Potentialities of modification of metal oxide varistor microstructures

• Autorzy: Mielcarek W. , Prociow K. , Warycha J.

Warianty tytułu

PL

Możliwości modyfikacji mikrostruktury warystorów tlenkowych

• Konferencja: International Conference of IMAPS - CPMP IEEE (32 ; 2008 ; Pułtusk, Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The electrical properties of varistors, similarly like posistors and other devices made of semiconducting ceramic, are controlled by grain boundaries. In varistor conductivity the main role play potential barriers which arise at grain boundaries during varistor sintering. The I-V behavior of varistor ceramic is such that during conduction the varistor voltage remains relatively constant while a current changes are of several orders of magnitude. Varistor is produced by sintering a mixture of ZnO with a small addition of Bi2O3 and other metal oxides. Varistor microstructure composes of ZnO grains. Each ZnO grain acts as it has a semiconducting junction at the grain boundary. The non-linear electrical behavior occurs at the boundary of each ZnO grain. The junctions between grains are separated by an intergranular phase. The best varistor performance is attained when the Bi-rich intergranular layer is of nanometer size. When the intergranular phase is in a shape of agglomerates embedding Bi2O3 crystal phases and spinel grains it forms areas excluded from conduction. The problem has been studied with emphasis on determining the relation between ZnO dopants and microstructure evolution. It was established that the vulnerability of varistor ceramic for formation of agglomerates depend on the composition of additive oxides. With SrO, MnO and PbO varistor ceramic is more susceptible for formation of agglomerates, while Co2O3, Sb2O3 and SnO2 facilitates the homogenous distribution of additives in varistor body. Elimination of an electrically inactive areas from varistor body would enable the decrease of the amount of additives (e.g. the amount of Bi2O3 would decrease from 1 mol % to 0.2 mol %) and bring about the diminishment of the cost of varistor processing along with improvement of varistor performance.

PL

Własności elektryczne warystorów, podobnie jak pozystorów i innych wyrobów z ceramiki półprzewodnikowej, są kontrolowane przez ukształtowanie granicy ziaren. Ceramika warystorowa ZnO swoje niewłaściwości elektryczne zawdzięcza domieszce małej ilości innych tlenków metali. Mikrostruktura warystora rozwija się podczas spiekania. Głównym elementem mikrostruktury warystora są ziarna ZnO odseparowane od siebie cienką , bogatą w bizmut, warstwą międzyziarnową. Najlepsze własności elektryczne warystor wykazuje wtedy, kiedy warstwa ta jest możliwie cienka. Jeżeli warstwa ta jest w formie aglomeratów, a w dodatku zawiera w sobie wykrystalizowany Bi2O3 lub krystality innych związków to tworzy obszar wykluczony z przewodnictwa. W warystorze o takiej strukturze w czasie przepływu prądu dochodzi do miejscowych przegrzań i zakłóceń w działaniu. W pracy udowodniono doświadczalnie, że spiekając wstępnie tlenek bizmutu z tlenkami innych metali można wpływać na kształt warstwy miedzyziarnowej, a więc i na elektryczne własności warystora. Przeprowadzone doświadczenia dowiodły, że jeżeli Bi2O3 przed dodaniem do warystora spieczemy wstępnie z tlenkami Co, Sb lub Sn to tak zmodyfikowany tlenek bizmutu sprzyja równomiernemu rozprowadzeniu domieszek w warystorze przyczyniając się do eliminacji ze struktury warystora obszarów nieaktywnych elektrycznie. Natomiast wstępne modyfikowanie tlenku bizmutu tlenkami tzw. szkłotwórczymi jak PbO, SrO i MnO nie przynosi podobnego efektu.

Słowa kluczowe

EN

ZnO varistor; microstructure; semiconducting ceramic; doping; Bi2O3

PL

warystor ZnO; mikrostruktura; ceramika półprzewodnikowa; domieszkowanie; Bi2O3

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2009
• Tom: T. 37, nr 1
• Strony: 86--98
• Opis fizyczny: Bibliogr. 3 poz., rys.

Twórcy

autor

Mielcarek W.

autor

Prociow K.

autor

Warycha J.

• Electrotechnical Institute, ul. M. Sklodowskiej-Curie 55/61, 50-369 Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Kosman M. S., Gesse J.A.: Dielektričeskaja pronikajemost okisi cinka s primiestju okisi bismuia,.Izvest. Akad. Nauk SSR Ser. Fiz., 22, 3, (1958), 315
• [2] Matsuoka M., Masuyamai T., Iida Y.: Voltage nonlinearity of zinc oxide ceramics doped with akali earth metal oxide, Jpn. J. Appl. Phys, (1969 ), 1275
• [3] Hohenberger G., Tomandl G., Ebert R., Taube V.: Inhomogeneous conductivity in varistor ceramics methods of investigation, J. Am. Ceram. Soc., 74, 9, (1991), 2067