ESTUDO DAS PROPRIEDADES ELETRICAS DOS VARISTORES DE ZNO NA REGIAO DE BAIXAS TENSOES APLICADAS
JORGE LUIZ DE FRANCO
CAMPINA GRANDE - Pb JUNHO - 1993
ESTUDOS DAS PROPRIEDADES ELETRICAS DOS VARISTORES DE ZNO NA REGIAO DE BAIXAS TENSOES APLICADAS
Dissertagao apresentada ao Curso de Me strado em Engenhari a El Africa da
Universidade Federal da Paraiba, em cumprimento i s exigSncias para obtengao do Grau de Mestre
AREA DE CONCENTRAQAO: PROCESSAMENTO DE ENERGIA
S.R. NAIDU O r i e n t a d o r
CAMPINA GRANDE - Pb JUNHO - 1993.
J 0 R 6 E L U I Z DE FRANCO
D I S S E R T A C A O APROVADA EM 1 5 . 0 6 . 1 9 9 3
C A M P I N A GRANDE - P B JUNHO - 1 9 9 3
A g r a d e c o a t o d o s a q u e l e s que de alguma forma c o l a b o r a r a m no s e n t i d o de p e r m i t i r o d e s e n v o l v i m e n t o e c o n c l u s a o d e s t e t r a b a l h o , em e s p e c i a l ao meu o r i e n t a d o r Dr. S.R. Naidu p e l o a p o i o t e c n i c o , o r i e n t a c a o e i n c e n t i v o a mim d e d i c a d o s , ao amigo e EngQ C l a u d i o M a g n a n i n i da L i n e M a t e r i a l do B r a s i l S.A. p e l a s indmeras s u g e s t o e s t e c n i c a s p r e s t a d a s d u r a n t e o d e s e n v o l v i m e n t o do t r a b a l h o . Ao CEPEL - C e n t r o de P e s q u i s a s de E n e r g i a E 1 6 t r i c a p e l o a p o i o t e c n i c o e a d m i n i s t r a t i v o i n d i s p e n s a v e l p a r a a r e a l i z a g a o d e s t e t r a b a l h o , em e s p e c i a l aos p e s q u i s a d o r e s Agenor O s 6 r i o de F r e i t a s Mundin, O r s i n o Borges de O l i v e i r a F i l h o e Fernando A n t d n i o Chagas e aos t e c n i c o s de L a b o r a t 6 r i o Jose C a r l o s da Rocha, J o n i r Rangel , Joao B a t i s t a Limas, Jose A n t d n i o P i n t o R o d r i g u e s , George 0. P. S i n i v i r t a , Ozeas Moreno Lima, M a r t a M. de C. O l i v i e r i e Mauro S a n t o s E s p o s i t o . Ao EngQ R e g i n a l d o F r e i r e de Santana da Chesf e aos p r o f e s s o r e s P a u l o de T a r s o L o u r e i r o G a r c i a de M e d e i r o s e Edson Guedes da C o s t a da UFPb, p e l o a p o i o d u r a n t e o d e s e n v o l v i m e n t o do t r a b a l h o . A M i r i a n de O l i v e i r a Barbosa e Lucimar G e r h a r d t , s e c r e t a r i a s do CEPEL, p e l a a j u d a na d a t i l o g r a f i a e i m p r e s s a o do t r a b a l h o . A A n g e l a de Lourdes R i b e i r o M a t i a s , s e c r e t a r i a da Coordenacao de P6s-Graduacao em E n g e n h a r i a E l e t r i c a da UFPb, p e l o a p o i o a d m i n i s t r a t i v e e, f i n a l m e n t e a Ana LOcia da Rocha C o n f o r t e , que c o m p a r t i l h o u comigo das a l e g r i a s e d i f i c u l d a d e s e n c o n t r a d a s , d u r a n t e os d o i s p r i m e i r o s anos de execugao d e s t e t r a b a l h o .
CA - Sfmbolo u t i l i z a d o p a r a r e p r e s e n t a r s i s t e m a s de t e n s a o a l t e r n a d a CC - Sfmbolo u t i l i z a d o p a r a r e p r e s e n t a r s i s t e m a s de t e n s a o c o n t i n u a AC - Sfmbolo u t i l i z a d o p a r a r e p r e s e n t a r s i s t e m a s de t e n s a o a l t e r n a d a , em ingl§s DC - Sfmbolo u t i l i z a d o p a r a r e p r e s e n t a r s i s t e m a s de t e n s a o c o n t i n u a , em ingl£s HVDC - S i s t e m a de t r a n s m i s s a o em A l t a Tensao p a r a c o r r e n t e c o n t f n u a HVAC - S i s t e m a de t r a n s m i s s a o em A l t a Tensao p a r a c o r r e n t e a l t ernada I rDC ~ c o r r e n t e r e s i s t i v a p a r a t e n s a o c o n t i n u a I rA C ~ componente r e s i s t i v a da c o r r e n t e p a r a t e n s a o a l t ernada I cA C ~ componente c a p a c i t i v a da c o r r e n t e p a r a t e n s a o a l t e r n a d a I t A Q - c o r r e n t e que c i r c u l a p e l o v a r i s t o r em t e n s a o a l t ernada
Tabela 2.1 - C a r a c t e r i s t i c a s da alguns dxidos u t i l i z a d o s na producao de v a r i s t o r e s de ZnO
Tabela 2.2 - E f e i t o da temperatura de s i n t e r i z a c a o sobre o tamanho medio dos graos e a capacitancia para v a r i s t o r e s de ZnO com una mesma composicao
Tabela 2.3 - I n f l u S n c i a dos elementos u t i l i z a d o s como a d i t i v o s na formacao dos v a r i s t o r e s
Tabela 2.4 - Fases ceramicas i d e n t i f i c a d a s em sistemas multicomponentes
Tabela 3.1 - Progresso na pesquisa sobre o mecanismo de conducao de corrente atraves dos v a r i s t o r e s de ZnO
Tabela 6.1 - Valores obtidos para Ns(E), Nd(E) e X(E) a temperatura aabiente
Tabela 6.2 - Valores obtidos para Ns(E), Nd(E) e X(E) a temperatura de 60«c
Tabela 6.3 - Valores obtidos para Ns(E), Nd(E) e X(E) a temperatura de 100*0
TABELA A2.1 - Valores medios e desvio-padrao das grandezas da corrente t o t a l , components r e s i s t i v a da corrente e potBncia, a temperatura ambiente obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CA
TABELA A2.2 - Valores medios e desvio-padrao das grandezas da corrente t o t a l , components r e s i s t i v a da corrente e potBncia, a temperatura de 60°C obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CA
TABELA A2.3 - Valores medios e desvio-padrao das grandezas da corrente t o t a l , componente r e s i s t i v a da corrente e potBncia, a temperatura de 100°C obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CA
TABELA A2.5 - Valores medios e desvio-padrao das grandezas c a p a c i t a n c i a e tangente de perdas, a temperatura de 60°C obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CA
TABELA A2.6 - Valores medios e desvio-padrao das grandezas c a p a c i t a n c i a e tangente de perdas, a temperatura de 100°C obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CA
TABELA A2.7 - Valores medios e desvio-padrao da grandeza corrente, a temperatura ambiente obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CC, em ambas as polaridades
TABELA A2.8 - Valores medios e desvio-padrao da grandeza corrente, a temperatura de 60°C obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CC, em ambas a s polaridades
TABELA A2.9 - Valores medios e desvio-padrao da grandeza corrente, a temperatura de 100°C obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CC, em ambas as polaridades
TABELA A2.10- Valores medios e desvio-padrao das grandezas c a p a c i t a n c i a , r e s i s t S n c i a e tangente de perdas a temperatura ambiente, obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CA de 1 Vef
TABELA A2.11- Valores medios e desvio-padrao das grandezas c a p a c i t a n c i a , r e s i s t S n c i a e tangente de perdas a temperatura de 60°C, obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CA de 1 Vef
TABELA A2.12- Valores medios e desvio-padrao das grandezas c a p a c i t a n c i a , r e s i s t S n c i a e tangente de perdas a temperatura de 100°C, obtidos a p a r t i r de ensaios sobre dez v a r i s t o r e s de ZnO, para tensao CA de 1 Vef
Figura 2.1 - Fluxograma do processo de fabricacao dos v a r i s t o r e s de ZnO
Figura 2.2 - Representacao esquematica de urn processo s i m p l i f i c a d o de producao de vari s t o r e s
Figura 2.3 - E f e i t o da temperatura de s i n t e r i z a c a o sobre o c o e f i c i e n t e de nao-1inearidade a
Figura 2.4 - E f e i t o da temperatura de s i n t e r i z a c a o sobre a s propriedades dos v a r i s t o r e s
Figura 2.5 - E f e i t o do tempo de s i n t e r i z a c a o sobre a s propriedades dos v a r i s t o r e s
Figura 2.6 - E f e i t o da concentracao do Bi203 ao ZnO sobre o c o e f i c i e n t e de nao-1inearidade
Figura 2.7 - E f e i t o da adicao do Co203 e do Mn02 sobre o sistema ZnO-Bi203 contendo 1 moIX de Bi203
Figura 2.8 - E f e i t o do Sb203 ao sistema Bi203-Co203-Mn02 numa re 1acao 2:2:1 sobre o c o e f i c i e n t e de nao-1inearidade e a tensao de r e f e r e n d a
Figura 2.9 - E f e i t o da quantidade total de a d i t i v o s sobre o c o e f i c i e n t e de nao-1inearidade a
Figura 2.10 - E f e i t o da concentracao de cada a d i t i v o sobre a tensao de r e f e r e n c i a
Figura 2.11 - E f e i t o da concentracao de cada a d i t i v o sobre a corrente CC na tensao continua de operacao
Figura 2.12 - E f e i t o da concentracao de cada a d i t i v o sobre a constante d i e l e t r i c a
Figura 2.15 - E f e i t o da concentracao de v a r i o s a d i t i v o s sobre a s propriedades e l e t r i c a s e d i e i e t r i c a s dos v a r i s t o r e s
Figura 2.16 - Representacao esquematica da microestrutura proposta por Matsuoka para os v a r i s t o r e s de ZnO
Figura 2.17 - Variacao das f a s e s ceramicas COM relacao a quantidade de a d i t i v o s no sistema (100-X)ZnO+X/6(Bi203+2 Sb203+Co203+MnO2+Cr203) ( X molar) Ts = 1350°C
Figura 2.18 - E f e i t o da temperatura de s i n t e r i z a c a o sobre a s f a s e s c r i s t a l i n a s formadas no sistema (100-X) Zn0+X/6 (Bi203+2 Sb203+Co203+Mn02+Cr203)
( X molar), para X menor ou igual a 30.
Figura 2.19 - Representacao esquematica das microestruturas dos v a r i s t o r e s (a) - sistema ZnO-Bi203
(b) - sistema Zn0-Pr6011
Figura 2.20 - Localizacao da fase r i c a em Bi203
(a) - formando uma camada intergranular continua (b) - apresentando uma espessura v a r i a v e l
Figura 2.21 - Esquema representative do modelo i d e a l i z a d o para representar a microestrutura dos v a r i s t o r e s formados a p a r t i r do Bi203
Figura 3.1 - C a r a c t e r i s t i c a "tensao x corrente" para os v a r i s t o r e s de ZnO
Figura 3.2 - C a r a c t e r i s t i c a "tensao x corrente" para os v a r i s t o r e s de ZnO na regiao de baixas tensoes aplicadas
Figura 3.3 - E f e i t o da temperatura sobre a corrente CC e a s componentes r e s i s t i v a e c a p a c i t i v a CA
Figura 3.5 - E f e i t o da tensao e da frequSncia sobre ( a ) a corrente t o t a l (b) e a potBncia
Figura 3.6 - E f e i t o da frequence a sobre (a) a corrente t o t a l
(b) e a potfincia, para d i f e r e n t e s n i v e i s de tensao a p l i c a d a
Figura 3.7 - Determinacao das constantes K e a em funcao da amplitude da corrente, para urn dado v a r i s t o r
Figura 3.8 - Variacao da tensao residual com o tempo de frente da corrente de impulso
Figura 3.9 - E f e i t o da temperatura sobre a tensao residual dos v a r i s t o r e s para a regiao de a l t a s correntes
Figura 3.10 - E f e i t o da frequenc-a sobre a constants d i e l e t r i c a e a tangente de perdas
Figura 3.11 - E f e i t o da frequSncia e da temperatura sobre r e s i s t i v i d a d e p a r a l e l a
Figura 4.1 - C i r c u i t o equivalente para o modelo proposto por Levinson & P h i l i p p
Figura 4.2 - C i r c u i t o equivalente para um v a r i s t o r de ZnO proposto por Levinson & P h i l i p p a p a r t i r dos estudos de e f e i t o da temperatura na resposta a frequSncia dos v a r i s t o r e s
Figura 4.3 - C i r c u i t o e l e t r i c o equivalente para v a r i s t o r e s de ZnO proposto por Matsuura & Yamaoki
Figura 4.4 - C i r c u i t o e l e t r i c o para os v a r i s t o r e s de ZnO proposto por Emtage et a l i i
Figura 4.6 - C i r c u i t o e l e t r i c o equivalente para a microestrutura dos v a r i s t o r e s de ZnO proposto por Einzinger
Figura 4.7 - C i r c u i t o equivalente proposto por Eda
Figura 4.8 - Desmembramento do c i r c u i t o equivalente proposto por Eda
Figura 4.9 - C i r c u i t o equivalente para os v a r i s t o r e s de ZnO
Figura 4.10 - a) Variacao das constantes d i e i e t r i c a s s e r i e e p a r a l e l a com a frequencia b) e variacao das r e s i s t i v i d a d e s s e r i e e p a r a l e l a com a frequencia
Figura 4.11 - C i r c u i t o e l e t r i c o equivalente proposto por Liang Yu-Jin e t a l i i para descrever o comportamento e l e t r i c o dos v a r i s t o r e s de ZnO
Figura 4.12 - a) Variacao da potencia em funcao da tensao aplicada
b) e variacao da potencia em funcao da temperatura para tensoes com d i f e r e n t e s formas de onda
Figura 4.13 - C i r c u i t o e l e t r i c o equivalente para v a r i s t o r e s de ZnO proposto por Zheng
Figura 4.14 - C i r c u i t o equivalente para o v a r i s t o r de ZnO proposto por Horiuchi e t a l i i
Figura 4.15 - C i r c u i t o equivalente proposto por Haddad e t a l i i
Figura 4.16 - Variacao das r e s i s t e n c i a s R(V), Rs(f,V) e Rp(f,V) com a tensao a p l i c a d a
Figura 5.1 - Esquema representative do c i r c u i t o de ensaio u t i l i z a d o para medicao das correntes e potencia em v a r i s t o r e s de ZnO, sob aplicacao de tensao alternada de frequencia i n d u s t r i a l
Figura 5.2 - E f e i t o da temperatura sobre a corrente t o t a l e a sua componente r e s i s t i v a sob aplicacao de tensao alternada de frequencia i n d u s t r i a l (valores medios)
Figura 5.4 - Esquema representative do c i r c u i t o de ensaio u t i l i z a d o para medicao da c a p a c i t a n c i a e da tangente de perdas nos v a r i s t o r e s de ZnO sob aplicacao de tensao alternada de frequencia i n d u s t r i a l
Figura 5.5 - E f e i t o da temperatura e da tensao aplicada sobre a c a p a c i t a n c i a sob a p l i c a c a o de tensao alternada de frequencia i n d u s t r i a l (valores medios)
Figura 5.6 - E f e i t o da temperatura e da tensao a p l i c a d a sobre a tangente de perdas dos v a r i s t o r e s de ZnO sob aplicacao de tensao alternada de frequencia i n d u s t r i a l ( v a l o r e s medios)
Figura 5.7 - Variacao da c a p a c i t a n c i a e da tangente de perdas com a tensao para a temperatura ambiente
Figura 5.8 - Variacao da c a p a c i t a n c i a e da tangente de perdas com a tensao para a temperatura de 60°C
Figura 5.9 - Variacao da c a p a c i t a n c i a e da tangente de perdas com a tensao para a temperatura de 100°C
Figura 5.10 - Esquema representative do c i r c u i t o de ensaio u t i l i z a d o para medicao da corrente em v a r i s t o r e s de ZnO, sob a p l i c a c a o de tensao continua
Figura 5.11 - E f e i t o da temperatura sobre a corrente sob a p l i c a c a o de tensao continua (valores medios)
Figura 5.12 - E f e i t o da temperatura sobre a potencia dos v a r i s t o r e s sob a p l i c a c a o de tensao continua ( v a l o r e s medios)
Figura 5.13 - Variacao da corrente com a temperatura sob aplicacao de tensao continue polaridade (+)
Figura 5.14 - Variacao da corrente com a temperatura sob a p l i c a c a o de tensao continua polaridade ( - )
Figura 5.16 - Variacao da components r e s i s t i v a da corrente t o t a l COM a temperature sob a p l i c a c a o de tensao alternada de frequencia i n d u s t r i a l
Figura 5.17 - V e r i f i c a c a o da i n f l u S n c i a do modelo termico na medicao da c a p a c i t a n c i a para temperaturas de 60 e 100°C
Figura 5.18 - E f e i t o da frequencia e da temperatura sobre a c a p a c i t a n c i a dos v a r i s t o r e s de ZnO ( v a l o r e s medios)
Figura 5.19 - E f e i t o da frequencia e da temperatura sobre a r e s i s t e n c i a dos v a r i s t o r e s de ZnO ( v a l o r e s medios)
Figura 5.20 - E f e i t o da frequencia e da temperatura sobre a tangente de perdas dos v a r i s t o r e s de ZnO ( v a l o r e s medios)
Figura 5.21 - Variacao da c a p a c i t a n c i a e tangente de perdas com a frequencia a temperatura ambiente
Figura 5.22 - variacao da r e s i s t e n c i a e tangente de perdas com a frequencia a temperatura ambiente
Figura 5.23 - Variacao da c a p a c i t a n c i a e tangente de perdas com a frequencia a temperatura de 60°C
Figura 5.24 - Variacao da r e s i s t e n c i a e tangente de perdas com a frequencia a temperatura de 60°C
Figura 5.25 - Variacao da c a p a c i t a n c i a e tangente de perdaB COM a frequencia a temperatura de 100°C
Figura 5.26 - Variacao da r e s i s t e n c i a e tangente de perdas com a frequencia a temperatura de 100°C
Figura 8.2 - E f e i t o do caMpo e l e t r i c o apiicado sobre a r e s i s t e n c i a CC, polaridade negative
Figura 6.3 - E f e i t o do campo e l e t r i c o apiicado sobre a a l t u r a da b a r r e l r a de potencial do v a r i s t o r de ZnO, polaridade p o s i t i v a
Figura 6.4 - E f e i t o do campo e l e t r i c o apiicado sobre a a l t u r a da b a r r e l r a de potencial do v a r i s t o r de ZnO, polaridade negative
Figura 6.5 - E f e i t o do campo e l e t r i c o apiicado sobre a a l t u r a das b a r r e i r a s de potencial
Figura 6.6 - E f e i t o do campo e l e t r i c o CC apiicado sobre a constants RQ, polaridade
p o s i t i v a
Figura 6.7 - E f e i t o do campo e l e t r i c o CC apiicado sobre a constants R0, polaridade
negative
Figura 6.8 - E f e i t o do campo e l e t r i c o sobre a a l t u r a da b a r r e i r a de potencial para s o l i c i t a c o e s de tensao alternada de frequencia i n d u s t r i a l
Figura 6.9 - E f e i t o do campo e l e t r i c o sobre a constants RQ para s o l i c i t a c d e e de
tensao alternada de frequencia i n d u s t r i a l
Figura 6.10 - Variacao da componente r e s i s t i v a da corrente CA e da corrente CC, em funcao da tensao a p l i c a d a para a temperatura ambiente.
Figura 6.11 - Variacao da componente r e s i s t i v a da corrente CA e da corrente CC, em funcao da tensao aplicada para a temperatura de 60°C
Figura 6.12 - Variacao da componente r e s i s t i v a da corrente CA e da corrente CC, em funcao da tensao a p l i c a d a para a temperatura de 100°C
Figura 6.14 - E f e i t o da tensao a p l i c a d a sobre as potencies CA e CC, polaridade p o s i t i v a , para d i f e r e n t e s temperatures (valores medios)
Figura 6.15 - E f e i t o da temperatura e da tensao aplicada sobre a potencia dissipada pelos v a r i s t o r e s de ZnO.
Figura 6.16 - E f e i t o da tensao por grao sobre o inverso do quadrado da c a p a c i t a n c i a por area por contorno de grao (Vg x 1/CA1)
Figura 6.17 - Comparacao dos valores obtidos para a c a p a c i t a n c i a em funcao da tensao aplicada uti1izando-se a ponte Schering e a equacao (6.14)
Figura 6.18 - Oependencia da densidade de portadores de carga com a tensao a p l i c a d a por grao.
Figura 6.19 - Oependencia da densidade de estados s u p e r f i c i a i s com a tensao a p l i c a d a por grao
Figura A1 - Obtencao da componente r e s i s t i v a da corrente para 2,40 kv_f
d i e i e t r i c a s de um d e t e r m i n a d o t i p o de v a r i s t o r de ZnO p a r a d i f e r e n t e s s o l i c i t a c o e s de t e n s a o a l t e r n a d a e c o n t i n u a . Para t a l , as c a r a c t e r i s t i cas e l e t r i c a s CA e CC e d i e i e t r i c a s a f r e q u e n c i a i n d u s t r i a l , f o r a m d e t e r m i n a d a s .
Com base nos r e s u l t a d o s o b t i d o s , v e r i f i c o u - s e a exist£ncia de uma d e p e n d S n c i a da a l t u r a e da l a r g u r a das b a r r e i r a s de p o t e n c i a l com o campo e l e t r i c o a p i i c a d o .
Deste e s t u d o , c o n s t a t o u - s e que o aumento v e r i f i c a d o p a r a a c o r r e n t e r e s i s t i v a CC ou p a r a a componente r e s i s t i v a da c o r r e n t e CA com o aumento do campo e l e t r i c o , est£ a s s o c i a d o a reducao da a l t u r a das b a r r e i r a s de p o t e n c i a l . Desta f o r m a , o c o n h e c i m e n t o d e s t a s d e p e n d S n c i a s nos p e r m i t e d e t e r m i n a r as c a r a c t e r i s t i c a s e l 6 t r i c a s e d i e i e t r i c a s do v a r i s t o r em c o n s i d e r a c a o p a r a t o d a a r e g i a o c o r r e s p o n d e n t e as b a i x a s t e n s o e s a p l i c a d a s , p e r m i t i n d o o e s t u d o de d i v e r s o s fendmenos a s s o c i a d o s a e s t e t i p o de v a r i s t o r , t a i s como a e s t a b i l i d a d e t e r m i c a e a d e g r a d a c a o . Os r e s u l t a d o s o b t i d o s dos e x p e r i m e n t o s a p r e s e n t a r a m c o n c o r d f i n c i a com os r e s u l t a d o s a p r e s e n t a d o s na l i t e r a t u r a e com a t e o r i a dos v a r i s t o r e s de ZnO. 0 e s t u d o da d e p e n d e n c i a das d e n s i d a d e s de p o r t a d o r e s de c a r g a e de e s t a d o s s u p e r f i c i a i s , r e s p o n s d v e i s p e l a v a r i a c a o da l a r g u r a e da a l t u r a das b a r r e i r a s de p o t e n c i a l , com o campo e l e t r i c o a p i i c a d o f o i r e a l i z a d o baseado no modelo p r o p o s t o p o r Hower & Gupta.
of z i n c o x i d e v a r i s t o r s f o r d i f f e r e n t a l t e r n a t e and c o n t i n u o u s v o l t a g e s t r e s s e s . To o b t a i n t h e s e p r o p e r t i e s , t h e e l e c t r i c AC and DC and d i e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e ZnO v a r i s t o r s were measured.
Based on t h e r e s u l t s o b t a i n e d , i t was seen t h a t t h e h e i g h t and w i d t h o f t h e p o t e n t i a l b a r r i e r s depends on t h e a p p l i e d e l e c t r i c f i e l d . T h i s s t u d y has a s c e r t a i n e d t h a t t h e i n c r e a s e v e r i f i e d i n t h e DC r e s i s t i v e l e a k a g e c u r r e n t o r i n t h e AC r e s i s t i v e component o f l e a k a g e c u r r e n t w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e e l e c t r i c f i e l d i s a s s o c i a t e d w i t h t h e d e c r e a s e o f t h e p o t e n t i a l b a r r i e r s h e i g h t . In t h i s way, w i t h t h e knowledge o f t h e s e d e p e n d e n c i e s i t i s p o s s i b l e t o d e t e r m i n e t h e e l e c t r i c and d i e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e v a r i s t o r under c o n s i d e r a t i o n , f o r a l l t h e r e g i o n s w h i c h c o r r e s p o n d s t o t h e low v o l t a g e a p p l i e d , a l l o w i n g t h e s t u d y o f s e v e r a l phenomena a s s o c i a t e d w i t h t h i s k i n d o f v a r i s t o r , such as t h e r m a l s t a b i l i t y and d e g r a d a t i o n . The r e s u l t s o b t a i n e d f r o m t h e e x p e r i m e n t s show good agreement w i t h t h e ones p r e s e n t e d i n t h e l i t e r a t u r e and w i t h ZnO v a r i s t o r t h e o r y .
The s t u d y o f t h e dependency o f t h e donor c a r r i e r d e n s i t y and s u r f a c e s t a t e d e n s i t y , w h i c h a r e r e s p o n s i b l e f o r t h e p o t e n t i a l b a r r i e r s w i d h t and h e i g h t , was made based on t h e model p r o p o s e d by Hower & Gupta.
PAGINA
1 INTRODUCAO -\
1.1 G e n e r a l i dades 1 1.2 P r o c e d i m e n t o s e o b j e t i v o s 4
1.3 A p r e s e n t a s a o do t r a b a l h o 5
2 PROPRIEDADES BASICAS DOS VARISTORES DE ZnO 7
2.1 Processo de f a b r i c a c a o dos v a r i s t o r e s de 9 ZnO 2.2 E f e i t o de v a r i a c o e s na e t a p a de 19 s i n t e r i z a c a o s o b r e as p r o p r i e d a d e s dos v a r i s t o r e s de ZnO 2.3 E f e i t o da combinagao e da c o n c e n t r a g a o 24 de a d i t i v o s s o b r e as p r o p r i e d a d e s dos v a r i s t o r e s de ZnO 2.4 M i c r o e s t r u t u r a dos v a r i s t o r e s de ZnO 40
3 CARACTERISTICAS ELETRICAS E PIELETRICAS DOS 51 VARISTORES DE ZnO
3.1 Mecanismo de conducao dos v a r i s t o r e s 51 3.2 C a r a c t e r i s t i c a " t e n s a o x c o r r e n t e " dos 55 v a r i s t o r e s 3.2.1 Regiao de b a i x a s t e n s o e s a p l i c a d a s medida 56 sob a p l i c a c a o de t e n s o e s a l t e r n a d a s e c o n t i n u a s 3.2.2 Regiao a l t a m e n t e n a o - l i n e a r de t e n s o e s 69 i n t e r m e d i a r i a s medida p o r i m p u l s o s de c o r r e n t e r e p r e s e n t a n d o s u r t o s a t m o s f e r i c o s e de manobra
ZnO 3.4 E s t a b i l i d a d e t e r m i c a e d e g r a d a g a o 81 4 OS M0DEL0S PROPOSTOS 86 4.1 Modelo p r o p o s t o p o r L e v i n s o n e P h i l i p p 86 4.2 Modelo p r o p o s t o p o r M a t s u u r a e Yamaoki 91 4.3 Modelo p r o p o s t o p o r Emtage 92 4.4 Modelo p r o p o s t o p o r K n e t c h e B u r g e r 94 4.5 Modelo p r o p o s t o p o r E i n z i n g e r 97 4.6 Modelo p r o p o s t o p o r Eda 98 4.7 Modelo a p r e s e n t a d o p o r Mc Graw-Edison 102 Company 4.8 Modelo p r o p o s t o p o r L i a n g Y u - J i n , Z h a o Y u - J i 106 e Zheng Hong-Yan 4.9 Modelo p r o p o s t o p o r Zheng 108 4.10 Modelo p r o p o s t o p o r H o r i u c h i , I c h i k a w a , 112 M i z u k o s h i , K u r i t a e S h i r a k a w a 4.11 Modelo p r o p o s t o p o r Haddad, F u e n t e s , 114 German e Waters 5 ESTUDO EXPERIMENTAL 118 5.1 Corpos de p r o v a 119 5.2 E s t u d o do c o m p o r t a m e n t o da c a r a c t e r i s t i c a 119 " t e n s a o x c o r r e n t e " e das p r o p r i e d a d e s d i e i e t r i c a s dos v a r i s t o r e s de ZnO na r e g i a o de b a i x a s t e n s o e s a p l i c a d a s 5.2.1 Medigao da c o r r e n t e t o t a l , de suas 121 componentes r e s i s t i v a e c a p a c i t i v a e da p o t e n c i a , sob a p l i c a c a o de t e n s o e s a l t e r n a d a s de frequ§ncia i n d u s t r i a l
5.2.3 Medigao da c o r r e n t e e p o t e n c i a dos 130 v a r i s t o r e s de ZnO sob a p l i c a g a o de t e n s o e s c o n t i n u a s , p o l a r i d a d e s p o s i t i v a e negat i v a 5.3 E s t u d o do e f e i t o da t e m p e r a t u r a s o b r e a 133 c o r r e n t e nos v a r i s t o r e s de ZnO 5.3.1 E s t u d o do e f e i t o da t e m p e r a t u r a s o b r e a 134 c o r r e n t e p a r a s o l i c i t a g o e s de t e n s a o cont i n u a 5.3.2 E s t u d o do e f e i t o da t e m p e r a t u r a s o b r e a 136 c o r r e n t e p a r a s o l i c i t a g o e s de t e n s a o a l t e r n a d a de frequ§ncia i n d u s t r i a l 5.4 E f e i t o da f r e q u e n c i a e t e m p e r a t u r a s o b r e a 139 c a p a c i t a n c i a , c o n d u t a n c i a e t a n g e n t e de
perdas dos v a r i s t o r e s de ZnO
6. ANALISE DOS RESULTADOS 148
6.1 A n d l i s e das p r o p r i e d a d e s dos v a r i s t o r e s 148 de ZnO quando da a p l i c a g a o de t e n s a o c o n t i n u a 6.2 A n d l i s e das p r o p r i e d a d e s dos v a r i s t o r e s 156 de ZnO quando da a p l i c a g a o de t e n s a o a l t e r n a d a 6.3 D e t e r m i n a g a o das d e n s i d a d e s de p o r t a d o r e s 169 de c a r g a Nd e de e s t a d o s s u p e r f i c i a i s N8 a p a r t i r dos r e s u l t a d o s e x p e r i m e n t a i s 7. C0NCLUS5ES 176 ANEXO A - T e c n i c a u t i l i z a d a p a r a o b t e n g a o da 179 componente r e s i s t i v a da c o r r e n t e em v a r i s t o r e s de ZnO
CAP1TUL0 1 - INTRODUQAO
1.1 G e n e r a l i dades
Elementos c e r a r n i c o s p r o d u z i d o s p e l a combinacao do ZnO com v & r i o s o u t r o s 6 x i d o s a d i t i v o s , a p r e s e n t a n d o p r o p r i e d a d e s r e s i s t i v a s a l t a m e n t e n a o - 1 i n e a r e s , sao c o n h e c i d o s como v a r i s t o r e s de 6 x i d o s m e t & l i c o s . A p a l a v r a v a r i s t o r e d e r i v a d a do termo " v a r i a b l e r e s i s t o r " E x i s t e m a t u a l m e n t e d o i s t i p o s de v a r i s t o r e s sendo p r o d u z i d o s em e s c a l a i n d u s t r i a l : os v a r i s t o r e s de 6 x i d o de z i n c o (ZnO) e os v a r i s t o r e s de C a r b e t o de S i l i c i o ( S i C ) . Esses t i p o s de v a r i s t o r e s a p r e s e n t a m c a r a c t e r i s t i c a s de n a o
1 i n e a r i d a d e e s s e n c i a i s p a r a urn bom desempenho dos p a r a -r a i o s , os q u a i s c o n s i s t e m , d e n t -r e os d i s p o s i t i v o s u t i l i z a d o s p a r a l i m i t a r a a m p l i t u d e das s o b r e t e n s o e s que o c o r r e m nos s i s t e m a s e l 6 t r i c o s e r e d u z i r os e f e i t o s d e s t a s s o b r e t e n s o e s s o b r e os e q u i p a m e n t o s i n s t a l a d o s , como os mais e f i c a z e s . Os p & r a - r a i o s tSm como p r i n c i p i o de f u n c i o n a m e n t o a l i m i t a g a o das s o b r e t e n s o e s nos t e r m i n a i s dos e q u i p a m e n t o s p o r e l e p r o t e g i d o s em n i v e i s t a i s que ap6s a ocorr§ncia das s o b r e t e n s o e s o i s o l a m e n t o d e s t e s e q u i p a m e n t o s nao f i q u e m com suas c a r a c t e r i s t i c a s s i g n i f i c a t i v a m e n t e a f e t a d a s .
Em decadas a n t e r i o r e s , os p a > a - r a i o s eram na sua t o t a l i d a d e do t i p o C a r b e t o de S i l i c i o ( S i C ) , c o n s t i t u i d o s b a s i c a m e n t e p e l o s v a r i s t o r e s de SiC em s e r i e com urn c o n j u n t o de c e n t e l h a d o r e s . No e n t a n t o , d e v i d o a i m p o s s i b i 1 i d a d e de se o b t e r urn aumento s u b s t a n c i a l nas suas p r o p r i e d a d e s n a o -l i n e a r e s , a e v o -l u g a o t e c n o -l 6 g i c a d e s t e t i p o de v a r i s t o r p r a t i c a m e n t e a t i n g i u o seu l i m i t e . Na chamada r e g i a o de conducao dos v a r i s t o r e s de SiC, a c o r r e n t e e p r o p o r c i o n a l a q u i n t a p o t e n c i a da t e n s a o a p l i c a d a . Desta forma, na r e g i a o de o p e r a c a o dos p a r a - r a i o s em regime permanente, a c o r r e n t e que c i r c u l a r i a p e l o s v a r i s t o r e s , se e s t e s e s t i v e s s e m com a
t e n s a o d i r e t a m e n t e a p l i c a d a s e r i a m u i t o e l e v a d a , da ordem de dezenas a c e n t e n a s de Amperes. E s t e c o m p o r t a m e n t o f a z com que cent e l h a d o r e s tenham que s e r i n s t a l a d o s em s 6 r i e com e s t e s v a r i s t o r e s p a r a " i s o l a r " os v a r i s t o r e s do s i s t e m a sob c o n d i c o e s n o r m a i s de o p e r a g a o . Quando da u t i l i z a g a o d e s t e s e q u i p a m e n t o s em s i s t e m a s de a l t a t e n s a o , a t e n c a o e s p e c i a l e dada p e l o s f a b r i c a n t e s ao p r o j e t o e a montagem dos c e n t e l h a d o r e s , os q u a i s sao e l e m e n t o s f u n d a m e n t a i s p a r a a d e f i n i c a o dos n i v e i s de p r o t e g S o e de o p e r a g i o dos p d r a
-r a i o s .
E s t a t e c n o l o g i a de v a r i s t o r e s p e r d u r o u sem c o n c o r r S n c i a a t e o f i n a l da decada de 60, quando urn novo t i p o de d i s p o s i t i v o u t i l i z a d o p a r a a p r o t e c a o c o n t r a s o b r e t e n s o e s f o i d e s e n v o l v i d o p e l a M a t s u s h i t a E l e c t r i c a l Co. L t d ( 1 ) . E s t e d i s p o s i t i v o , formado p o r v a r i s t o r e s cerarnicos a base de 6 x i d o de z i n c o (ZnO) e pequenas q u a n t i d a d e s de o u t r o s 6 x i d o s , a p r e s e n t o u urn a l t o g r a u de nao 1 i n e a r i d a d e na sua c a r a c t e r i s t i c a "tensSo x c o r r e n t e " , p r o p o r c i o n a n d o b a i x o s v a l o r e s de c o r r e n t e na r e g i a o de o p e r a c a o , a s s o c i a d o a uma boa e s t a b i l i d a d e quando
c o n t i n u a m e n t e s o l i c i t a d o s p e l a t e n s a o normal de operacSo. Esses v a r i s t o r e s f o r a m p r o d u z i d o s em e s c a l a c o m e r c i a l a p a r t i r de 1968, sendo i n i c i a l m e n t e d e s t i n a d o s a p r o t e g a o de c i r c u i t o s e l e t r 6 n i c o s , c a r a c t e r i z a d o s p o r b a i x o s v a l o r e s de t e n s a o e de e n e r g i a . A p a r t i r d e s t e d e s e n v o l v i m e n t o , d i v e r s a s empresas sob a l i c e n g a da M a t s u s h i t a , i n i c i a r a m e s t u d o s v i s a n d o o d e s e n v o l v i m e n t o de v a r i s t o r e s que pudessem ser u t i l i z a d o s em s i s t e m a s e l e t r i c o s de p o t e n c i a . Os p r i m e i r o s p a r a - r a i o s de ZnO d e s e n v o l v i d o s p a r a s i s t e m a s de p o t S n c i a f o r a m l a n c a d o s no mercado no f i n a l da decada de 70 ( 2 , 3 ) . E s t e s eram formados apenas p o r urn c o n j u n t o de v a r i s t o r e s de ZnO em s e r i e . Na decada de 80 d i v e r s a s empresas d e s e n v o l v e r a m e p r o d u z i r a m p d r a - r a i o s de ZnO p a r a e s t a a p l i c a g a o ( 4 - 1 1 ) .
Desde e n t a o , e s t e t i p o de p a r a - r a i o s tern s i d o l a r g a m e n t e u t i l i z a d o em d i v e r s o s p a i s e s ( 9 , 1 2 , 1 3 ) , t a n t o em novos s i s t e m a s q u a n t o na s u b s t i t u i c a o dos p a > a - r a i o s c o n v e n c i o n a i s ( p a r a - r a i o s de S i C ) . No Japao, p o r exemplo, desde 1983 t o d o s os p d r a - r a i o s c o n v e n c i o n a i s foram s u b s t i t u i d o s p e l o s de 6 x i d o de z i n c o . As v a n t a g e n s da u t i l i z a g a o d e s t e t i p o de p a r a r a i o s , em r e l a g a o aos p d r a -r a i o s c o n v e n c i o n a s de SiC t§m s i d o a p -r e s e n t a d a s em d i v e -r s a s p u b l i c a g O e s . Alem das s u b e s t a g o e s c o n v e n c i o n a i s p a r a s i s t e m a s CA, e s t e s p d r a - r a i o s quando i n s t a l a d o s em s i s t e m a s HVDC ou em s u b e s t a g o e s i s o l a d a s a gds ( S F6) , tern t r a z i d o b e n e f i c i o s s u b s t a n c i a i s na p r o t e g a o d e s t e s s i s t e m a s . A u t i l i z a g a o de p d r a - r a i o s sem c e n t e l h a d o r e s em estagQes c o n v e r s o r a s HVDC tern p r o p o r c i o n a d o uma redugao de aproximadamente 15% do t o t a l de t i r i s t o r e s que compQem as v d l v u l a s ( 1 4 ) . Da mesma forma, e s t e d i s p o s i t i v o quando u t i l i z a d o p a r a a p r o t e g a o de bancos de c a p a c i t o r e s s e r i e tern se t o r n a d o b a s t a n t e e f i c a z . Desde o d e s e n v o l v i m e n t o dos p r i m e i r o s p d r a - r a i o s p a r a a p l i c a g a o em s i s t e m a s de p o t f i n c i a , d i v e r s a s p e s q u i s a s t§m s i d o r e a l i z a d a s p e l o s f a b r i c a n t e s no s e n t i d o de e s t u d a r o e f e i t o de novos a d i t i v o s s o b r e as p r o p r i e d a d e s f i s i c a s e e l e t r i c a s dos v a r i s t o r e s ( 6 , 8 , 1 0 , 1 1 , 1 5 - 1 7 ) , o t i m i z a r o s p r o c e s s o s de f a b r i c a g a o ( 8 , 9 , 1 8 ) , bem como m e l h o r a r as p r o p r i e d a d e s dos 6 x i d o s u t i l i z a d o s . 0 o b j e t i v o e sempre o de p r o c u r a r m e l h o r a r o desempenho dos v a r i s t o r e s no que se r e f e r e as suas p r o p r i e d a d e s n a o - 1 i n e a r e s , a c a p a c i d a d e de a b s o r c a o de e n e r g i a e a e s t a b i l i d a d e e degradagao d e v i d o a operagao c o n t i n u a nos s i s t e m a s , sob c o n d i g o e s de regimes permanente e t r a n s i t 6 r i o s .
Os v a r i s t o r e s a base de 6 x i d o de z i n c o sSo h o j e em d i a m u n d i a l m e n t e u t i l i z a d o s , com urn v a s t o campo de a p l i c a g a o
que v a i desde a p r o t e g a o de c i r c u i t o s e l e t r d n i c o s a t e a a p l i c a g a o em s i s t e m a s de e x t r a a l t a t e n s a o . 1.2 P r o c e d i m e n t o s e o b j e t i v o s Os v a r i s t o r e s a base de 6 x i d o de z i n c o , c o n s i s t e m em urn m a t e r i a l p o l i c r i s t a l i n o c e r f i m i c o denso, c o n s t i t u i d o s b a s i c a m e n t e p e l o e l e m e n t o 6 x i d o de z i n c o com pequenas q u a n t i d a d e s de o u t r o s 6 x i d o s a d i c i o n a d o s a e s t e , t a i s como os 6 x i d o s de B i s m u t o ( B i203) , A n t i m d n i o ( S b203) , C o b a l t o ( C o203) , Manganes ( M n 02) , Cromo ( C r203) , N i q u e l ( N i O ) , A l u m i n i o ( A 1203) , S i l i c i o ( S i 02) , G a l i o ( G a203) , L i t i o ( L i203) , P r a s e o d i n i u m ( P r g O ^ ) , e n t r e o u t r o s . A r e l a g S o e n t r e a t e n s a o e a c o r r e n t e p a r a os v a r i s t o r e s cerarnicos que compoem os p a r a - r a i o s pode s e r dada aproximadamente p o r : V = K . I1 / a ( 1 . 1 ) , onde V e a t e n s a o a p l i c a d a s o b r e os v a r i s t o r e s , l e a c o r r e n t e que c i r c u l a p e l o s v a r i s t o r e s , K e uma c o n s t a n t e c a r a c t e r i s t i c a do v a r i s t o r e a c o r r e s p o n d e ao c o e f i c i e n t e de n a o - 1 i n e a r i d a d e , d e f i n i d o p o r : d l / I d ( l o g l ) l o g I2 - l o g l , dV/V d ( l o g V ) l o g V2 - logV, D e v i d o a a l t a n a o - 1 i n e a r i d a d e nas suas c a r a c t e r i s t i c a s " t e n s a o x c o r r e n t e " , e s t e s v a r i s t o r e s podem s e r d i r e t a m e n t e i n s t a l a d o s nos s i s t e m a s e l e t r i c o s sem a n e c e s s i d a d e de u t i l i z a g a o dos c e n t e l h a d o r e s l i m i t a d o r e s de c o r r e n t e . D e s t a f o r m a , os p a r a - r a i o s de ZnO al6m de a t u a r e m em condigOes t r a n s i t 6 r i a s , e s t a r a o c o n t i n u a m e n t e s u b m e t i d o s
a t e n s a o de o p e r a g a o do s i s t e m a . P o r t a n t o , p a r a urn desempenho a c e i t a v e l d e s t e e q u i p a m e n t o , t o r n a - s e n e c e s s a r i o e s t u d a r e e n t e n d e r as p r o p r i e d a d e s e l e t r i c a s dos v a r i s t o r e s na r e g i a o de o p e r a c a o do s i s t e m a , a c a p a c i d a d e d e s t e s v a r i s t o r e s d i s s i p a r e m as e n e r g i a s a s s o c i a d a s aos s u r t o s bem como a e s t a b i 1 i d a d e t e r m i c a e a degradagao d e v i d o a a p l i c a g a o permanente de t e n s a o , c o n j u g a d a com as p o s s i v e i s s o l i c i t a g o e s dos s i s t e m a s . A p o s s i b i 1 i d a d e de p r e v i s a o do tempo de v i d a p a r a esses p a > a - r a i o s , a p a r t i r do conhecimento p r e v i o das suas p r o p r i e d a d e s e c a r a c t e r i s t i c a s p r i n c i p a i s tambem t£m s i d o e x a u s t i v a m e n t e e s t u d a d a .
Este t r a b a l h o propoe e s t u d a r as p r o p r i e d a d e s e l e t r i c a s e d i e i e t r i c a s dos v a r i s t o r e s de 6 x i d o de z i n c o
(ZnO), na r e g i a o que v a i desde b a i x a s t e n s o e s a p l i c a d a s a t e a t e n s a o de r e f e r e n c i a d e s t e s v a r i s t o r e s .
1.3 A p r e s e n t a g a o do t r a b a l h o
I n i c i a l m e n t e sao a p r e s e n t a d a s no c a p i t u l o 2 i n f o r m a g o e s s o b r e as p r o p r i e d a d e s b a s i c a s que i n f l u e n c i a m no desempenho dos v a r i s t o r e s de ZnO, t a i s como o p r o c e s s o de f a b r i c a g a o , o e f e i t o da t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o , e f e i t o dos a d i t i v o s u t i l i z a d o s e de seu c o n t e u d o e a formagao da m i c r o e s t r u t u r a . No c a p i t u l o 3, e a p r e s e n t a d a uma b r e v e r e v i s f i o l i t e r a r i a dos d i v e r s o s mecanismos p r o p o s t o s p a r a e x p l i c a r a condugao de c o r r e n t e a t r a v e s dos v a r i s t o r e s e urn e s t u d o s o b r e as suas p r o p r i e d a d e s e l e t r i c a s , p o r meio da c a r a c t e r i s t i c a " t e n s a o x c o r r e n t e " , e d i e i e t r i c a s . No c a p i t u l o 4, sSo d e s c r i t o s e comentados os d i v e r s o s c i r c u i t o s e l e t r i c o s e q u i v a l e n t e s p r o p o s t o s p a r a r e p r e s e n t a r as p r o p r i e d a d e s dos v a r i s t o r e s . Os r e s u l t a d o s e x p e r i m e n t a i s dos e n s a i o s r e a l i z a d o s d u r a n t e o d e s e n v o l v i m e n t o d e s t e t r a b a l h o , e n c o n t r a m - s e no c a p i t u l o 5, enquanto que a a n d l i s e e d i s c u s s a o dos r e s u l t a d o s o b t i d o s , bem como uma a v a l i a g a o d e s t e s r e s u l t a d o s , comparados com
t r a b a l h o s p r e v i o s sao a p r e s e n t a d o s no c a p i t u l o 6. No c a p i t u l o 7, sao d e s c r i t a s as c o n c l u s o e s r e l a t i v a s ao t r a b a l h o a p r e s e n t a d o . Por f i m , sao a p r e s e n t a d o s os anexos A e B. 0 anexo A, d e s c r e v e as p r o p r i e d a d e s do c i r c u i t o u t i l i z a d o p a r a a o b t e n ? 5 o da componente r e s i s t i v a da c o r r e n t e , enquanto que no anexo B, sao a p r e s e n t a d a s d i v e r s a s t a b e l a s com os v a l o r e s medios e d e s v i o - p a d r a o das grandezas medi das.
CAPITULO 2 - PROPRIEDADES BASICAS DOS VARISTORES DE ZnO
Os v a r i s t o r e s de 6 x i d o de z i n c o , e l e m e n t o s p r i n c i p a i s na c o n s t r u g a o dos p a r a - r a i o s de ZnO, c o n s i s t e m em urn c o r p o de m a t e r i a l p o l i c r i s t a l i n o c e r a m i c o denso, e sao c o n s t i t u i d o s b a s i c a m e n t e p e l o 6 x i d o de z i n c o (ZnO), com a l t o g r a u de p u r e z a , que p a r t i c i p a com 80 a 95% do peso t o t a l , e pequenas q u a n t i d a d e s de o u t r o s 6 x i d o s a d i c i o n a d o s ao ZnO. Esses componentes, quando adequadamente m i s t u r a d o s fornecem, ap6s urn p r o c e s s o chamado de s i n t e r i z a c a o , uma m i c r o e s t r u t u r a complexa composta p o r g r 5 o s c o n d u t o r e s de ZnO com b a i x a r e s i s t i v i d a d e e s p e c i f i c a , p o r p a r t f c u l a s do t i p o e s p i n e l i o ( p a r a v a r i s t o r e s formados a p a r t i r do B i203) e p o r f i n a s b a r r e i r a s formadas e n t r e os grSos. O e l e m e n t o r e s u l t a n t e e urn v a r i s t o r com a l t o g r a u de n a o - 1 i n e a r i d a d e na sua c a r a c t e r i s t i c a " t e n s a o x c o r r e n t e " . A c a r a c t e r i s t i c a " t e n s a o x c o r r e n t e " dos v a r i s t o r e s de ZnO pode s e r d i v i d i d a b a s i c a m e n t e em t r e s r e g i o e s : I - r e g i a o de b a i x a s t e n s o e s a p l i c a d a s c a r a c t e r i z a d a p e l a s b a i x a s d e n s i d a d e s de c o r r e n t e ; I I - r e g i a o de a c e n t u a d a n a o - 1 i n e a r i d a d e ; I I I - r e g i a o de c o r r e n t e s e l e v a d a s . Para a r e g i a o de b a i x a s c o r r e n t e s , os v a r i s t o r e s sao a l t a m e n t e r e s i s t i v o s e d e p e n d e n t e s da t e m p e r a t u r a , com uma r e s i s t i v i d a d e e s p e c i f i c a em t o r n o de 1 0 1 0 8.cm. £ n e s t a r e g i a o que os p a r a - r a i o s de 6 x i d o de z i n c o operam em c o n d i g o e s de regime permanente.
Uma conducao s i g n i f i c a t i v a de c o r r e n t e nao o c o r r e a t e que a t e n s a o a p l i c a d a nos v a r i s t o r e s a t i n j a urn v a l o r c r f t i c o . E s t a t e n s a o , denominada de t e n s a o de r e f e r e n c i a , c o r r e s p o n d e a uma d e n s i d a d e de c o r r e n t e e s p e c i f i c a d a p o r cada f a b r i c a n t e , acima da q u a l os v a r i s t o r e s passam a a p r e s e n t a r urn comportamento a l t a m e n t e n a o - 1 i n e a r . Este n f v e l de t e n s a o marca o i n i c i o da segunda r e g i a o , de n 3 o
-1 i n e a r i d a d e a c e n t u a d a , onde uma pequena v a r i a g a o de t e n s a o a c a r r e t a em uma g r a n d e v a r i a c a o de c o r r e n t e ( c o e f i c i e n t e de n a o - 1 i n e a r i d a d e t i p i c a m e n t e e n t r e 20 e 5 0 ) . N e s t a r e g i a o o s p a r a - r a i o s de ZnO sao e f e t i v a m e n t e u t i l i z a d o s na p r o t e c a o dos s i s t e m a s HVAC e HVDC c o n t r a os e f e i t o s t r a n s i t 6 r i o s causados p o r s u r t o s a t m o s f e r i c o s e de manobra. A t e r c e i r a r e g i a o , das a l t a s c o r r e n t e s , a p r e s e n t a urn comportamento aproximadamente l i n e a r , sendo fungao b a s i c a m e n t e , do tamanho e q u a n t i d a d e de g r 3 o s e x i s t e n t e s nos v a r i s t o r e s de ZnO. E x i s t e d i s p o n i v e l uma v a s t a l i t e r a t u r a r e f e r e n t e aos e s t u d o s de f o r m a c a o da m i c r o e s t r u t u r a dos v a r i s t o r e s de ZnO r e s p o n s a v e l p e l a s suas p r o p r i e d a d e s e l e t r i c a s e d i e i e t r i c a s , aos e f e i t o s da c o n c e n t r a c a o dos v a r i o s a d i t i v o s u t i l i z a d o s e da t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a c a o s o b r e o desempenho dos v a r i s t o r e s . Da mesma f o r m a , as t e c n i c a s de
f a b r i c a c a o d e s t e t i p o de v a r i s t o r t§m s i d o e x a u s t i v a m e n t e e s t u d a d a s v i s a n d o a o t i m i z a c a o do p r o c e s s o , com c o n s e q u e n t e m e l h o r i a da desempenho dos v a r i s t o r e s a c u s t o s r e d u z i d o s .
A s e g u i r , f a z - s e uma d e s c r i c a o d e s t a s p r o p r i e d a d e s , r e s p o n s d v e i s p e l a formagao e desempenho d e s t e s v a r i s t o r e s .
2.1 P r o c e s s o de f a b r i c a g a o dos v a r i s t o r e s de ZnO Os v a r i s t o r e s de ZnO sao p r o d u z i d o s em e s c a l a i n d u s t r i a l p e l o p r o c e s s o c o n v e n c i o n a l de f a b r i c a c a o de cerami cas. 0 p r i n c i p a l componente u t i l i z a d o p a r a a produgao de v a r i s t o r e s de ZnO e o 6 x i d o de z i n c o com a l t o g r a u de p u r e z a . Em a d i g a o ao 6 x i d o de z i n c o (ZnO), pequenas q u a n t i d a d e s de o u t r o s 6 x i d o s a d i t i v o s , t a i s como os 6 x i d o s de B i s m u t o , C o b a l t o , Cromo, A n t i m d n i o , Manganes, N i q u e l , A l u m i n i o , S i l i c i o , G a l i o , L i t i o , P r a s e o d i n i u r n , e n t r e o u t r o s , tern s i d o i n t r o d u z i d o s nas composicoes dos v a r i s t o r e s .
V a r i s t o r e s p r o d u z i d o s em e s c a l a i n d u s t r i a l apresentam uma p r o p o r g a o de c o n c e n t r a g a o t o t a l de a d i t i v o s na f a i x a de aproximadamente 10% da c o n c e n t r a g a o t o t a l , sendo que a c o n c e n t r a g a o de cada a d i t i v o v a r i a na f a i x a de c e n t e n a s de ppm a % mol.
V a r i a s p e s q u i s a s t§m s i d o r e a l i z a d a s p a r a a v a l i a r o comportamento de cada a g e n t e no p r o c e s s o ( 1 , 6 , 1 0 , 1 1 ) . Sabe-se a t u a l m e n t e que cada urn desSabe-ses 6 x i d o s tern uma p r o p r i e d a d e i m p o r t a n t e d e n t r o do p r o c e s s o de f a b r i c a g a o dos v a r i s t o r e s de ZnO.
As c a r a c t e r i s t i c a s dos v a r i s t o r e s dependem em m u i t o do p r o c e s s o de f a b r i c a g a o . A p u r e z a , c o n c e n t r a g a o dos dopantes e a homogenei dade da m i s t u r a sao de i m p o r t a n c i a f u n d a m e n t a l p a r a a q u a l i d a d e do p r o d u t o f i n a l .
Urn f l u x o g r a m a do p r o c e s s o de produgao de v a r i s t o r e s de ZnO e uma r e p r e s e n t a g a o e s q u e m a t i c a s i m p l i f i c a d a de urn p r o c e s s o de f a b r i c a g a o ( 1 9 , 2 0 ) sao a p r e s e n t a d o s nas F i g u r a s 2.1 e 2.2, r e s p e c t i v a m e n t e .
E s t e p r o c e s s o de produgao pode s e r d i v i d i d o b a s i c a m e n t e em s e i s e s t d g i o s , cada e s t d g i o a p r e s e n t a n d o uma ou mais e t a p a s : - Preparagao da m i s t u r a do p6; - Secagem da m i s t u r a ; - Prensagem dos b l o c o s ; - S i n t e r i z a g a o dos b l o c o s ; - A p l i c a g a o da camada i s o l a n t e s o b r e a s u p e r f i c i e c i l i n d r i c a e m e t a l i z a g a o das s u p e r f i c i e s p l a n a s ( a c a b a m e n t o ) ; - E n s a i o s e l e t r i c o s e c l a s s i f i c a g a o . PO DE ZnO
AGLUTIN ANTE OROAMCO
TEMPO REACOES QUIMCAS MISTURA MOAGEM ATOMIZACIo PRENSAGEM DOS DISCOS SINTERIZACAO OENSIFICACAO FORMACAO DA MICROESTRUTURA ACABAMENTO ENSAIOS ELETRICOS OXIDOS ADITIVOS ABUA TEMPERATURA
CRESCIMI •NTO DOS ORi tos
Fi g u r a 2.1 Fluxograma do p r o c e s s o de f a b r i c a g a o dos v a -r i s t o -r e s de ZnO
3 - Prensagem dos b l o c o s 4 - P r o c e s s o de s i n t e r i z a g a o dos b l o c o s 5 - A p l i c a g a o da camada i s o l a n t e s o b r e a s u p e r f i c i e c i l i n d r i c a e m e t a l i z a g a o das s u p e r f i c i e s p l a n a s ( a c a b a m e n t o ) 6 - E n s a i o s e l e t r i c o s e c l a s s i f i c a g a o 7 - V a r i s t o r e s p r o n t o s p a r a a montagem F i g u r a 2.2 - R e p r e s e n t a g a o e s q u e m a t i c a de urn p r o c e s s o s i m p l i f i c a d o de produgao de v a r i s t o r e s ( 2 0 )
- P r e p a r a g a o da m i s t u r a do p6 e secagem
Urn dos p o n t o s c r i t i c o s do p r o c e s s o de f a b r i c a g a o dos v a r i s t o r e s e a o b t e n g a o de uma m i s t u r a adequada de
i n g r e d i e n t e s , que c o n s i s t e em urn p a r a m e t r o i m p o r t a n t e p a r a a o b t e n g a o de uma homogeneidade por t o d o o v a r i s t o r . Os componentes u t i l i z a d o s na produgao dos v a r i s t o r e s devem s e r c u i d a d o s a m e n t e s e l e c i o n a d o s . A sua n a t u r e z a q u i m i c a , p u r e z a , r e a t i v i d a d e q u i m i c a e r e p a r t i g a o g r a n o l u m e t r i c a devem s e r medidas. Para a p r o d u g a o em e s c a l a i n d u s t r i a l e e x i g i d o que os o x i d o s atendam as e s p e c i f i c a g o e s de f a b r i c a g a o . A p u r e z a dos 6 x i d o s u t i l i z a d o s e i m p r e s c i n d i v e l p a r a a produgao de v a r i s t o r e s de boa q u a l i d a d e . A p r e s e n g a de pequenas q u a n t i d a d e s de 6 x i d o de c o b r e , por exemplo, a f e t a o desempenho e l e t r i c o dos v a r i s t o r e s . Para a produgao em e s c a l a i n d u s t r i a l u t i l i z a m - s e n o r m a l m e n t e p a r t i c u l a s com g r a u s de p u r e z a i g u a i s ou m a i o r e s a 99,9% . Urn dos p r o c e s s o s p a r a a p r o d u g a o do 6 x i d o de z i n c o u t i l i z a d o na f a b r i c a g a o dos v a r i s t o r e s c o n s i s t e na o b t e n g a o d e s t e s a p a r t i r da o x i d a g a o do v a p o r de z i n c o m e t a l i c o p u r o , e, por i s s o , o seu n i v e l de i m p u r e z a e b a i x o . 0 tamanho das p a r t i c u l a s e i m p o r t a n t e p a r a o p r o c e s s o de formagao dos v a r i s t o r e s . E n t r e o u t r o s a s p e c t o s , e i m p o r t a n t e que as p a r t i c u l a s a p r e s e n t e m tamanhos pequenos e u n i f o r m e s , p o i s i s s o p o s s i b i l i t a uma m e l h o r m i s t u r a e e v i t a s e d i m e n t a g a o e x c e s s i v a de m a t e r i a i s d u r a n t e as p r i m e i r a s e t a p a s do p r o c e s s o . Pequenas v a r i a g o e s no tamanho i n i c i a l d e s t a s p a r t i c u l a s m e l h o r a as p r o p r i e d a d e s n a o - 1 i n e a r e s dos v a r i s t o r e s . 0 tamanho do g r a o do p r o d u t o s i n t e r i z a d o aumenta com a redugao do tamanho i n i c i a l das p a r t i c u l a s . 0 tamanho medio das p a r t i c u l a s de 6 x i d o de z i n c o u t i l i z a d a s e g e r a l m e n t e da ordem de 0 , 3 urn, e n q u a n t o que os demais 6 x i d o s m e t a l i c o s u t i l i z a d o s como a d i t i v o s a p r e s e n t a m p a r t i c u l a s com tamanho medio aproximadamente 10 vezes m a i o r e s . D e v i d o a d i f e r e n g a v e r i f i c a d a na d e n s i d a d e e no tamanho das p a r t i c u l a s dos d i v e r s o s a d i t i v o s e do ZnO, e
n e c e s s a r i o que as p a r t f c u l a s m a i o r e s sejam moidas a n t e s de serem u t i 1 i zadas. A T a b e l a 2 . 1 , a p r e s e n t a as p r i n c i p a i s c a r a c t e r i s t i c a s de a l g u n s componentes empregados na f a b r i c a g a o de v a r i s t o r e s . T a b e l a 2.1 - C a r a c t e r i s t i c a s de a l g u n s 6 x i d o s u t i l i z a d o s na p r o d u g a o de v a r i s t o r e s de ZnO ( 6 )
6XIDO DE FORMULA PESO DENSIDADE PONTO DE PUREZA TAMANHO MtDIO DA8 MOLECULAR (g/c«3) FUSAO (oC) (X) PARTICULAS (u»)
Zinco ZnO 81,37 5,61 1975 99,9 0,1 - 0,5 BismutO B1203 465,96 8,90 825 99,9 5 - 1 0 Cobalto CO203 165,86 5,18 895 (d) 99,9 1 - 5 ManganSs Mn02 88,94 5,03 535 (d) 99,9 5 - 1 0 AntimSnio Sb203 291,50 5,20 656 99,9 1 - 5 Niqiml N10 74,71 6,67 1984 99,9 1 - 5 Cromo Cr203 151,99 5,21 2266 99,9 1 - 5 (d) - dacoraposto 0 p r o c e d i m e n t o u t i l i z a d o nos e s t d g i o s de m i s t u r a e secagem depende da q u a n t i d a d e t o t a l de m a t e r i a - p r i m a ( 6 ) . D u r a n t e e s t a e t a p a de m i s t u r a a homogeneidade e v i s c o s i d a d e da p a s t a devem s e r c u i d a d o s a m e n t e c o n t r o l a d a s . Para pequenas q u a n t i d a d e s , menores do que 1 kg de m a t e r i a l seco, a m i s t u r a normalmente 6 f e i t a em uma q u a n t i d a d e de a l c o o l
e t i l i c o aproximadamente i g u a l a 50% do peso s 6 1 i d o do m a t e r i a l . Para d i s p e r s a r as a g l o m e r a g o e s e o b t e r uma d i s t r i b u i g a o u n i f o r m e dos d o p a n t e s e do 6 x i d o de z i n c o , o m a t e r i a l e m i s t u r a d o por urn p e r i o d o de aproximadamente 10 a
15 m i n u t o s , u t i l i z a n d o urn m i s t u r a d o r de a l t a v e l o c i d a d e , o que p r o p o r c i o n a uma e x c e l e n t e m i s t u r a dos componentes. Ap6s a m i s t u r a , o a i c o o l e removido por urn f i l t r o de vacuo a t r a v e s da evaporagao com a g i t a g a o da m i s t u r a . Alguma q u a n t i d a d e de a i c o o l r e s t a n t e e removida por secagem em f o r n o a aproximadamente 110°C. A n t e s da prensagem, o m a t e r i a l e p u l v e r i z a d o e m i s t u r a d o a seco com aproximadamente 5% de uma s o l u g S o de a g u a - a g 1 u t i n a n t e . A c o n c e n t r a g a o de a g l u t i n a n t e , PVA ( a i c o o l p o l i v i n i l ) , na s o l u g a o aquosa deve s e r de a p r o x i m a d a m e n t e 5%, a f i m de p r o p o r c i o n a r uma r i g i d e z s u f i c i e n t e no v a r i s t o r de ZnO. Para q u a n t i d a d e s m a i o r e s , os d o p a n t e s e o 6 x i d o de z i n c o sao m i s t u r a d o s em uma q u a n t i d a d e de dgua d e s i o n i z a d a i g u a l a aproximadamente 60% do peso s 6 1 i d o do m a t e r i a l . Nesse caso, o a g l u t i n a n t e (PVA) 6 a d i c i o n a d o d u r a n t e a m i s t u r a . Depois que t o d o s os m a t e r i a i s f o r e m a d i c i o n a d o s , a m i s t u r a e f e i t a d u r a n t e c e r c a de meia a uma h o r a num m i s t u r a d o r com h e l i c e s . Ap6s a m i s t u r a , a agua e removida
da s u b s t a n c i a p a s t o s a r e s u l t a n t e por urn p r o c e s s o de a t o m i z a g 3 o . Este p r o c e s s o c o n s i s t e em i n j e t a r a m i s t u r a a t r a v e s de urn b o c a l a t o m i z a d o r em uma camara a q u e c i d a , d e n t r o da q u a l c i r c u l a a r f o r g a d o p r e - a q u e c i d o em d i r e g a o o p o s t a , que p r o p o r c i o n a uma r d p i d a remogao da umidade p r e s e n t e nas p a r t i c u l a s a t o m i z a d a s . 0 composto homog§neo e de g r a n u 1 o m e t r i a c o n t r o l a d a o b t i d o d e s t e p r o c e s s o de secagem e s t a a g o r a em uma f o r m a de p6 adequada p a r a prensagem i m e d i a t a .
A umidade remanescente e c r i t i c a p a r a a e t a p a de prensagem, sendo d e s e j a d a uma f a i x a maxima c o m p r e e n d i d a na ordem de 0,1 a 0,5%.
- Prensagem dos b l o c o s
A m i s t u r a r e s u l t a n t e do p r o c e s s o a n t e r i o r e entSo p r e n s a d a em segoes c i l i n d r i c a s com dimensoes que dependem, e n t r e o u t r a s c o i s a s , do n i v e l de t e n s a o e da f a i x a da c o r r e n t e de d e s c a r g a do v a r i s t o r p r o d u z i d o . A d e n s i d a d e t i p i c a do e l e m e n t o p r e n s a d o e da ordem de 2,8 g/cm3. No e n t a n t o , e s t a d e n s i d a d e depende m u i t o da umidade p r e s e n t e na m i s t u r a do p6. A l t o s n i v e i s de umidade, r e s u l t a m em maior d e n s i d a d e , c r i a n d o p r o b l e m a s na prensagem. - P r o c e s s o de s i n t e r i z a c a o dos b l o c o s 0 e s t d g i o de s i n t e r i z a g a o 6 a e t a p a do p r o c e s s o de f a b r i c a g a o dos v a r i s t o r e s que p r o v o c a as m a i o r e s v a r i a g o e s nas suas p r o p r i e d a d e s e l e t r i c a s e d i e i e t r i c a s . A s i n t e r i z a g a o e uma f a s e do p r o c e s s o na q u a l o b l o c o prensado e t r a n s f o r m a d o em urn e l e m e n t o de m a t e r i a l c e r d m i c o denso. 0 p r o c e s s o de s i n t e r i z a g a o c o n s i s t e no a q u e c i m e n t o do e l e m e n t o em e t a p a s , desde a t e m p e r a t u r a a m b i e n t e a t e a t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o d e s e j a d a , mantendo-se e s t a t e m p e r a t u r a c o n s t a n t e p o r urn d e t e r m i n a d o p e r i o d o de tempo e r e s f r i a n d o - s e em s e g u i d a . Urn p e r f i l das v d r i a s e t a p a s de s i n t e r i z a g a o p a r a a p r o d u g d o de v a r i s t o r e s e a p r e s e n t a d o na refer§ncia ( 6 ) . I n i c i a l m e n t e a t e m p e r a t u r a e aumentada em d e g r a u s bem d e f i n i d o s , na r a z a o de aproximadamente 100°C por h o r a , a t e a t i n g i r a t e m p e r a t u r a de 700°C. De 700°C a 900°C, e s t a r a z a o e r e d u z i d a p a r a aproximadamente 25°C p o r h o r a , de modo a e v i t a r p o s s i v e i s o c o r r e n c i a s de t r i n c a s no i n t e r i o r do e l e m e n t o , d e v i d o a compressao que e c r i t i c a n e s t a f a i x a . Acima de 900°C a r a z a o de a q u e c i m e n t o v o l t a a ser de 100°C p o r h o r a , a t e que a t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o d e s e j a d a , c o m p r e e n d i d a e n t r e 1150 e 1350°C,
s e j a a l c a n g a d a . A t i n g i d a a t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o , e s t a e m a n t i d a c o n s t a n t e no f o r n o por urn d e t e r m i n a d o p e r i o d o (na m a i o r i a das l i t e r a t u r a s d i s p o n i v e i s e s t e tempo e s t a c o m p r e e n d i d o e n t r e 1 e 2 h o r a s ) , quando e n t a o o mesmo e r e s f r i a d o a uma razao de aproximadamente 50°C por h o r a , a t e que a t e m p e r a t u r a a m b i e n t e s e j a a t i n g i d a .
D u r a n t e a tiltima f a s e da e t a p a de s i n t e r i z a g a o o componente c e r a m i c o t o r n a - s e s 6 1 i d o e os a d i t i v o s reagem por d e n t r o da e s t r u t u r a , sendo e s t a e t a p a r e s p o n s a v e l p e l o e s t a b e l e c i m e n t o das p r o p r i e d a d e s dos v a r i s t o r e s .
Com a s i n t e r i z a g a o , o c o r r e uma redugao no volume do e l e m e n t o de c e r c a de 50% ( 2 0 % de redugao na d i m e n s a o ) . E s t a redugao e r e s u l t a d o b a s i c a m e n t e da d e n s i f i c a g a o . A d e n s i d a d e das a m o s t r a s s i n t e r i z a d a s e t i p i c a m e n t e da ordem de 5,4 a 5,5 g/cm3 e a p e r d a de peso e n o r m a l m e n t e da ordem de 1 a 3%. A s i n t e r i z a g a o e urn e s t a g i o c r i t i c o do q u a l depende a formagao da m i c r o e s t r u t u r a do v a r i s t o r ( 1 9 , 2 1 - 2 4 ) . D u r a n t e a s i n t e r i z a g a o , os pequenos g r a o s de ZnO crescem em tamanho e t o r n a m - s e c i r c u n d a d o s por uma f i n a camada formada p e l o s o u t r o s 6 x i d o s . E s t e s reagem com o ZnO e e n t r e s i , formando uma complexa e s t r u t u r a q u i m i c a a q u a l produz a c a r a c t e r i s t i c a e l e t r i c a m a r c a n t e d e s t e m a t e r i a l ; a sua a l t a n 5 o - l i n e a r i d a d e . No p r o c e s s o de s i n t e r i z a g S o , d u r a n t e o a q u e c i m e n t o acima de 700°C, o 6 x i d o de A n t i m f i n i o ( S b203) ,
quando p r e s e n t e na m i s t u r a , reage com os 6 x i d o s de Z i n c o (ZnO) e B i s m u t o ( B i203) formando as f a s e s c r i s t a l i n a s t i p o p i r o c l o r o de Zn7Sb20-|2 © Z n2B i 3S b301 4. 0 Z n2B i 3Sb30-| 4 f o r m a a f a s e l i q u i d a e r i c a em B 1203 e as p a r t i c u l a s do t i p o e s p i n e l i o ( Z n7S b201 2) . No p r o c e s s o de r e s f r i a m e n t o a f a s e l i q u i d a r i c a em B i203 t r a n s f o r m a - s e em uma camada i n t e r g r a n u l a r r i c a em B i203 f a s e p ou a . Por o u t r o l a d o , o
Z n 7 S b201 2 se p r e c i p i t a na f r o n t e i r a dos g r a o s , c o n t e n d o o seu c r e s c i m e n t o ( 2 2 ) . Um aumento no tempo e na t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o a c a r r e t a em uma redugao na t e n s a o de r e f e r e n d a p o r u n i d a d e de e s p e s s u r a e na t e n s a o p a r a a r e g i a o de b a i x a s c o r r e n t e s ( 1 8 ) . I s t o r e s u l t a do c r e s c i m e n t o dos g r a o s de ZnO, da a l t e r a g a o de sua r e s i s t i v i d a d e e do d e s a p a r e c i m e n t o da camada i n t e r g r a n u 1 a r r i c a em b i s m u t o , causada p e l a evaporagao do B i203. 0 e f e i t o da t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o e do tempo de permen§ncia d e s t a s o b r e as p r o p r i e d a d e s dos v a r i s t o r e s de ZnO e a p r e s e n t a d o resumidamente em 2.2 . - Acabamento No e s t a g i o de acabamento sao a p l i c a d o s os c o n t a t o s e l e t r i c o s s o b r e as s u p e r f i c i e s c i r c u l a r e s do v a r i s t o r e a camada i s o l a n t e na s u p e r f i c i e c i l i n d r i c a l a t e r a l . A t e c n i c a g e r a l m e n t e u t i l i z a d a p a r a a p l i c a g a o dos c o n t a t o s s o b r e as a m o s t r a s s i n t e r i z a d a s c o n s i s t e em d e p o s i t a r a q u e n t e uma camada m e t a l i c a p e l o p r o c e s s o de j a t e a m e n t o . A n t e s da m e t a l i z a g a o , as a m o s t r a s s i n t e r i z a d a s passam p e l a e t a p a de p o l i m e n t o , de forma a remover p o s s i v e i s s u p e r f i c i e s d e f e i t u o s a s , o b t e n d o - s e o p a r a l e l i s m o e n t r e as f a c e s e removendo-se a o x i d a g a o que pode o c o r r e r nas s u p e r f i c i e s das a m o s t r a s d u r a n t e o e s t a g i o de s i n t e r i z a g a o .
A m a i o r i a dos v a r i s t o r e s p r o d u z i d o s em e s c a l a i n d u s t r i a l u t i l i z a o a l u m i n i o s o b r e as s u p e r f i c i e s c i r c u l a r e s das e x t r e m i d a d e s p a r a p r o v e r a m e t a l i z a g a o . Em casos e s p e c i a i s , pode s e r usado p r a t a em vez de a l u m i n i o . No e n t a n t o , a p r a t a a p r e s e n t a d o i s p r o b l e m a s p r a t i c o s
f u n d a m e n t a l s p a r a a sua u t i l i z a g a o em v a r i s t o r e s : o p r i m e i r o e o seu c u s t o em r e l a g a o ao do a l u m i n i o e o segudo f a t o r e s u l t a da p r a t a se o x i d a r com o tempo, podendo comprometer o f u n c i o n a m e n t o dos v a r i s t o r e s . A refer£ncia ( 6 ) a p r e s e n t a a p o s s i b i 1 i d a d e da u t i l i z a g a o do z i n c o .
A e t a p a de m e t a l i z a g a o dos v a r i s t o r e s tern a f i n a l i d a d e de p r o d u z i r uma d e n s i d a d e de c o r r e n t e u n i f o r m e por t o d a a s u p e r f i c i e , sendo p o r t a n t o f u n d a m e n t a l p a r a o bom desempenho dos v a r i s t o r e s d u r a n t e a o c o r r e n c i a de s u r t o s de c o r r e n t e e l e v a d o s . A camada i s o l a n t e a p l i c a d a na s u p e r f i c i e c i l i n d r i c a l a t e r a l tern por o b j e t i v o e v i t a r a o c o r r e n c i a de d e s c a r g a e x t e r n a s u p e r f i c i a l ou " f l a s h o v e r " , d u r a n t e a passagem de s u r t o s de c o r r e n t e e l e v a d a . - E n s a i o s e l e t r i c o s e c l a s s i f i c a g a o Quando p r o d u z i d o em e s c a l a i n d u s t r i a l , ap6s o p r o c e s s o de f a b r i c a g a o dos v a r i s t o r e s de ZnO, as suas c a r a c t e r i s t i c a s b a s i c a s de p r o t e g a o e de o p e r a g a o sao o b t i d a s a t r a v e s de e n s a i o s e l e t r i c o s , e n t r e os q u a i s pode-se c i t a r os de t e n s a o de refer§ncia e t e n s a o r e s i d u a l a c o r r e n t e de d e s c a r g a n o m i n a l , a p a r t i r dos q u a i s os d i v e r s o s v a r i s t o r e s p r o d u z i d o s sao c l a s s i f i c a d o s d e n t r o de f a i x a s , de a c o r d o com os c r i t e r i o s e s t a b e l e c i d o s p e l o s f a b r i c a n t e s . A l g u n s f a b r i c a n t e s adotam, em a d i g a o aos e n s a i o s acima d e s c r i t o s , os e n s a i o s de v e r i f i c a g a o da c o r r e n t e CC p a r a a maxima t e n s a o c o n t i n u a de o p e r a g a o e o e n s a i o de c o r r e n t e de i m p u l s o r e t a n g u l a r (ou d e s c a r g a de l i n h a s de t r a n s m i s s a o , dependendo do t i p o de v a r i s t o r ) como e n s a i o s p a r a c o n t r o l e da produgao.
2.2 E f e i t o de v a r i a g o e s na e t a p a de s i n t e r i z a g a o s o b r e as p r o p r i e d a d e s dos v a r i s t o r e s de ZnO
A s i n t e r i z a g a o e uma e t a p a f u n d a m e n t a l do p r o c e s s o de f a b r i c a g a o de urn v a r i s t o r . D u r a n t e e s t e p r o c e s s o , v a r i a s mudangas o c o r r e m na composigao dos v a r i s t o r e s , e n t r e e l a s a
d e n s i f i c a g a o , c r e s c i m e n t o dos g r a o s e mudangas de f a s e . E x i s t e uma grande d e p e n d e n c i a d e s t a s p r o p r i e d a d e s com a t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o e com o tempo de permanSncia n e s t a t e m p e r a t u r a . D u r a n t e e s t a s e t a p a s o c o r r e m d i v e r s a s t r a n s f o r m a g o e s nas f a s e s q u i m i c a s , r e s u l t a n d o na c r i a g a o de uma densa m a t r i z p o l i c r i s t a l i n a f o r m a d a p o r g r a o s de ZnO e o u t r a s f a s e s de d i f e r e n t e s 6 x i d o s .
Matsuoka ( 1 ) v e r i f i c o u i n i c i a l m e n t e o e f e i t o da t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o s o b r e o s i s t e m a Z n O - B i203, p a r a
uma c o n c e n t r a g a o de B i203 de 0,5 m o l % . Deste e s t u d o
Matsuoka v e r i f i c o u que o B i203 a d i c i o n a d o ao ZnO a p r e s e n t a
p r o p r i e d a d e s n S o - l i n e a r e s quando s i n t e r i z a d o s a uma t e m p e r a t u r a c o m p r e e n d i d a e n t r e 950° e 1250°C. No e n t a n t o , a p a r t i r de 1250°C, v a r i s t o r e s com e s t a composigao a p r e s e n t a v a m uma p r o p r i e d a d e l i n e a r , n3o sendo v e r i f i c a d o na m i c r o e s t r u t u r a o B i203. Matsuoka a t r i b u i u e s t e f a t o a
evaporagao do B i203 d u r a n t e o p r o c e s s o de s i n t e r i z a g a o .
P o s t e r i o r m e n t e Matsuoka e s t u d o u o e f e i t o da t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o nas p r o p r i e d a d e s n a o - 1 i n e a r e s dos v a r i s t o r e s de ZnO a p a r t i r de uma composigao c o n t e n d o 97 m o l % de ZnO e 3 m o l % de 6 x i d o s a d i t i v o s de B i203 + C o203 + Mn02 + C r203 + S b203, numa r e l a g a o 1:1:1:1:2. E s t a composigao a p r e s e n t o u em seus e s t u d o s o m a i o r c o e f i c i e n t e de n a o 1 i n e a r i d a d e . 0 comportamento do c o e f i c i e n t e de n a o -l i n e a r i d a d e , em fungao da t e m p e r a t u r a de s i n t e r i z a g a o e m o s t r a d o na F i g u r a 2.3. V e r i f i c a - s e da F i g u r a que o v a l o r de a 6 c r e s c e n t e com o aumento da t e m p e r a t u r a de
