Полупроводниковые варисторы

Варистор представляет собой переменный полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения, поэтому его динамическая вольтамперная характеристика нелинейная и обычно симметричная при смене полярности напряжения. В настоящее время разработаны полупроводниковые материалы, позволяющие получать варисторы, у которых увеличение напряжения в два-три раза сопровождается уменьшением сопротивления в десятки раз. Изменение сопротивления материала под действием приложенного напряжения наблюдается у поликристаллического карбида кремния, ряда окислов и сульфидов металлов, диборида титана и других материалов сложного состава.

Применяют варисторы для стабилизации и регулирования токов и напряжений в электрических цепях; для защиты от перенапряжений в различных устройствах; для выполнения математических и других преобразовательных функций.

Основные параметры и характеристики

Для выбора типа варистора, важно знать: номинальную мощность рассеяния; коэффициент нелинейности; максимальное напряжение и ток; вольтамперную характеристику; температурные коэффициенты статического сопротивления, напряжения и тока.

Номинальной мощностью рассеяния варистора называют максимально допустимую мощность, которую варистор может рассеивать во время непрерывной электрической нагрузки при температуре окружающей среды и атмосферном давлении, указанным в технической документации на варистор, если напряжение на варисторе не превышает предельного.

Коэффициентом нелинейности β называют отношение статического сопротивления в данной точке вольтамперной характеристики к дифференциальному сопротивлению в той же точке (при заданном постоянном напряжении на варисторе):

Максимальное напряжение характеризует величину постоянного напряжения на варисторе при заданном значении максимального тока и зависит от технологии изготовления варистора и состава выбранных материалов. Максимальное напряжение не является рабочим эксплуатационным напряжением варистора, которое выбирают исходя из допустимой мощности рассеяния варистора и предельно допустимого значения амплитуды напряжения.

Максимальный ток – это ток, при котором определяется максимальное напряжение варистора.

Величину асимметрии токов для варисторов определяют по вольтамперной характеристике приложенного напряжения

,

где I₁-ток при одной полярности; I₂-ток при другой полярности. Величина асимметрии токов для варисторов с симметричной вольтамперной характеристикой должна быть минимальной.

Температурные коэффициенты статического сопротивления, тока (ТКI) или напряжения вводят для оценки влияния температуры на вольтамперную характеристику варистора, например, , гдеI₁ – ток при температуре Т₁=293±2К; I₂ – ток при температуре Т₂=373±2К. Между максимальным коэффициентом нелинейности и температурными коэффициентами существует взаимосвязь, так как они зависят от температурной чувствительности материала РЭ варистора.

Технология изготовления варисторов

Многочисленные исследования показали, что нелинейность вольтамперной характеристики варистора, выполненного, например, на основе карбида кремния, обусловлена явлениями на точечных контактах и на поверхности кристаллитов, в частности:

- эмиссией электронов из острых зубцов и граней кристаллитов карбида кремния в сильных электрических полях, кроме того, с увеличением приложенного напряжения происходит замыкание контактных зазоров между отдельными кристаллитами карбида кремния, увеличивается эффективная площадь сечения РЭ и соответственно уменьшается его сопротивление;

- микронагревом контактов между отдельными кристаллитами карбида кремния, приводящие к увеличению проводимости контактов;

- увеличением проводимости и частичным пробой оксидных пленок на поверхности кристаллитов карбида кремния при напряженности электрического поля 10⁶ В/м и более;

- существованием на поверхности кристаллитов карбида кремния электронно-дырочных переходов, обусловленных различным характером электропроводности поверхности и ядра каждого кристаллита.

Экспериментально установлено, что температура активных областей варистора может превышать температуру окружающей среды на несколько сотен градусов, поэтому для изготовления варисторов со стабильными параметрами выбирают термостойкие материалы. Кроме того, для каждого заданного диапазона напряжений предварительно экспериментально устанавливают необходимую дисперсность исходных материалов.

Механическая прочность варисторов достигается за счет применения специальных наполнителей связующих веществ, например, керамических материалов, жидкого стекла, кремнийорганических лаков и т.д. Эти вещества определяют режимы обжига и термообработки РЭ. Например, ультрафарфор начинает спекаться при температуре около 1550К, отличается высокой термостойкостью. Глина имеет более низкую температуру спекания (около 1300К), более пластична по сравнению с ультрафарфором, но обладает меньшей механической прочностью и меньшим температурным коэффициентом линейного расширения.

Для изготовления варисторов используют промышленные сорта карбида кремния черной и зеленой модификаций с размерами кристаллитов 20-180 мкм. Содержание связующего компонента в массе выбирают в зависимости от требуемых параметров варисторов и размера кристаллитов карбида кремния (обычно связующее составляет от10 до 40%).

Исходные компоненты смешивают в шаровых мельницах в целях получения однородной массы. Прессование заготовок производят при давлении

(1-2)∙10⁸ Н/м на гидравлических прессах, на выходе которых массу разрезают на заготовки необходимого размера. Затем производят обжиг методом, зависящим от назначения данного варистора. Закончив обжиг, на поверхность заготовки наносят методом вжигания или шоопирования (разбрызгивания расплавленного металла) на контактные электроды, после чего происходит отбраковка заготовок, и далее осуществляют пайку выводов. Причем к электродам, полученным вжиганием серебра, выводы обычно припаиваются легкоплавкими припоями с небольшим процентным содержанием серебра.

Стабилизация параметров варисторов достигается путем термообработки при температуре 400-450К. Для защиты от воздействия внешней среды рабочие участки варисторов покрывают специальными эмалями и лаками.

Полупроводниковые варисторы с симметричной нелинейной функциональной характеристикой, имеющей участок отрицательного динамического сопротивления, получают при использовании многослойных полупроводниковых структур типа p-n-p-n, по полупроводниковой технологии причем РЭ варистора состоит из двух p-n-p-n – структур, имеющих общие омические контакты.

Варисторы с симметричной вольтамперной характеристикой получают также на основе пленочных полупроводниковых элементов путем последовательного нанесения слоев металл-бор-металл. В качестве электродов используют различные металлы – алюминий, золото и др.