Transcript Nichtlineare Dielektrika

Kondensatorwerkstoffe
Typ I
er = 15 bis 500,
Verlustfaktor tand < 0.003 ist
Temperaturkoeffizient = 10-4 und 2×10-3 K-1 = geringe Abhängigkeit von T.
SiO2; Al2O3; TiO2 einfache Oxide und „zusammengesetzte“ Oxide 2SiO2·3Al2O3
Typ II
er =2000 bis 20'000
tand < 0.03
Eigenschaften hängen stärker von Temperatur, Feldstärke und Frequenz ab als bei TypI
Dielektrika
Ferroelektrika: Ba(Ti1-yZry)O3; Ba1-xSrxTiO3 etc.
Typ III
leitfähige Phase im K orn; Dieelektrika in KG, → Dicke des Dielektrikums klein.
Arbeitsbereich 2 - 25 V. Wenn V>25 V: → Durchschlag.
Einfache Strukturen und hohe Kapazitäten von über 1 m F!
Relaxor-Ferroelektrika
Ingenierurkeramik II
3. Ceramics II
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Typ I:
Titandioxid TiO2 (Rutil-Keramik),
Steatit
Magnesiumtitanat
Porzellan
Glimmer
Al2O3
Glas
SiO2
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Typ II: Ferroelektrika BaTiO3
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Typ II: Ferroelektrika BaTiO3
Verschiebung des Curiepunktes in Mischkristallreihen
Ba(Ti1-yZry)O3
Ba1-xSrxTiO3
er
er
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BaTiO3-SrTiO3-CaZrO3
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Korngrössenabhängigkeit von er max.
Massnahme zur Verbreiterung des Maximums im er=f(T) Verhalten
Kornwachstumskontrolle durch Sinterzusätze mit geringer Löslichkeit im Ferroelektrikum: Solute Drag!
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Solute Drag zur Begrenzung des Kornwachstums
BaTiO3+1mol%Fe2O3
Ts<1300°C
Löslichkeit von Fe2O3 klein in BaTiO3
Fe Anreicherung im Korngernzen-nahen Bereich
KG Mobilität klein::::Körner klein
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Ts>1300°C
Löslichkeit von Fe2O3 wird grösser in BaTiO3
Fe verteilt sich im Korn gleichmässiger
KG Mobilität gross::::Körner werden grösser
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90°-Domänen in grobkörnigem (Ba0.8Ca0.2) TiO3
günstige Zwillinge in grossen Körnern mit 90° Zwillinge
KG  50 -100 mm: Domänen, er stark abhängig von der Temperatur
KG  1mm: Ein Korn, eine Domäne, keine Zwillinge, fast kubische
Kristallsymmetrie und paraelektrisch
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Stabilisation der Polarisation durch Raumladungen in KG




Fixierte Ladungen in den Korngrenzen (Raumladungen) können mit
den Dipolmomenten wechselwirken. Die Polarisierung wird
stabilisiert; die Ferroelektrika werden „steifer“.
Phasenumwandlungen werden verzögert oder unterdrückt
Hystereseverluste werden verringert
die eingeprägte Polung der Keramik wird gefestigt.
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Zusätze
•
Zusätze, die die Temperaturabhängigkeit der er
ausgleichen und das Kornwachstum hemmen:
Fe2O3, Ni2O3, MgO, CeO2, La2O3.
•
Zusätze, die den spezifischen Widerstand erhöhen
(MgO, NiO).
•
Zusätze, die die Durchschlagfestigkeit erhöhen
(ZnO, Sb2O3)
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Typ III-1
BaTiO3 / SrTiO3 mit Raumladungen und Sperrschichten.
Elektrode
Sperrschicht, hochohmig
Kern, niederohmigohmig
Elektrode
Korninneres:
Hohe Leitfähigkeit durch:Donatoren wie seltene Erdoxide
(Dy2O3, Nb2O5, Ta2O5 und Sb2O5) oder durch eine
Reduktion
Akzeptoren wie CuO in den Korngrenzen:
Netzwerke hochohmiger p-n-Übergänge: er=100'000,
(GBBL - Grain boundary barrier layer).
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Typ III-2
BaTiO3 / SrTiO3 mit Raumladungen und Sperrschichten.
RB
CB
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RGB
CGB
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Qualitätskriterien
•
C = f(T,U,)
(Die Kapazität und deren Abhängigkeit von Temperatur, Spannung und
Frequenz)
•
tand = f(T,U,) (Der Verlustfaktor und dessen Abhängigkeit von Temperatur,
Spannung und Frequenz)
•
R = f(T,U) bei Dt= kurz (Der Isolationswiderstand und dessen
Kurzzeitabhängigkeit von Temperatur und Spannung)
•
R = f(T,U(~))
(Isolationswiderstand bei Langzeitbelastung unter Wechselspannung
und erhöhter Temperatur)
•
Umax
•
er = f(t) bei U=0
(Durchschlagsspannung)
(Alterungsverhalten der Dielektrizitätszahl, ohne elektrisches
Feld)
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Die Alterung
er (t) = k · log(t/t0)
12
10
C in nF
8
6
4
jung
2
gealtert
60
50
40
30
25
20
10
5
0
-10
-20
-30
-40
0
T in °C
Verschiebung des Umwandlungspunktes nach
einem Jahr.
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Bauformen
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Zusammenfassung
Keramische Dielektrika vom Typ I haben niedrige
Dielektrizitätszahlen von 15 bis 150. Sie weisen eine sehr gute
Temperaturkonstanz auf und zeigen kleine dielektrische Verluste.
Dielektrika vom Typ II sind ferroelektrische Keramiken mit hohen
Dielektrizitätszahlen von 2’000 bis 20'000. Sie haben eine merkliche
Temperaturabhängigkeit und höhere Verluste.
Typ III Kondensatoren beruhen auf dünnen Korngrenzsperrschichten
mit ferroelektrischen Keramiken. Die Sperrschichten werden durch
Dotierungen hergestellt.
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