掺杂粒子半径对ZnO基避雷器响应速度的影响——低压智能电子产品领域

陈永佳

(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300)

1 引言

ZnO(氧化锌)压敏电阻对电力电子系统中的过电压有非常敏感的响应，可以用于制作避雷器，即ZnO基避雷器。影响ZnO基避雷器响应速度的重要参数是非线性系数。非线性系数可以理解为避雷器V-I特性曲线的斜率dI/dV，通常用α表示。相关研究表明，α值越大，避雷器对过电压的响应越快，可以在较短的时间内完成对电路的保护。无论是大型的电力电子设备，还是小型的微电子产品、人工智能产品等，过电压都是影响其使用寿命的重要因素，所以必须用到高灵敏性的避雷器作为电压保护器件或者模块，保护设备不会被过电压烧毁。

ZnO属于第三代半导体材料，是人工智能产品的重要基体材料，压敏性能是其主要性能之一。ZnO压敏电阻是由氧化锌粉体和多种添加剂混合烧结而成的电子陶瓷，添加剂的种类和用量对压敏性能有重要影响，掺杂粒子的半径是主要影响因素之一。通过分析前期实验和同领域的相关数据，研究了掺杂粒子半径对ZnO基避雷器产品响应速度的影响。

2 理论

图1是氧化铬中的铬离子Cr3+和氧化铋中的铋离子Bi3+在氧化锌晶体结构中的分布模型图，其他的掺杂粒子也有类似的结构，这是在高温条件下经过复杂的物理化学反应形成的结构。从该结构可以看出掺杂粒子的特性参数(如半径)与ZnO压敏电阻响应速度之间的规律。

数据分析和曲线拟合是分析掺杂粒子半径与ZnO压敏电阻响应速度之间规律的有效方法。通过分析前期实验数据中掺杂粒子的半径和得到的实验结果(用非线性系数间接衡量响应时间，非线性系数越大，响应时间越短)以及相关领域的数据，结合数据分析和曲线拟合的方法，最终可以得出ZnO基避雷器非线性系数和掺杂粒子半径之间的函数关系。

图1 Cr3+和Bi3+在氧化锌晶体结构中的分布模型图Fig.1 Distribution model of Cr3+ and Bi3+ in ZnO crystal structure

在固溶体理论和能量最低原理方面：当掺杂粒子的半径与基体中的Zn2+离子半径的相对偏差大于15%且小于30%时，掺杂粒子可以部分置换Zn2+位置形成固溶体，但是属于不连续固溶体；当掺杂粒子的半径与基体中的Zn2+离子半径相对偏差小于15%时，掺杂粒子可以完全置换Zn2+的位置形成连续固溶体，即所有的掺杂粒子都可以置换Zn2+的位置；当相对偏差大于30%时，掺杂粒子则不能固溶到ZnO晶格中。

烧结过程中，掺杂离子总是倾向于向低能量状态运动，相对偏差大于30%的掺杂粒子不能固溶到ZnO晶体结构中，所以烧结过程中只能向晶界处偏析，形成晶界层，对ZnO基避雷器非线性系数产生严重影响，进而影响ZnO基避雷器的响应速度。综上所述，掺杂粒子的种类是决定ZnO基避雷器性能的重要因素。

3 数据分析和曲线拟合

ZnO基避雷器的响应时间主要受掺杂粒子的种类和掺杂量的影响。掺杂粒子的种类是起决定性作用的，掺杂量只是有助于提高避雷器性能。表1列举了不同掺杂粒子的半径值和相应的ZnO基避雷器非线性系数的关系。非线性系数可以间接反映避雷器的响应速度，非线性系数越大，响应速度越快。根据表1可以得到如图2所示的曲线图，可以明显看出ZnO基避雷器的非线性系数和粒子相对偏差之间的关系。

表1 不同掺杂粒子的半径值和相应的ZnO基避雷器非线性系数Tab.1 Radius values of different doped particles and corresponding nonlinear coefficients of ZnO based arresters

图2 ZnO基避雷器非线性系数和掺杂粒子相对偏差间关系曲线Fig.2 Relation curve between nonlinear coefficient and relative deviation of doped particles of ZnO based arrester

研究表明，随着粒子半径的相对偏差增大，ZnO基避雷器的非线性系数呈现逐渐增大的趋势及避雷器的响应速度逐渐加快。通过前期分析可知，掺杂粒子半径的相对偏差越大，在压敏电阻的烧结过程中，掺杂粒子会向晶界偏析，在合适的掺杂浓度条件下会形成均匀分布的晶界层，因此会有较大的分线性系数。通过数据分析和曲线拟合，当掺杂粒子与锌离子半径相对偏差介于40%～50%时，ZnO避雷器的非线性系数达到最大值，对低压智能电子产品的保护效果最佳。

4 结论

通过数据分析和曲线拟合，对本文前期研究结果和ZnO基避雷器领域中的典型实验数据进行了分析。

研究表明：当掺杂粒子与锌离子半径的相对偏差介于40%～50%时，ZnO基避雷器通常具有较大的非线性系数，对过电压的响应速度也较快，能够较好地防止低压智能电子产品不被过电压损坏。