Учебно-методический комплекс по дисциплине «электротехнические материалы»

Полупроводниковые материалы сложного состава (полупроводниковые комплексы)
Полупроводниковые комплексы находят применение для изготовления термоэлементов, термогенераторов, холодильных устройств и т. д. К таким материалам относятся, например, тройные сплавы: Вi-Sb-Zn (висмут-сурьма-цинк), Bi-Te-Se (висмут-теллур-селен) и т. д.
К этой же группе относятся керамические полупроводники, которые нашли применение в качестве резисторов вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений. Вентильные разрядники [7] используются для защиты изоляции электрооборудования подстанций от волн, бегущих с линий. Основными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток и резистор с нелинейной вольтамперной характеристикой.
Основу нелинейного резистора вентильного разрядника составляет порошок из зёрен карборунда (SiC). В вентильных разрядниках нелинейные резисторы изготавливают из вилита и тервита.
Вольтамперная характеристика нелинейного резистора в логарифмических координатах хорошо аппроксимируется двумя отрезками прямых (рис.2). Для каждого отрезка действительна зависимость
lgU = lgA + α·lgI,
где А – постоянная, α – коэффициент нелинейности (α = tgF).
Чем меньше коэффициент α₂, тем шире диапазон токов, для которых на вентильном разряднике напряжение безопасно для изоляции.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика разрядника в логарифмических
координатах
Вилит получают из зёрен карборунда и эмульсии мела в жидком стекле путем обжига при температуре 380 ^оС. Коэффициенты нелинейности вилита α₁ = 0,28–0,30 и α₂ = 0,11–0,20.
Тервит получают из карборунда и эмульсии глинозёма в жидком стекле путём обжига при температуре 1 280–1 300 ^оС, при этом часть окиси кремния выгорает, что повышает пропускную способность по сравнению с вилитом (с 300 до 1 500 А), но уменьшается степень нелинейности (у тервита α₁ = 0,35–0,38 и α₂ = 0,15–0,25).
Разработанные в 70-е годы в СССР и за рубежом резисторы на основе окиси цинка (ZnO) обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Оксидно-цинковая керамика – это нелинейный материал, получаемый в результате высокотемпературного обжига (до 1 300 ^оС) смеси, состоящей из оксида цинка (ZnO) и некоторого количества оксида другого металла: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т. п. (масса самой весомой из добавок составляет менее 4 % массы оксида цинка). Коэффициент нелинейности оксидно-цинковой керамики составляет
α = 0,02–0,1 и зависит от сочетания добавок к оксиду цинка и от температуры обжига материала.
Такая высокая нелинейность обуславливает прохождение при рабочем напряжении через нелинейные резисторы тока порядка доли миллиампера, что позволило исключить искровой промежуток и подключить резистор ОПН непосредственно к сети.

Рис. 3. Влияние примесей на энергетическую диаграмму полупроводников: а-собственный полупроводник; б) полпроводник с донорной примесью, электропроводность электронная (n-типа); в-полупроводник с акцепторной примесью, электропроводность дырочная (p-типа)