TY - BOOK

T1 - Einfluss des Gefüges auf die elektrischen Eigenschaften von Varistoren

AU - Raidl, Nadine

N1 - gesperrt bis 28-02-2020

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Varistoren (engl. VARiable ResISTORs) sind elektrokeramische Bauteile, deren Widerstand bei Überschreitung eines gewissen Spannungsschwellwerts, der sogenannten Schaltspannung, stark nichtlinear abnimmt. Das Schaltverhalten ist auf Potentialbarrieren, sogenannte Doppel-Schottky-Barrieren, an den Korngrenzen des Materials zurückzuführen, welche bei niedrigen Spannungen den Stromfluss begrenzen und bei Anliegen der charakteristischen Schaltspannung in einem lawinenartigen Prozess abgebaut werden. Kommerzielle Varistoren bestehen aus speziell dotiertem, polykristallinem Zinkoxid und werden in elektrischen und elektronischen Systemen als Überspannungsschutzelemente verwendet. In dieser Arbeit wird der Einfluss des Gefüges auf die Strom-Spannungs-Charakteristik von Varistoren analysiert und in Hinblick auf die Optimierung des elektrischen Verhaltens diskutiert. Niederspannungsvaristoren (i.e. Varistoren mit einer geringen Anzahl von seriell geschalteten Korngrenzen und somit niedrigen Schaltspannungen) haben einen Vielschichtaufbau mit metallischen Innenelektroden zwischen denen sich Pfade mit wenigen bis nur einer Korngrenze befinden. Auf Grund von Lokalisierungseffekten kann es im Extremfall dazu kommen, dass der Stromfluss durch ein Bauteil nur von einer Korngrenze dominiert wird. Durch Druck- und Zugversuche auf mehreren Größenskalen konnte gezeigt werden, dass mechanische Spannungen das Verhalten von Varistoren beeinflussen und abhängig von der Kornorientierung zu einer Erhöhung bzw. auch zu einer Verringerung des elektrischen Widerstands führen können. Zudem belegten die Experimente die Existenz von asymmetrischen Doppel-Schottky-Barrieren, die einen stromrichtungsabhängigen Ladungstransport über die Korngrenze verursachen. Die stromdominierenden Pfade im Inneren der Bauteile wurden mittels thermografischen Untersuchungen und Zielpräparation freigelegt. Es wurde gezeigt, dass es abhängig von der Stromrichtung zur Ausbildung unterschiedlicher Strompfade oder auch zu einer anisotropen Wärmeentstehung innerhalb eines Strompfades kommen kann. Um die Ursache der beobachteten Anisotropie aufzuklären, wurden sowohl einzelne Korngrenzen als auch die Grenzflächen zwischen den Körnern und den Innenelektroden mittels einer Micro-4-Pol-Messtechnik charakterisiert. Die Messungen zeigten, dass sich die elektrischen Kennlinien von einzelnen Korngrenzen hinsichtlich des Schaltpunktes und der Steilheit des Schaltbereichs unterscheiden. In einzelnen Fällen wurde zudem eine ausgeprägte Asymmetrie der Korngrenzen-Kennlinie beobachtet. Kornorientierungs- und Polaritätsanalysen offenbarten, dass diese Befunde auf die kornorientierungsabhängige Modifizierung von Doppel-Schottky-Barrieren durch eigenspannungsinduzierte, piezoelektrische Ladungen zurückzuführen sind. Zudem wurde auch eine Streuung der elektrischen Kennlinien von Korn-Metall Grenzflächen festgestellt, welche sich durch unterschiedlich hohe Schottky-Barrieren auf Grund der kornorientierungsabhängigen, kristallografischen Terminierung der Grenzflächen erklären lässt.

AB - Varistoren (engl. VARiable ResISTORs) sind elektrokeramische Bauteile, deren Widerstand bei Überschreitung eines gewissen Spannungsschwellwerts, der sogenannten Schaltspannung, stark nichtlinear abnimmt. Das Schaltverhalten ist auf Potentialbarrieren, sogenannte Doppel-Schottky-Barrieren, an den Korngrenzen des Materials zurückzuführen, welche bei niedrigen Spannungen den Stromfluss begrenzen und bei Anliegen der charakteristischen Schaltspannung in einem lawinenartigen Prozess abgebaut werden. Kommerzielle Varistoren bestehen aus speziell dotiertem, polykristallinem Zinkoxid und werden in elektrischen und elektronischen Systemen als Überspannungsschutzelemente verwendet. In dieser Arbeit wird der Einfluss des Gefüges auf die Strom-Spannungs-Charakteristik von Varistoren analysiert und in Hinblick auf die Optimierung des elektrischen Verhaltens diskutiert. Niederspannungsvaristoren (i.e. Varistoren mit einer geringen Anzahl von seriell geschalteten Korngrenzen und somit niedrigen Schaltspannungen) haben einen Vielschichtaufbau mit metallischen Innenelektroden zwischen denen sich Pfade mit wenigen bis nur einer Korngrenze befinden. Auf Grund von Lokalisierungseffekten kann es im Extremfall dazu kommen, dass der Stromfluss durch ein Bauteil nur von einer Korngrenze dominiert wird. Durch Druck- und Zugversuche auf mehreren Größenskalen konnte gezeigt werden, dass mechanische Spannungen das Verhalten von Varistoren beeinflussen und abhängig von der Kornorientierung zu einer Erhöhung bzw. auch zu einer Verringerung des elektrischen Widerstands führen können. Zudem belegten die Experimente die Existenz von asymmetrischen Doppel-Schottky-Barrieren, die einen stromrichtungsabhängigen Ladungstransport über die Korngrenze verursachen. Die stromdominierenden Pfade im Inneren der Bauteile wurden mittels thermografischen Untersuchungen und Zielpräparation freigelegt. Es wurde gezeigt, dass es abhängig von der Stromrichtung zur Ausbildung unterschiedlicher Strompfade oder auch zu einer anisotropen Wärmeentstehung innerhalb eines Strompfades kommen kann. Um die Ursache der beobachteten Anisotropie aufzuklären, wurden sowohl einzelne Korngrenzen als auch die Grenzflächen zwischen den Körnern und den Innenelektroden mittels einer Micro-4-Pol-Messtechnik charakterisiert. Die Messungen zeigten, dass sich die elektrischen Kennlinien von einzelnen Korngrenzen hinsichtlich des Schaltpunktes und der Steilheit des Schaltbereichs unterscheiden. In einzelnen Fällen wurde zudem eine ausgeprägte Asymmetrie der Korngrenzen-Kennlinie beobachtet. Kornorientierungs- und Polaritätsanalysen offenbarten, dass diese Befunde auf die kornorientierungsabhängige Modifizierung von Doppel-Schottky-Barrieren durch eigenspannungsinduzierte, piezoelektrische Ladungen zurückzuführen sind. Zudem wurde auch eine Streuung der elektrischen Kennlinien von Korn-Metall Grenzflächen festgestellt, welche sich durch unterschiedlich hohe Schottky-Barrieren auf Grund der kornorientierungsabhängigen, kristallografischen Terminierung der Grenzflächen erklären lässt.

KW - zinc oxide

KW - varistor

KW - Double Schottky Barrier

KW - piezoelectric effect

KW - orientation dependence

KW - Zinkoxid

KW - Varistor

KW - Doppel-Schottky-Barriere

KW - Piezoelektrischer Effekt

KW - Orientierungsabhängigkeit

M3 - Dissertation

ER -