 — МОВ; |
û — электрод строки; 7 — контактное |
окно; 8 — диэлектрик. |
Рис. 108. ЖК-дисплеи, управляемый МОВ планарного типа со скрыты ми сканирующими электродами.
/ — стекло; 2 — управляющие электроды; 3 — ЖК; 4 — электроды дисплея; 5 —► МОВ; б — сканирующие электроды; 7 — двухслойный диэлектрик.
дов. Недостатком конструкции является большая собствен ная емкость управляющего варистора, тогда как в после довательной цепочке МОВ—ЖК-элемент должно выпол няться СмовССщк. На рис. 108 показана конструкция, в ко торой электроды варистора выведены на одну сторону пластины и один из них скрыт под пленкой диэлектрика, что позволяет снизить собственную емкость МОВ, сохранив большую площадь активной поверхности матрицы.
Возможность дальнейшего снижения емкости путем уменьшения контактных площадок ограничена технологи ческими причинами, поскольку слишком малый диаметр электродных окон в диэлектрике нежелателен.
С целью оптимизации соотношения емкостей МОВ и ЖК-элемента в конструкцию дисплея вводят дополнитель ную емкость хранения Сдоп. Из эквивалентной схемы
рис. 109 следует, что емкость Сдоп подсоединена параллель но емкости ЖК-элемента. Поскольку дополнительная ем кость Сдоп и собственная межэлектродная емкость вариато ра технологически сформированы на одной и той же пот верхности, соотношение Сд0п/СМОв не зависит от разреша ющей способности дисплея. Наоборот, чем больше это от ношение, тем большей разрешающей способности можно достигнуть независимо от возможного снижения емкости
Рис. 109. ЖК-дисплей с дополнительно введенной емкостью накопле ния (а) и эквивалентная схема ЖК-элемента (б).
/ — стекло; 2 — управляю щ ие электроды ; 3 — Ж К ; 4 — двухслойны й |
диэлектрик; |
5 — МОВ; € — управляю щ ие электроды М ОВ; 7 — электроды ди сп л ея |
(А — управ* |
ляю щ ие электроды ; В — электроды сканирования). |
|
ЖК-элемента. В [66] таким способом на основе МОВ с ин дексом В (табл. 16) была создана матрица из 256 элемен
тов. Высокие требования, предъявляемые к однородности порогового напряжения Uc по площади пластины МОВ,
могут быть очасти снижены разработкой специальных элек трических схем управления.
Исследования инерционности промышленных МОВ, •обычно оцениваемой примерно в 50 нс, показали, что бы стродействие ограничено не самим процессом перехода варисторов в проводящее состояние, а конструктивными элементами монтажа приборов. Использование для монта жа МОВ сборок и разъемов, применяемых в СВЧ-технике, позволяет дополнительно повысить быстродействие и сни зить вносимые потери. Время отклика при этом не пре-