L ời cm ơn
2.1.2.Cấu trúc vi mô
Biến trở oxit kim loại MOV (Hình 2.2) gồm một khối Ceramic đa tinh thể, với các tiếp xúc kim loại và dây nối. Oxit kẽm ZnO và oxit Bismuth, thành phần
không thể thiếu, thêm một lượng nhỏ Cobalt, Manganses và các oxit kim loại khác được pha trộn với các chất phụ gia bột được giữ độc quyền bởi các nhà sản xuất, và được nén lại, sau đó nung ở nhiệt độ từ 1000-14000C. Hỗn hợp rắn oxit
kẽm ZnO với oxit Bismuth và oxit kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên
Ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng biến trở.
Hình 2.2. Cấu tạo của MOV.
Bản thân hạt oxit kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng 15 –100m), trong khi oxit kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao. Chỉ tại các điểm oxit
kẽmgặp nhau tạonên “vi biến trở’’, tựa như hai Diode zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V. Chúng có thể mắc nối tiếp hoặc song song (Hình 2.3). Việc mắc nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn (năng lượng tiêu hao trong chất bán dẫn hầu như chỉ xảy ra trên biên P-N rất mỏng, trong khi đó đối với MOV nó phân phối trên tất cả các “vi biến trở”), MOV hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chịu được dòng xung đột biến cao.
Hình 2.3.Cấu trúc củabiến trởvà đặc tính V-I.
Mỗi một hạt ZnO của Ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt. Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như hình 2.4. Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thểxem như là một thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt. Hành vi của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của Ceramic, kích thước hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trò chính trong hành vi về điện.
Điều này đưa đến các tính chất về điện của MOV gần như được điều khiển bởi kích thước vật lý của nó:
Khi tăng bề dày của MOV 2 lần sẽ làm cho mức bảo vệ của nó cũng tăng 2 lần do số vi biến trở nối tiếp cũng tăng 2 lần.
Khi tăng tiết diện của MOV 2 lần sẽ làm cho khả năng tải dòng điện của nó cao hơn 2 lần do số đường dẫn dòng nối song song cũng tăng 2 lần.
Hình 2.4. Vi cấu trúc của Ceramic.
Cấu trúc của biến trở bao gồm một ma trận hạt dẫn ZnO tiếp xúc nhau qua
biên hạt cho đặc tính như tiếp giáp P-N của chất bán dẫn. Các hạt ZnO có kích thước trung bình là d, bề dày biến trở là D, ở hai bề mặt khối MOV được áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng. Hai phiến kim loại này lại được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài (Hình 2.2).
Điện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước của hạt ZnO. Một đặc tính cơ bản của biến trở ZnO là điện áp rơi qua biên tiếp giáp giữa các hạt ZnO gần như là hằng số, và khoảng từ (2-3,5)V. Mối liên hệ này được xác
định như sau:
Điệnáp biến trở: VN = (3,5)n (2.2)
Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d (VN d)/3,5 (2.3)
Trong đó n là số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO, d là kích thước trung
bình của hạt, VN là điện áp rơi trên MOV khi MOV chuyển hoàn toàn từ vùng dòng
rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên đường đặc tính V-I với dòng điện 1mA (Hình 2.10).
Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu
trúc (Hình 2.5):
Vùng I: biên có độ dày khoảng (100-1000 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3.
Vùng III: biên này có đặc tính là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO. Ngoài ra
Bi, Co và một lượng các ion oxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày
vài nm.
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO.
2.2. Tính năng ho t động của biến trở Oxit kim lo i (MOV) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Biến trở MOV rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các oxit
ceramic đa tinh thể tùy vào vi cấu trúc của thiết bị nàyvà chi tiết quá trình xảy ra tại các biên tiếp giáp hạt ZnO. Thành phần chính của biến trở là ZnO chiếm 90% hoặc hơn nữa, còn lại là các ôxít kim loại khác. Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol- %ZnO, 1mol-% Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3,CoO, MnO, và Cr2O3.
Quá trình chế tạo biến trở MOV theo tiêu chuẩn kỹ thuật Ceramic. Các thành
phần được trộn thành hỗn hợp và xay thành bột. Hỗn hợp bột được làm khô và nén
thành hình dạng mong muốn. Sau đó các viên được vón cục ở nhiệt độ cao, cụ thể là từ 1000-14000C. Hai phiến kim loại thường là bằng bạc tiếp xúc với các hạt được vón cục bên ngoài làm điện cực và được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài, thiết bị được đóng gói bằng vật liệu trùng hợp. Quá trình có thể diễn tả theo lưu đồ
Hình 2.6, Hình 2.7 là cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói. Sản phẩm hoàn thành sau cùng được kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật. Trước khi đưa vào sử dụng, MOV phải trải qua các thử nghiệm thông thường như:
Độ bềnđối với xung vuông năng lượng cao.
Điện áp phóng điện.
Tổn hao công suất W.
Điện dung.
Kiểm tra bằng mắt.
Sau đó MOV còn phải trải qua các thử nghiệm chất lượng như:
Kiểm tra hư hỏng đối với xung vuông.
Kiểm tra chu kỳ công suất.
Kiểm tra với dòng cao.
Kiểm tra tuổi thọ,…
Hình 2.6.Lưu đồ chế tạo biến trở MOV
Một vài giá trị tiêu biểuvề kích thước của biến trở oxit kim loại được cho như sau: Điện áp biến trở (VRMS) Đường kính hạt d (m) Số hạt n (hạt) Điện trường
V/mm tại 1mA của MOV Bề dày D
(mm)
150 20 75 150 1,5
Đường kính đĩa danh định (mm): 3, 5, 7, 10, 14, 20, 32, 34, 40, 62 mm.
Hình 2.7. Cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói.
Vì cấu trúc biến trở oxit kim loại đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý của
biến trở là phức tạp hơn chất bán dẫn thông thường. Giải thích nguyên lý hoạt động
của biến trở ZnO dựa trên sự hiểu biết về hiện tượng điện xảy ra ở vùng biên tiếp giáp của các hạt oxit kẽm, một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng xuyên hầm. Tuy nhiên, tốt hơn là có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các
diode bán dẫn nối nối tiếp –song song (Hình 2.3). Cấu trúc cơ bản của khối biến trở MOV là kết quả tạo hạt ZnO. Trong suốt quá trình xử lý, sự biến đổi các thành phần hoá học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao
( = 1010-1012cm) và ngược lại bên trong hạt thì tínhdẫn điện lại rất cao (điện trở suất thấp =0,1-10cm). Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt với khoảng cách khoảng 50 đến 100nm,vùng này được biết như là vùng hẹp. Vì vậy, tại một biên hạt
có sự tồn tại vùng hẹp cả hai phía đến các hạt kế cận. Hoạt động của biến trở chính là do sự có mặt của vùng hẹp này. Bởi vì vùng này thiếu hụt các điện tửtự do, cho nên hình thành vùng hẹp (vùng nghèo) điện tích không gian trong hạt oxit kẽm tại miền gần các biên tiếp giáp của các hạt. Điều này giống như ở tiếp giáp P-N của diode bán dẫn và điện dung của lớp tiếp giáp này phụ thuộc vào điện áp đặt vào lớp tiếp giáp theo biểu thức:
N ε q ) V + V ( 2 = C 1 s b 2 (2.4) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong đó Vb là điện thế rào, V là điện áp đặt vào, q là điện tích điện tử, s là
hằng số điện môi của chất bán dẫn, N là mật độ hạt dẫn.
Từ mối liên hệ này, mật độ hạt dẫn của ZnO, N được xác định khoảng
2x1017/cm3.
Hình 2.8. Sơ đồ năng lượng tiếp giáp giữa hạt ZnO –biên –hạt ZnO.
các vùng hẹp các hạt dẫn trôi tự do và đây là nguyên nhân gây ra dòng điện
rò. Dòng rò được gây ra do các hạt dẫn trôi tự do qua điện trường rào thấp và được kích hoạt bởi nhiệt độ ít nhất là trên 25oC.
Hình 2.8 chỉ ra sơ đồ năng lượng của hạt ZnO-biên tiếp giáp–hạt ZnO. Điện áp phân cực thuận VL phía bên trái của hạt, điện áp phân cực ngược VR phía bên
phải của hạt. Độ rộng vùng nghèo là XL và XR, với độ lớn điện thế rào tương ứng là
L và R. Điện thế phân cực tại gốc là o. Khi điện áp phân cực gia tăng, Lgiảm
và Rtăng, dẫn đến điện thế rào thấp hơn và sự dẫn điện gia tăng.
Độ lớn điện thế rào L của biến trở hạ áp là một hàm theo điện áp (Hình 2.9).
Sự giảm nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tương ứng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi tuyến.
Hình 2.9.Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào.
Cơ chế vận chuyển của vùng phi tuyến là rất phức tạp và vẫn còn tiếp tục nghiên cứu. vùng dẫn cao, giá trị điện trở giới hạn tùy thuộc vào tính dẫn điện của các hạt bán dẫn ZnO, ở vùng dẫn này mật độ hạt dẫn khoảng từ 1017-1018/cm3.
Điện trở suất của ZnO có giá trị dưới 0,3cm. Tính chất dẫn điện phi tuyến cao của MOV có thể giải thích bởi sự hồi tiếp mà nó xuất hiện khi các điện tử bắt đầu vượt qua điện thế rào thoát khỏi lực hút mạnh mẽ của lớp biên tiếp giáp giữa các hạt. Khi mà các điện tử vượt qua điện thế rào này chúng đã đạt được đủ năng lượng và làm giảm điện thế ở phía mà nó tạo ra các lỗ hổng điện tử. Các lỗ hổng điện tử này sinh ra và di chuyển trở lại vùng điện thế rào, ở đó chúng kết hợp với các điện tử bị giữ lại bởi điện thế rào và khiến cho điện thế rào sụt xuống và cứ thế dòng qua MOV ngày càng tăng.