книги / Нелинейные металлоксидные полупроводники

Варистор ВН'КС-25 м способен выдерживать серию из трех циклов испытаний длительностью 6 мс при максимальном напряжении 41 кВ с перерывами между циклами не более 5 с. После проведения 20 000 таких серий испытании с интервалами между сериями не более 15 мин уход начальных характеристик не превышает 10%. Варистор обладает высокой устойчивостью к вибрациям, допустимая частота которых 3—

выбора коммутирующей ячейки. При этом обеспечивается по существу схема совпадений: в двумерной мат­ рице элемент включается только при одновременной подаче двух сигналов, что позволяет избежать паразитной засветки, повысить контрастность и яркость изображения.

На рис. 91 показаны структуры плоских безвакуумных электролюминесцентных индикаторов (ЭЛИ) с возможным расположением варисторного слоя. Электролюминесцентный слой нанесен между двумя системами взаимно перпендикуляр­ ных растровых электродов. В местах

пересечения электродов растра образуется элементарный конденсатор, на котором возникает возбуждающий свечение сигнал при подаче двух напряжений разной полярности на электроды. В отсутствие слоя ва­ ристора возбуждение каждой определенной ячейки сопровождается крестообразной паразитной засветкой, вследствие того что необходи­ мый внешний потенциал приложен ко всей длине электрода. Для избе­ жания паразитного свечения желательна нелинейная связь яркости све­

родность электрических параметров слоя на достаточно большой пло­ щади ЭЛИ (100 см2 и более). Однородность отчасти достигается раз­ мельчением керамики до определенной дисперсности частиц (порядка нескольких микрометров). Известно, однако, что в циикокспдных мате-

риалах нелинейные свойства порошковых конгломератов весьма вели­ ки *, что делает ZnO перспективным для применения в ЭЛИ. Для изго­ товления плоского варистора большой площади используют состав ZnO-|-0,5% ВаО :(в молярных долях), спеченный при 1200°С. После измельчения до дисперсности 10—15 мкм добавляют органическое свя­ зующее (оптимальное количество 3—6% по сухому остатку). Пленку получают литьем и последующим вальцеванием ;(прокаткой). Химиче­ ский и фазовый состав в использованной нелинейной системе ZnO—>ВаО не изучался. Можно предположить, что в порошке находится отчасти цинкат бария 'BaZn02 — соединение с гексагональной структурой, род­ ственной структуре высокотемпературного кварца, так как такое взаи­ модействие является типичным для щелочноземельных оксидов.

Вальцевание обеспечивает хорошую однородность слоя, равномер­ ность толщины и отсутствие воздушных включений, возникающих в процессе литья. В результате такой технологии образуется однород­ ный слой, обладающий варисторными свойствами (рис. 92), причем на­ личие органического связующего не сказывается заметным образом на виде ВАХ при температурах до 60 °С.

Классический тип ЭЛИ — «сандвич», содержащий слой порошкового люминофора ZnS, активированного Си и С1. Под действием переменно­ го напряжения ЭЛИ излучает свет в широкой полосе зелено-синей части спектра с высокой светоотдачей б—10 Лм/Вт. Этот тип имеет довольно пологую электрооптическую характеристику, что не позволяет получить удовлетворительный контраст при матричной адресации. Вве­ дение в конструкцию последовательного слоя нелинейного сопротивле­ ния повышает контраст, но требует повышения управляющих напря­ жений. Электролюминесцентные индикаторы со слоем титана бария, со­ держащие матрицу 230x230 ячеек с диагональю 30 см, в режиме па­

ских цепях тем эффективнее, чем выше р, это непосредственно следует, например, из выражения (1 0 2 ). Аналогично возрастает и эффективность подавления перенапряжений. Выигрыш, который обеспечивается приме­ нением варистора по сравнению с линейным резистором, может быть приближенно оценен по уменьшению кратности перенапряжения при за­ мене линейного резистора на варнстор. .Снижение кратности перенапря­ жений по отношению к рабочему напряжению приблизительно пропор­ ционально р. К тому же из-за высокой кратности перенапряжения использование линейного резистора, как правило, исключается вследст­ вие ограничений по допустимой рассеиваемой мощности.

Одними из первых отечественных МОВ с большим <Р явились ва­ ристоры типа СН 2-1, относящиеся к маломощным варисторам (номи­ нальная мощность рассеяния 0,5 Вт) и предназначенные для примене­

1 Это явление отчасти используется при изготовлении из электро­ фотографических слоев. Поскольку в электрофотографии практически важны не сами нелинейные ВАХ, а способность частиц конгломерата накапливать поверхностный потенциал, эти вопросы здесь не рассматри­ ваются, хотя связь этих свойств очевидна.

1 мА выпускаются с различными значениями классификационного на­ пряжения, находящимися в интервале 50^£7К^1200 В. Классифика­ ционное напряжение варистора непосредственно указано в маркировке прибора, например, варистор СН 2-1 — 120 В ±10% — В рассчитан на классификационное напряжение 120 В. Начиная с 390 В допускаемое отклонение увеличивается до ±20%- 'Варисторы СН 2-1 имеют следую­ щие технические данные:

Вольт-амперные характеристики варнсторов СН 2-1 с различным классификационным напряжением представлены на рис. 93. Исследова­ ния электрических свойств показали, что при воздействии импульсных напряжений варисторы СН 2 - 1 способны рассеивать гораздо большую мощность, чем кремниевые стабилитроны тех же габаритов. Так, при длительности импульсов порядка 0,5—1 мс варисторы СН 2 - 1 пропус­ кают импульсные токи свыше 100 А, что соответствует энергии импуль­ сов порядка 50 Дж. Такая высокая импульсная стойкость может быть обусловлена как электрическими свойствами — например, высокой элек­ трической прочностью межкрнсталлитного потенциального барьера, так и геометрическими факторами. К последним относятся большая эффек­

В последние годы разработана серия высоконелннейных мощных МОВ на рабочие напряжения до нескольких киловольт, способных рас­ сеивать в импульсе энергию в сотни джоулей при плотности тока до 2—3 кА/см2. Мощные МОВ перспективны для применения в качестве полупроводниковых разрядников, для защиты от перенапряжений в си­ ловой электроаппаратуре, а также для стабилизации высоких напряже­ ний в цветных телевизионных приемниках н индикаторных устрой­ ствах.

Основные технические данные [64] мощных высоконелинейных МОВ приведены ниже:

режимах показали, что при классификационном напряжении 1 ,6 — 1 , 8 юВ, соответствовавшем току 80 А, 20-кратное воздействие коммутационного

воляют создать на их основе аппараты для защиты от перенапряжений без применения искровых промежутков. При этом в отличие от варисторов из SiC, применяемых в вентильных разрядниках, МОВ смогут постоянно находиться под действием рабочего напряжения сети.

Необходимость в искровых промежутках, отбирающих на себя часть напряжения в процессе поглощения пульсации, обусловлена недо­ статочно хорошим защитным отношением, т. е. в конечном счете низ­ ким коэффициентом нелинейности. Применение МОВ делает реальной создание защитной аппаратуры без искровых промежутков. Для этой цели предназначены варисторы марки РНС-60, характеризующиеся ко­ эффициентом нелинейности 0^50 и позволяющие комплектовать защит­ ную аппаратуру с номинальным током атмосферного разряда 1 0 кА и коммутационным током 400—800 А в виде колонки последовательно соединенных варисторов. Преимуществом варисторов РНС-60, также разработанных на основе многокомпонентного цинкоксидного полупро­ водника, является весьма высокая стабильность [70], позволяющая использовать их не только при больших импульсных токах, но и в обла­ сти малых токов, протекающих длительное время. Так, протекание тока /и= 1 мА в статическом режиме в течение нескольких десятков часов не приводит к заметному изменению UK. Вместе с тем, вследствие таких

воздействий, возникает униполярность сопротивления варистора: при обратной полярности сопротивление и Uu несколько ниже. Причиной

этого является, миграционная поляризация в керамике или ионная со­ ставляющая проводимости. Однако какие-либо заключения о механизме нестабильности варисторов типа Р.ЫС-60 преждевременны из-за отсут­ ствия сведений об энергетической структуре и химическом составе пе­ реходного слоя.

30. Металлоксидные варисторы некоторых зарубежных марок

Японские варисторы ZNR разработаны и выпускаются фирмой «Ма­

цусита электрик» и представляют собой обширный класс приборов с весьма разнообразными техническими характеристиками. Химическую основу составляет ZnO, содержащая незначительное количество окис­ лов Bi, Sb, Сг, Со и Мп. Можно приближенно обозначить три основных направления в применении гасителей пульсаций напряжения: 1 ) защита различного электрооборудования: сигнального на транспорте, релейного трансляционного, телефонного, средств связи и пр.; 2 ) поглощение им­ пульсов, возникающих при коммутации силового оборудования: вакуум­ ных переключателей, электромагнитов лифтов, электрокаров и пр.* 3) грозозащита электрических распределительных цепей.

Однако в количественном отношении основным потребителем ва­ ристоров, как и вообще подавляющего большинства полупроводнико­ вых приборов, в Японии является бытовая радиоэлектроника.

Японские варисторы предназначены на напряжение цепи от единиц вольт до нескольких десятков киловольт и обладают устойчивостью к импульсу '(пропускной способностью) до нескольких десятков кило­ ампер. Кроме того, выпускаются элементы ZNR для разрядников с про­ пускной способностью 40—100 кА на импульсах формы 4/10 мкс при напряжении варистора 6 кВ. В зависимости от назначения и техниче­ ских параметров подавители пульсаций напряжения могут быть не­ скольких типов, обозначаемых в маркировке прибора латинской буквой (например, D, Е, J, R и т. д.). Классификационный ток для элементов ZNR составляет, как правило, 1 мА, за исключением варисторов ти­ пов D и R, для которых он может составлять 0,1 мА.

Спецификация варисторов ZNR является расширенной и включает ряд дополнительных параметров: максимальное фиксированное напря­ жение на варисторе при прохождении импульса тока стандартной фор­

ДОакспмалыю Допусти­ мое напряжение* В

кационном напряжении за время одиночного импульса прямоугольной формы длительностью 2 мс; максимальный ток импульса при напряже­ нии на варисторе, равном классификационному, выдерживаемый элемен­ том при прохождении пары импульсов 8/20 мкс с интервалом 5 мин; максимально допустимое напряжение, выдерживаемое варистором в те­ чение 1 мин без разрушения.

Варисторы типа D во многом аналогичны отечественным варисторам СН 2-1. Они также выпускаются в виде дисков в защитном орга­ ническом покрытии. Эти варисторы предназначены для защиты транзи­ сторов, диодов, тиристоров, интегральных схем, для защиты радиоаппа­ ратуры, для подавления пульсаций перенапряжения при включении реле и электромагнитных клапанов. Варисторы типа D выпускаются с раз­ личным диаметром керамического элемента. В табл. 12 приведены свой­

ства для четырех основных групп ва-

данный допуск составляет ±10% , варистор 05 ДК 101 характеризуется

ского элемента различные электрические свойства достигаются измене­ нием толщины образца. Толщина варисторов изменяется в пределах от 3,7 до 12 мм.

Для подавления волн перенапряжения в высоковольтных цепях предназначены варисторы типа R, изготовленные в виде стержней диа­ метром 10±1 мм длиной 33—43 мм. Диапазон достигнутых рабочих характеристик приведен в табл. 13 '(промежуточные значения для крат­ кости опущены).

Т а б л и ц а 13

Номинальная мощность варисторов типа R составляет 0,5—1,0 Вт. Цифра 4 в спецификации условно обозначает, что классификационный ток составляет 0,1 мА. На рис. 96 показаны ВАХ варисторов типа R, рассчитанных на напряжение 7 и 10 кВ. Зависимость тока от напря­

жения лишь приближенно отвечает степенному уравнению / ^ tA по­

этому р, а следовательно, и коэффициент напряжения зависят от внеш­ ней разности потенциалов. Это обстоятельство отражено в специфика* цни. На варисторы типа R заданы два коэффициента напряжения: ^î/^oj^l.O ô (для напряжений, отвечающих токам 1 и 0,1 мА) и ко­ эффициент Uioo/Uo,! (для напряжений при токе 100 и 0,1 мА). На том

же рисунке представлена ВАХ варистора из карбида кремния, иллю­ стрирующая преимущество МОВ в подавлении пульсаций с большой амплитудой.

Мощные варисторы типа J представляют собой параллельное со­ единение нескольких керамических дисков диаметром 80 мм и толщи­ ной 14—21 мм. Основная область их применения — подавление пуль­ саций при переключении электромагнитов лифтов, вакуумных электро­ магнитных переключателей высокого напряжения, защита тиристоров и диодов в мощных цепях питания и т. д.

В табл. 14 приведены технические данные для трех групп варисто­

Рис. 96. ВАХ подавителей пульсации с варисторным напряжением 7 кВ (У) и 10 кВ

шает ±10%. Кроме устойчивости к элек­ трическим перегрузкам, варисторы длитель­ ное время могут работать при повышенных температуре и влажности.

Кроме варнсторов ZNR, в Японии ши­ роко выпускаются варисторы марки ENB на основе материала с редкоземельными добавками ZnO ( Со, La, Рг ) . Специфика­ ция, свойства и применение их во мно­

гом аналогичны, поэтому здесь они специально це рассматриваются.

Американские варисторы GE-MOV фирма «Дженерал электрик» на­

чала выпускать по лицензии, предоставленной ей фирмой «Мацусита электрик» в 1971 г. В связи с этим технологические проблемы не нахо­ дятся в центре внимания и основные достижения относятся к области применения, к решению схемных вопросов и к прикладным задачам. В табл. 15 приведены некоторые свойства различных марок варнсторов «Дженерал электрик».

В этой таблице приведены действующие значения классификацион­ ного напряжения, поскольку приборы, содержащие в маркировке бук­ ву Р, предназначены для цепей переменного тока. Полное обозначение варистора, например, VP-130 А10 расшифровывается следующим обра­

10-номинальная энергия рассеяния,в джоулях. Для данного варистора, следовательно, амплитудное значение классификационного напряжения составляет 184 В, а с учетом допустимого отклонения — до 249 В. Рас­ сеиваемая энергия может быть использована для приближенной оценки размеров разрабатываемого прибора из соотношения

шению к энергии подавляемой пульсации. Для цинкоксидных варисторов значение т) весьма высоко и может колебаться от 50—75 до

500 Дж/см3 в зависимости от конструкции и режима работы.

На рис. 97 представлена эквивалентная схема промышленного ва­ ристора. Сопротивление на малых токах Ra обусловлено межкристаллитными потенциальными барьерами. Емкость С связана с межкристаллитными барьерами, сопротивление на больших токах R v обуслов-

дающему, что частотная зависимость полного сопротивления обуслов­ лена эквивалентной емкостью, т. е. коротким замыканием межкристаллитного потенциального барьера емкостным током. При частотах выше 10 МГц полное сопротивление спадает нелинейно вследствие проявле­ ния частотной зависимости емкости, природа которой изучена еще'.не­ достаточно.

•При приложении импульса перегрузочного напряжения с крутым фронтом варнстор благодаря своей емкости имеет низкое полное сопро­ тивление. Наблюдается четкая корреляция между емкостью варистора и поглощаемыми пульсациями, которые можно характеризоватьинтег гральным значением абсорбируемого заряда. Чем выше емкость варит

стора, тем больший максимальный заряд он может абсорбировать. На рис. 98 этот результат проиллюстрирован на примере промышленного варистора GE-MOV с классификационным напряжением 130 В и рас­ сеиваемой энергией 20 Дж.

Варирторы марки SIOV. Сведения о МОВ, выпускаемых в других

странах, весьма ограничены, поскольку их производство и применение в этих странах сильно уступают уровню Японии и США. Продукцию

ограничение колебаний напряжения и поглощение энергии, выделяющей­ ся в электрическую цепь при коммутации.

Варисторы второй группы рассчитаны на напряжения 205—910 . В при амплитудном значении тока до 25 кА и применяются в основном для защиты от атмосферных разрядов.