TY - THES

T1 - Elektro-mechanische Charakterisierung von Varistoren

AU - Stoiser, Martin

N1 - gesperrt bis null

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Varistorkeramiken weisen einen hoch nicht-linearen spannungsabhängigen Widerstand auf. Diese Funktionskeramiken werden in vielen Anwendungsbereichen als Überspannungsschutzelemente eingesetzt. Den Basiswerkstoff für Varistoren stellt polykristallines Zinkoxid dar, das speziell dotiert wird, sodass an den Korngrenzen negative Oberflächenladungen induziert werden und sich Elektronenbarrieren ausbilden, die als Doppel-Schottky-Barrieren (DSB) bezeichnet werden. Diese Potentialbarrieren limitieren den Stromfluss und sind für den Varistor-typischen Schaltvorgang verantwortlich. Die Strom-Spannungs-Charakteristik wird außerdem durch piezoelektrisch induzierte Ladungen an den DSB beim Aufbringen von mechanischer Spannung beeinflusst (i.e. „piezotronischer“ Effekt). In dieser Arbeit wurde einerseits die Änderung des elektrischen Verhaltens unter Einwirkung von uniaxialer mechanischer Druckspannung an Multilayer-Varistoren (MLV) mit einer Bauteilgröße von unter 1 mm untersucht. Hierbei wurden verschiedene geometrische Anordnungen in Bezug auf die Orientierungen des elektrischen Feldvektors und der angelegten Druckkraft geprüft, um die Auswirkungen des piezoelektrischen Effekts detailliert zu studieren. Andererseits wurden erstmals Mikro 4-Pol-Messungen mit anliegenden Zug- und Druckspannungen an einzelnen Zinkoxid-Korngrenzen durchgeführt. Aus MLV hergestellte Dünnschliffe wurden auf Biegebalken aufgeklebt, um ihnen mit Hilfe eines Mikro 4-Punkt-Biegeauflagers eine mechanische Zug- beziehungsweise Druckspannung aufzuprägen. Die makroskopischen Druckversuche an MLV-Proben zeigen Verschiebungen der charakteristischen Strom-Spannungs-Kennlinien sowie Veränderungen der natürlichen Asymmetrie. Dieser Befund ist auf den „piezotronischen“ Effekt zurückzuführen. Die direkten mikroskopischen Untersuchungen an einzelnen Korngrenzen bestätigten die beobachteten Effekte. Die Richtung der unter Druckspannungen gemessenen Verschiebungen der Kennlinien kehrt sich bei aufgebrachten Zugspannungen um.

AB - Varistorkeramiken weisen einen hoch nicht-linearen spannungsabhängigen Widerstand auf. Diese Funktionskeramiken werden in vielen Anwendungsbereichen als Überspannungsschutzelemente eingesetzt. Den Basiswerkstoff für Varistoren stellt polykristallines Zinkoxid dar, das speziell dotiert wird, sodass an den Korngrenzen negative Oberflächenladungen induziert werden und sich Elektronenbarrieren ausbilden, die als Doppel-Schottky-Barrieren (DSB) bezeichnet werden. Diese Potentialbarrieren limitieren den Stromfluss und sind für den Varistor-typischen Schaltvorgang verantwortlich. Die Strom-Spannungs-Charakteristik wird außerdem durch piezoelektrisch induzierte Ladungen an den DSB beim Aufbringen von mechanischer Spannung beeinflusst (i.e. „piezotronischer“ Effekt). In dieser Arbeit wurde einerseits die Änderung des elektrischen Verhaltens unter Einwirkung von uniaxialer mechanischer Druckspannung an Multilayer-Varistoren (MLV) mit einer Bauteilgröße von unter 1 mm untersucht. Hierbei wurden verschiedene geometrische Anordnungen in Bezug auf die Orientierungen des elektrischen Feldvektors und der angelegten Druckkraft geprüft, um die Auswirkungen des piezoelektrischen Effekts detailliert zu studieren. Andererseits wurden erstmals Mikro 4-Pol-Messungen mit anliegenden Zug- und Druckspannungen an einzelnen Zinkoxid-Korngrenzen durchgeführt. Aus MLV hergestellte Dünnschliffe wurden auf Biegebalken aufgeklebt, um ihnen mit Hilfe eines Mikro 4-Punkt-Biegeauflagers eine mechanische Zug- beziehungsweise Druckspannung aufzuprägen. Die makroskopischen Druckversuche an MLV-Proben zeigen Verschiebungen der charakteristischen Strom-Spannungs-Kennlinien sowie Veränderungen der natürlichen Asymmetrie. Dieser Befund ist auf den „piezotronischen“ Effekt zurückzuführen. Die direkten mikroskopischen Untersuchungen an einzelnen Korngrenzen bestätigten die beobachteten Effekte. Die Richtung der unter Druckspannungen gemessenen Verschiebungen der Kennlinien kehrt sich bei aufgebrachten Zugspannungen um.

KW - Double Schottky Barrier (DSB)

KW - Varistor

KW - Piezoelectricity

KW - Piezotronic effect

KW - Micro 4 Point Probe

KW - Multilayer-varistors

KW - MLV

KW - Varistor

KW - Doppel-Schottky Barrieren

KW - Überspannungsschutzelemente

KW - nicht-linearer spannungsabhängiger Widerstand

KW - Mikro 4-Pol Messung

KW - MLV

KW - Multilayer-Varistor

KW - Piezoelektrizität

KW - piezotronischer Effekt

M3 - Diplomarbeit

ER -