摻雜粒子半徑對ZnO基避雷器響應速度的影響
——低壓智能電子產品領域

陳永佳

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300)

1 引言

ZnO(氧化鋅)壓敏電阻對電力電子系統中的過電壓有非常敏感的響應，可以用于制作避雷器，即ZnO基避雷器。影響ZnO基避雷器響應速度的重要參數是非線性系數。非線性系數可以理解為避雷器V-I特性曲線的斜率dI/dV，通常用α表示。相關研究表明，α值越大，避雷器對過電壓的響應越快，可以在較短的時間內完成對電路的保護。無論是大型的電力電子設備，還是小型的微電子產品、人工智能產品等，過電壓都是影響其使用壽命的重要因素，所以必須用到高靈敏性的避雷器作為電壓保護器件或者模塊，保護設備不會被過電壓燒毀。

ZnO屬于第三代半導體材料，是人工智能產品的重要基體材料，壓敏性能是其主要性能之一。ZnO壓敏電阻是由氧化鋅粉體和多種添加劑混合燒結而成的電子陶瓷，添加劑的種類和用量對壓敏性能有重要影響，摻雜粒子的半徑是主要影響因素之一。通過分析前期實驗和同領域的相關數據，研究了摻雜粒子半徑對ZnO基避雷器產品響應速度的影響。

2 理論

圖1是氧化鉻中的鉻離子Cr3+和氧化鉍中的鉍離子Bi3+在氧化鋅晶體結構中的分布模型圖，其他的摻雜粒子也有類似的結構，這是在高溫條件下經過復雜的物理化學反應形成的結構。從該結構可以看出摻雜粒子的特性參數(如半徑)與ZnO壓敏電阻響應速度之間的規律。

數據分析和曲線擬合是分析摻雜粒子半徑與ZnO壓敏電阻響應速度之間規律的有效方法。通過分析前期實驗數據中摻雜粒子的半徑和得到的實驗結果(用非線性系數間接衡量響應時間，非線性系數越大，響應時間越短)以及相關領域的數據，結合數據分析和曲線擬合的方法，最終可以得出ZnO基避雷器非線性系數和摻雜粒子半徑之間的函數關系。

圖1 Cr3+和Bi3+在氧化鋅晶體結構中的分布模型圖Fig.1 Distribution model of Cr3+ and Bi3+ in ZnO crystal structure

在固溶體理論和能量最低原理方面：當摻雜粒子的半徑與基體中的Zn2+離子半徑的相對偏差大于15%且小于30%時，摻雜粒子可以部分置換Zn2+位置形成固溶體，但是屬于不連續固溶體；當摻雜粒子的半徑與基體中的Zn2+離子半徑相對偏差小于15%時，摻雜粒子可以完全置換Zn2+的位置形成連續固溶體，即所有的摻雜粒子都可以置換Zn2+的位置；當相對偏差大于30%時，摻雜粒子則不能固溶到ZnO晶格中。

燒結過程中，摻雜離子總是傾向于向低能量狀態運動，相對偏差大于30%的摻雜粒子不能固溶到ZnO晶體結構中，所以燒結過程中只能向晶界處偏析，形成晶界層，對ZnO基避雷器非線性系數產生嚴重影響，進而影響ZnO基避雷器的響應速度。綜上所述，摻雜粒子的種類是決定ZnO基避雷器性能的重要因素。

3 數據分析和曲線擬合

ZnO基避雷器的響應時間主要受摻雜粒子的種類和摻雜量的影響。摻雜粒子的種類是起決定性作用的，摻雜量只是有助于提高避雷器性能。表1列舉了不同摻雜粒子的半徑值和相應的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所示的曲線圖，可以明顯看出ZnO基避雷器的非線性系數和粒子相對偏差之間的關系。

表1 不同摻雜粒子的半徑值和相應的ZnO基避雷器非線性系數Tab.1 Radius values of different doped particles and corresponding nonlinear coefficients of ZnO based arresters

圖2 ZnO基避雷器非線性系數和摻雜粒子相對偏差間關系曲線Fig.2 Relation curve between nonlinear coefficient and relative deviation of doped particles of ZnO based arrester

研究表明，隨著粒子半徑的相對偏差增大，ZnO基避雷器的非線性系數呈現逐漸增大的趨勢及避雷器的響應速度逐漸加快。通過前期分析可知，摻雜粒子半徑的相對偏差越大，在壓敏電阻的燒結過程中，摻雜粒子會向晶界偏析，在合適的摻雜濃度條件下會形成均勻分布的晶界層，因此會有較大的分線性系數。通過數據分析和曲線擬合，當摻雜粒子與鋅離子半徑相對偏差介于40%～50%時，ZnO避雷器的非線性系數達到最大值，對低壓智能電子產品的保護效果最佳。

4 結論

通過數據分析和曲線擬合，對本文前期研究結果和ZnO基避雷器領域中的典型實驗數據進行了分析。

研究表明：當摻雜粒子與鋅離子半徑的相對偏差介于40%～50%時，ZnO基避雷器通常具有較大的非線性系數，對過電壓的響應速度也較快，能夠較好地防止低壓智能電子產品不被過電壓損壞。