摻雜粒子電負性對ZnO基避雷器非線性特性的影響

陳永佳

(陜西國防工業職業技術學院，西安 710300)

1 引言

ZnO壓敏電阻可用于過電壓保護器、浪涌吸收器、避雷器等電力電子器件，是保護電力電子系統正常運行的重要元器件[1]。避雷器在電力電子系統及其設備中的應用最為廣泛，其中以ZnO基避雷器使用較多[2]。ZnO基避雷器是以ZnO壓敏電阻為核心單元并經過串并聯等方式組成的，分為低壓避雷器和高壓避雷器兩種類型。低壓避雷器主要用于對各種電子系統進行保護，高壓避雷器則用于保護高壓的電力系統，具有響應速度快、體積小、使用方便等特點。

影響ZnO基避雷器響應速度的因素諸多，從根本上分析，主要是由ZnO壓敏電阻的微觀結構決定的[3]。粒子摻雜是改善微觀結構性能的重要方式，除了壓敏電阻的燒結工藝，粒子的電負性和半徑也從根本上影響著壓敏電阻的微觀結構[4-5]。電負性決定了晶界對電子吸附能力的強弱，極大程度地影響著ZnO壓敏電阻的微觀結構和電學性能。本研究通過分析前期實驗和同領域的相關數據，研究了摻雜粒子電負性對ZnO基避雷器產品響應速度的影響。

2 理論

圖1是ZnO晶格結構模型及其晶格中的電子云分布模型。鉻離子Cr3+和鉍離子Bi3+等摻入ZnO晶格會改變晶格的電子云結構，進而影響電子向晶界的遷移運動，導致晶界勢壘的改變。電負性表示原子吸附電子的能力，電負性越大，原子對電子的束縛能力越強。ZnO壓敏電阻的非線性能力主要由晶界勢壘決定，晶界對電子的吸附能力越強，則晶界勢壘越高，非線性特性越好。

通過數據分析和曲線擬合，可以系統分析摻雜粒子電負性與ZnO壓敏電阻響應速度之間的關系。分析前期實驗數據中摻雜粒子的電負性和非線性系數以及相關領域的研究結果可以得出ZnO基避雷器非線性系數和摻雜粒子的電負性之間的分布規律。

根據固溶體的形成機理和能量最低原理，電負性與鋅離子差別較大的粒子在燒結過程中總是傾向于向低能量狀態運動，即向晶界偏析[6]。當電負性相對偏差在±0.4%之內，摻雜粒子可以固溶到ZnO晶格中形成固溶體，在±0.4%之外則主要向晶界處偏析，影響了ZnO壓敏電阻的非線性特性。因此，摻雜粒子的電負性是決定ZnO基避雷器性能的重要因素。

圖1 ZnO晶格結構模型及電子云分布模型Fig.1 Lattice structure model and electron cloud distribution model of ZnO

3 機理分析

摻雜粒子的種類和摻雜量對ZnO壓敏電阻的非線性系數有重要影響，其中，粒子的種類起決定性作用。表1列舉了不同摻雜粒子的電負性和ZnO基避雷器非線性系數的關系。非線性系數可以間接反映避雷器的響應速度，非線性系數越大，響應速度越快。根據表1可以得到如圖2所示的關系曲線。

圖2 ZnO基避雷器非線性系數和電負性相對偏差間的關系曲線Fig.2 Relation curve between nonlinear coefficient and electronegativity relative deviation of ZnO based arrester

表1 摻雜粒子電負性和ZnO基避雷器非線性系數的關系Tab.1 Relationship between electronegativity of doped particles and nonlinear coefficient of ZnO based arrester

研究表明，隨著粒子電負性相對偏差增大，ZnO基避雷器的非線性系數呈現出先減小后增大的趨勢，避雷器的響應速度也具有相同的變化趨勢。理論表明，摻雜粒子電負性的相對偏差越大，在壓敏電阻的燒結過程中，摻雜粒子越會向晶界偏析，在合適的摻雜濃度條件下會形成均勻分布的晶界層，因此會有較大的非線性系數。通過數據分析和曲線擬合，當摻雜粒子與鋅離子電負性的相對偏差大于25%或小于5%時，ZnO基避雷器的非線性系數具有較大值，這可能是受到粒子半徑的影響所致。

4 結論

①摻雜粒子對ZnO晶格的電子云分布有重要影響，電負性越強的摻雜粒子如果分布于晶界，則可以有效吸收ZnO晶粒中的電子，會產生較好的非線性特性。②當摻雜粒子與鋅離子電負性的相對偏差大于25%或小于5%時，ZnO基避雷器的非線性系數具有較大值。