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Elektromechanisches Verhalten von ZnO Varistoren

Baraki, Raschid :
Elektromechanisches Verhalten von ZnO Varistoren.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Elektromechanisches Verhalten von ZnO Varistoren
Language: German
Abstract:

Ein Varistor ist ein spannungsabhängiger Widerstand. Daher stammt auch der Name, der sich aus den englischen Begriffen variable resistor (variabler Widerstand) zusammensetzt. Das heißt die Hauptcharakteristik ist ein nichtlineares Strom-Spannungsverhalten. Bei geringen Spannungen verhält er sich wie ein Isolator und ab einer gewissen Durchbruchsspannung sinkt der Widerstand rapide ab und der Varistor wird leitfähig. Ursache sind Doppel-Schottky-Barrieren (DSB), die sich an den Korngrenzen des halbleitenden Materials aufgrund gezielter Dotierung ausbilden. Diese DSB mit sehr hohem Widerstand brechen bei ausreichend hohen Spannungen zusammen und sorgen für das typische spannungsabhängige Verhalten. Diese und andere Eigenschaften wie ein sehr hohes Energieabsorptionsvermögen, hohe Nichtlinearität und schnelles Schaltverhalten machen die Varistoren zum idealen Spannungsableiter. Seit Matsuoka 1969 den Varistor basierend auf Zinkoxid entwickelte, gehört er zum Stand der Technik bezüglich Spannungsableitung. Seitdem wurde fortwährend an verschiedenen Aspekten geforscht, wie dem Einfluss gewisser Additive, diverser Herstellungsparameter oder das Degradationsverhalten. Besonders Letzteres spielt eine große Rolle, da durch Blitzeinschläge oder andere Überspannungsphänomene Varistoren in der Lage sein müssen, extrem hohen Belastungen Stand zu halten. Dennoch kann es zum Versagen oder zu Degradationserscheinungen kommen, welche es bei dem heutigen Trend in Richtung Ultra-Hochspannungsnetzen unbedingt zu vermeiden gilt. Die Ursachen können dabei genauso unterschiedlich sein, wie die Art der Ausfallerscheinung. In der Literatur wurden diese Beobachtungen bereits phänomenologisch ausführlich beschrieben, jedoch ist das physikalische Bild noch nicht ausgereift. Des Weiteren wurden oft gewisse Teilaspekte isoliert betrachtet, unabhängig von anderen Parametern. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein umfassendes Bild zu schaffen, das alle wichtigen Einflussfaktoren miteinander verbindet, sodass präzisere Modelle aufgestellt werden können, die es ermöglichen, mittels Computersimulationen das Verhalten von Varistoren vorauszuberechnen und dadurch Optimierungsmaßnahmen zu ergreifen. Dafür soll im ersten Teil dieser Arbeit der Einfluss der Herstellungsparameter, unter anderem die chemische Zusammensetzung, der Sinterprozess, die Mikrostruktur und die mechanische Spannungsverteilung auf die Varistorcharakteristik hin untersucht werden. Mit den so gewonnenen Hintergrundinformationen sollen anschließend Schadensmechanismen mittels Impulsbelastungen untersucht und diskutiert werden. Ein weiterer Aspekt ist der Einfluss von Poren auf das Versagensverhalten, welcher bisher nicht näher untersucht worden ist. Hier besteht die Annahme, dass Poren ein erhebliches Problem darstellen könnten, da diese durch die momentan benutzten Herstellungsverfahren in der Industrie unausweichlich sind. Zusätzlich führen hohe Impulsbelastungen zu enormen mechanischen Spannungen im Material. Diese Spannungen könnten in der porösen Varistorkeramik zum mechanischen Versagen führen. Außerdem könnten Poren zu einem veränderten Stromfluss im Material führen und so zu weiteren Versagensmechanismen beitragen. Um genauere Kenntnis zu erhalten, soll in dieser Arbeit der Stromfluss mittels Elektrolumineszenz- und Thermographieaufnahmen in Proben mit künstlich eingebrachten Poren analysiert werden. Als wichtigster Punkt dieser Arbeit soll der Einfluss einer mechanischen Spannung auf die elektrische Charakteristik von Varistoren untersucht werden. Wong et al. haben bereits 1976 festgestellt, dass sich die Leitfähigkeit des Varistors mit mechanischer Spannung ändern lässt und haben ein Patent für die Anwendung von Varistormaterial als Drucksensor beantragt. In diesem werden aber weder spezifische Werte für die Anwendung als Drucksensor noch physikalische Erklärungen geliefert. Später folgten Arbeiten, die zwar die Druckabhängigkeit vom Varistorverhalten diskutiert haben, allerdings als negativen Einfluss bezüglich der Anwendung als Spannungsableiter. Jedoch wurde in keiner dieser Arbeiten der Einfluss von mechanischer Spannung auf die Barrierenhöhe analysiert bzw. temperatur- und druckabhängige elektrische Messungen durchgeführt. Hier soll genau dies durchgeführt werden, um eine geschlossene physikalische Erklärung zu ermöglichen. In Folge dessen soll auch die mögliche Anwendung als Drucksensor ausführlich analysiert und diskutiert werden. Da die gleichzeitige elektrische und mechanische Belastung bei erhöhten Temperaturen zu Degradationserscheinungen führen kann, wird dies auch Teil der Untersuchung sein. Dafür soll in Kapitel 8, anhand von unterschiedlich stark Natrium-dotierten Proben, die Degradationsursachen ermittelt werden. Natrium erwies sich dabei in der Literatur als vielversprechendes Additiv gegen die Degradation durch Elektromigration.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The energy market currently sees a trend towards ultra-high voltage networks driven by a trend towards renewable energy sources and higher network efficiency. These new networks need new and improved materials with high reliability for applications in the field of surge protection. Presently varistors made of ceramic materials based on zinc oxide (ZnO) are state of the art in this type of application. This is why research on varistors is still necessary. However since some time the word “piezotronics” came up in relation to ZnO. Piezotronics uses the advantages of piezoelectric and semiconducting properties, which ZnO has both. So it is for example possible to tune the conductivity with the piezopotential by changing the Schottky barrier height at the electrode contacts. With this kind of materials new or advanced applications becomes possible, like nanogenerators, piezoelectric diodes or sensors. In this work therefore the influence of the piezopotential on the double Schottky barriers in varistors is investigated, because in contrast to the common piezotronic materials, varistors contain not only one Schottky barrier but several hundred or thousand double Schottky barriers, depending on the grain size and dimensions of the sample.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: ZnO, Varistor, Piezotronics, Zinkoxid, MOX Varistor, Doppel-Schottky-Barriere
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Nonmetallic-Inorganic Materials
Date Deposited: 04 Jul 2016 06:20
Last Modified: 05 Jul 2016 09:03
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-55509
Referees: Rödel, Professor Jürgen and Klein, Professor Andreas and Albe, Professor Karsten and Schneider, Professor Jörg
Refereed: 3 June 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5550
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