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Institut für Struktur- und Funktionskeramik

Zusammenhang Mikrogefüge und Zinkoxid-Varistoren (Bridge)

Varistoren (variable resistor) sind spannungsabhängige Widerstände die ihre technologische Bedeutung durch hoch nicht-lineare Strom-Spannungs Charakteristik bekommen haben. Im Schaltbereich ist der Strom proportional zur der Spannung U hoch ? ( I~U ? ) (Abb.1), wobei Werte für ? bis 100 erreicht werden können. Moderne Varistoren basieren auf einer speziell dotierten Zinkoxid-Keramik. Der größte Einsatzbereich dieser Bauteile ist die Verwendung als reversible Überspannungsschutz. Dazu wird das Bauteil parallel zum Verbraucher geschalten und schützt ihn dadurch vor gefährlichen Überspannungen (Abb.2).

Für den Varistoreffekt sind sogenannte Doppelschottky-Barrieren an den Korngrenzen der ZnO-Keramik verantwortlich. Akzeptoren an der Korngrenze bewirken eine Flächenladungsdichte, welche dort eine Potentialbarriere erzeugt. Ab einer gewissen Spannung findet im Barrierenbereich Stossionsiation statt, die Elektron Loch Paare erzeugen. Die Löcher wandern zurück zu der Barriere und bauen diese ab. Nur durch diese positive Rückkopplung können derart hohe Nichtlinearitäten erklärt werden. Trotz der intensiven Forschung mit zahlreichen wesentlichen Erkenntnissen sind aber bis heute viele Detailfragen ungeklärt geblieben. In diesem Projekt untersuchen wir mikroskopischen Eigenschaften der Varistoren und versuchen den Einfluss des Gefüges (Kornorientierung, Zwillinge,...) auf die elektrischen Eigenschaften der einzelne Korngrenzen zu klären.

Abbildung 1: simulierte Strom-Spannungskennline eines Varistors (α ~ 50)
Abbildung 2: Eine Parallelschaltung von einem Varistorelement zum Verbraucher (a) reduziert gefährliche Überspannungen (b).
Abbildung 3: SEM-Aufnahme eines typischen Varistorgefüges

Kontaktperson

DI Michael Hofstätter