摻雜粒子電負(fù)性對ZnO基避雷器非線性特性的影響

陳永佳

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710300)

1 引言

ZnO壓敏電阻可用于過電壓保護(hù)器、浪涌吸收器、避雷器等電力電子器件，是保護(hù)電力電子系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要元器件[1]。避雷器在電力電子系統(tǒng)及其設(shè)備中的應(yīng)用最為廣泛，其中以ZnO基避雷器使用較多[2]。ZnO基避雷器是以ZnO壓敏電阻為核心單元并經(jīng)過串并聯(lián)等方式組成的，分為低壓避雷器和高壓避雷器兩種類型。低壓避雷器主要用于對各種電子系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，高壓避雷器則用于保護(hù)高壓的電力系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快、體積小、使用方便等特點(diǎn)。

影響ZnO基避雷器響應(yīng)速度的因素諸多，從根本上分析，主要是由ZnO壓敏電阻的微觀結(jié)構(gòu)決定的[3]。粒子摻雜是改善微觀結(jié)構(gòu)性能的重要方式，除了壓敏電阻的燒結(jié)工藝，粒子的電負(fù)性和半徑也從根本上影響著壓敏電阻的微觀結(jié)構(gòu)[4-5]。電負(fù)性決定了晶界對電子吸附能力的強(qiáng)弱，極大程度地影響著ZnO壓敏電阻的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。本研究通過分析前期實(shí)驗(yàn)和同領(lǐng)域的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究了摻雜粒子電負(fù)性對ZnO基避雷器產(chǎn)品響應(yīng)速度的影響。

2 理論

圖1是ZnO晶格結(jié)構(gòu)模型及其晶格中的電子云分布模型。鉻離子Cr3+和鉍離子Bi3+等摻入ZnO晶格會改變晶格的電子云結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響電子向晶界的遷移運(yùn)動，導(dǎo)致晶界勢壘的改變。電負(fù)性表示原子吸附電子的能力，電負(fù)性越大，原子對電子的束縛能力越強(qiáng)。ZnO壓敏電阻的非線性能力主要由晶界勢壘決定，晶界對電子的吸附能力越強(qiáng)，則晶界勢壘越高，非線性特性越好。

通過數(shù)據(jù)分析和曲線擬合，可以系統(tǒng)分析摻雜粒子電負(fù)性與ZnO壓敏電阻響應(yīng)速度之間的關(guān)系。分析前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中摻雜粒子的電負(fù)性和非線性系數(shù)以及相關(guān)領(lǐng)域的研究結(jié)果可以得出ZnO基避雷器非線性系數(shù)和摻雜粒子的電負(fù)性之間的分布規(guī)律。

根據(jù)固溶體的形成機(jī)理和能量最低原理，電負(fù)性與鋅離子差別較大的粒子在燒結(jié)過程中總是傾向于向低能量狀態(tài)運(yùn)動，即向晶界偏析[6]。當(dāng)電負(fù)性相對偏差在±0.4%之內(nèi)，摻雜粒子可以固溶到ZnO晶格中形成固溶體，在±0.4%之外則主要向晶界處偏析，影響了ZnO壓敏電阻的非線性特性。因此，摻雜粒子的電負(fù)性是決定ZnO基避雷器性能的重要因素。

圖1 ZnO晶格結(jié)構(gòu)模型及電子云分布模型Fig.1 Lattice structure model and electron cloud distribution model of ZnO

3 機(jī)理分析

摻雜粒子的種類和摻雜量對ZnO壓敏電阻的非線性系數(shù)有重要影響，其中，粒子的種類起決定性作用。表1列舉了不同摻雜粒子的電負(fù)性和ZnO基避雷器非線性系數(shù)的關(guān)系。非線性系數(shù)可以間接反映避雷器的響應(yīng)速度，非線性系數(shù)越大，響應(yīng)速度越快。根據(jù)表1可以得到如圖2所示的關(guān)系曲線。

圖2 ZnO基避雷器非線性系數(shù)和電負(fù)性相對偏差間的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between nonlinear coefficient and electronegativity relative deviation of ZnO based arrester

表1 摻雜粒子電負(fù)性和ZnO基避雷器非線性系數(shù)的關(guān)系Tab.1 Relationship between electronegativity of doped particles and nonlinear coefficient of ZnO based arrester

研究表明，隨著粒子電負(fù)性相對偏差增大，ZnO基避雷器的非線性系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，避雷器的響應(yīng)速度也具有相同的變化趨勢。理論表明，摻雜粒子電負(fù)性的相對偏差越大，在壓敏電阻的燒結(jié)過程中，摻雜粒子越會向晶界偏析，在合適的摻雜濃度條件下會形成均勻分布的晶界層，因此會有較大的非線性系數(shù)。通過數(shù)據(jù)分析和曲線擬合，當(dāng)摻雜粒子與鋅離子電負(fù)性的相對偏差大于25%或小于5%時，ZnO基避雷器的非線性系數(shù)具有較大值，這可能是受到粒子半徑的影響所致。

4 結(jié)論

①摻雜粒子對ZnO晶格的電子云分布有重要影響，電負(fù)性越強(qiáng)的摻雜粒子如果分布于晶界，則可以有效吸收ZnO晶粒中的電子，會產(chǎn)生較好的非線性特性。②當(dāng)摻雜粒子與鋅離子電負(fù)性的相對偏差大于25%或小于5%時，ZnO基避雷器的非線性系數(shù)具有較大值。