TY - THES

T1 - Druckabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Zinkoxid-Varistoren

AU - Raidl, Nadine

N1 - gesperrt bis 03-12-2016

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Varistoren bestehen aus speziell dotiertem, halbleitendem Zinkoxid. An den Korngrenzen der polykristallinen Keramik existieren Potentialbarrieren, die durch an Akzeptoren gebundene Elektronen ausgebildet werden. Bei kleinen anliegenden Spannungen können nur sehr wenige Elektronen die Potentialbarrieren überqueren und der Varistor weist einen hohen, näherungsweise konstanten Widerstand auf. Ab der sogenannten Schaltspannung werden im Material durch Stoßionisation Elektronen-Loch-Paare generiert. Die erzeugten Löcher bauen die Potentialbarrieren an den Korngrenzen ab, wodurch der Widerstand des Materials stark nicht-linear abnimmt. Dieser sogenannte Varistor-Effekt ermöglicht den Einsatz von Varistoren als Überspannungsschutzelemente. Zu diesem Zweck wird das Varistor-Bauteil parallel zu einem zu schützenden Verbraucher geschaltet und leitet gefährliche Überspannungsspitzen ab. Die charakteristische Schaltspannung wird von der effektiven Anzahl der in Serie geschalteten Korngrenzen bestimmt. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von mechanischem Druck auf die Leitfähigkeit von ZnO-Varistoren untersucht. Da Zinkoxid ausgeprägte piezoelektrische Eigenschaften aufweist, ist zu erwarten, dass durch Druckspannungen Ladungen im Material erzeugt werden, welche die Höhe der Potentialbarrieren bzw. die Strom-Spannungs-Charakteristik des Varistors beeinflussen. Die experimentelle Umsetzung der Fragestellung erfolgte über Druckversuche mit uniaxialer Krafteinleitung in die Probe und Strom-Spannungs-Messungen bezüglich beider Spannungspolaritäten. Es wurden sowohl Bulk-Proben mit ca. 130 Körnern in Serie als auch Vielschicht-Varistoren mit nur 1-2 Körnern in Serie geprüft. Bei den Bulk-Proben wurde generell ein starker Anstieg der Stromdichte im Material mit zunehmender Druckspannung beobachtet. Anders als erwartet ergab die Prüfung der Vielschicht-Varistoren, dass sich die Leitfähigkeit dieser Bauteile sowohl erhöhen als auch erniedrigen kann. Die natürliche Asymmetrie in der Strom-Spannungs-Charakteristik der MLV kann sogar verstärkt werden.

AB - Varistoren bestehen aus speziell dotiertem, halbleitendem Zinkoxid. An den Korngrenzen der polykristallinen Keramik existieren Potentialbarrieren, die durch an Akzeptoren gebundene Elektronen ausgebildet werden. Bei kleinen anliegenden Spannungen können nur sehr wenige Elektronen die Potentialbarrieren überqueren und der Varistor weist einen hohen, näherungsweise konstanten Widerstand auf. Ab der sogenannten Schaltspannung werden im Material durch Stoßionisation Elektronen-Loch-Paare generiert. Die erzeugten Löcher bauen die Potentialbarrieren an den Korngrenzen ab, wodurch der Widerstand des Materials stark nicht-linear abnimmt. Dieser sogenannte Varistor-Effekt ermöglicht den Einsatz von Varistoren als Überspannungsschutzelemente. Zu diesem Zweck wird das Varistor-Bauteil parallel zu einem zu schützenden Verbraucher geschaltet und leitet gefährliche Überspannungsspitzen ab. Die charakteristische Schaltspannung wird von der effektiven Anzahl der in Serie geschalteten Korngrenzen bestimmt. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von mechanischem Druck auf die Leitfähigkeit von ZnO-Varistoren untersucht. Da Zinkoxid ausgeprägte piezoelektrische Eigenschaften aufweist, ist zu erwarten, dass durch Druckspannungen Ladungen im Material erzeugt werden, welche die Höhe der Potentialbarrieren bzw. die Strom-Spannungs-Charakteristik des Varistors beeinflussen. Die experimentelle Umsetzung der Fragestellung erfolgte über Druckversuche mit uniaxialer Krafteinleitung in die Probe und Strom-Spannungs-Messungen bezüglich beider Spannungspolaritäten. Es wurden sowohl Bulk-Proben mit ca. 130 Körnern in Serie als auch Vielschicht-Varistoren mit nur 1-2 Körnern in Serie geprüft. Bei den Bulk-Proben wurde generell ein starker Anstieg der Stromdichte im Material mit zunehmender Druckspannung beobachtet. Anders als erwartet ergab die Prüfung der Vielschicht-Varistoren, dass sich die Leitfähigkeit dieser Bauteile sowohl erhöhen als auch erniedrigen kann. Die natürliche Asymmetrie in der Strom-Spannungs-Charakteristik der MLV kann sogar verstärkt werden.

KW - varistor

KW - zinc oxide

KW - electroceramic

KW - semiconductor

KW - Varistor

KW - Zinkoxid

KW - Elektrokeramik

KW - Halbleiter

M3 - Diplomarbeit

ER -