掺杂粒子电负性对ZnO基避雷器非线性特性的影响

陈永佳

(陕西国防工业职业技术学院，西安 710300)

1 引言

ZnO压敏电阻可用于过电压保护器、浪涌吸收器、避雷器等电力电子器件，是保护电力电子系统正常运行的重要元器件[1]。避雷器在电力电子系统及其设备中的应用最为广泛，其中以ZnO基避雷器使用较多[2]。ZnO基避雷器是以ZnO压敏电阻为核心单元并经过串并联等方式组成的，分为低压避雷器和高压避雷器两种类型。低压避雷器主要用于对各种电子系统进行保护，高压避雷器则用于保护高压的电力系统，具有响应速度快、体积小、使用方便等特点。

影响ZnO基避雷器响应速度的因素诸多，从根本上分析，主要是由ZnO压敏电阻的微观结构决定的[3]。粒子掺杂是改善微观结构性能的重要方式，除了压敏电阻的烧结工艺，粒子的电负性和半径也从根本上影响着压敏电阻的微观结构[4-5]。电负性决定了晶界对电子吸附能力的强弱，极大程度地影响着ZnO压敏电阻的微观结构和电学性能。本研究通过分析前期实验和同领域的相关数据，研究了掺杂粒子电负性对ZnO基避雷器产品响应速度的影响。

2 理论

图1是ZnO晶格结构模型及其晶格中的电子云分布模型。铬离子Cr3+和铋离子Bi3+等掺入ZnO晶格会改变晶格的电子云结构，进而影响电子向晶界的迁移运动，导致晶界势垒的改变。电负性表示原子吸附电子的能力，电负性越大，原子对电子的束缚能力越强。ZnO压敏电阻的非线性能力主要由晶界势垒决定，晶界对电子的吸附能力越强，则晶界势垒越高，非线性特性越好。

通过数据分析和曲线拟合，可以系统分析掺杂粒子电负性与ZnO压敏电阻响应速度之间的关系。分析前期实验数据中掺杂粒子的电负性和非线性系数以及相关领域的研究结果可以得出ZnO基避雷器非线性系数和掺杂粒子的电负性之间的分布规律。

根据固溶体的形成机理和能量最低原理，电负性与锌离子差别较大的粒子在烧结过程中总是倾向于向低能量状态运动，即向晶界偏析[6]。当电负性相对偏差在±0.4%之内，掺杂粒子可以固溶到ZnO晶格中形成固溶体，在±0.4%之外则主要向晶界处偏析，影响了ZnO压敏电阻的非线性特性。因此，掺杂粒子的电负性是决定ZnO基避雷器性能的重要因素。

图1 ZnO晶格结构模型及电子云分布模型Fig.1 Lattice structure model and electron cloud distribution model of ZnO

3 机理分析

掺杂粒子的种类和掺杂量对ZnO压敏电阻的非线性系数有重要影响，其中，粒子的种类起决定性作用。表1列举了不同掺杂粒子的电负性和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所示的关系曲线。

图2 ZnO基避雷器非线性系数和电负性相对偏差间的关系曲线Fig.2 Relation curve between nonlinear coefficient and electronegativity relative deviation of ZnO based arrester

表1 掺杂粒子电负性和ZnO基避雷器非线性系数的关系Tab.1 Relationship between electronegativity of doped particles and nonlinear coefficient of ZnO based arrester

研究表明，随着粒子电负性相对偏差增大，ZnO基避雷器的非线性系数呈现出先减小后增大的趋势，避雷器的响应速度也具有相同的变化趋势。理论表明，掺杂粒子电负性的相对偏差越大，在压敏电阻的烧结过程中，掺杂粒子越会向晶界偏析，在合适的掺杂浓度条件下会形成均匀分布的晶界层，因此会有较大的非线性系数。通过数据分析和曲线拟合，当掺杂粒子与锌离子电负性的相对偏差大于25%或小于5%时，ZnO基避雷器的非线性系数具有较大值，这可能是受到粒子半径的影响所致。

4 结论

①掺杂粒子对ZnO晶格的电子云分布有重要影响，电负性越强的掺杂粒子如果分布于晶界，则可以有效吸收ZnO晶粒中的电子，会产生较好的非线性特性。②当掺杂粒子与锌离子电负性的相对偏差大于25%或小于5%时，ZnO基避雷器的非线性系数具有较大值。