Élaboration, caractérisation et modélisation de nouvelles varistances à base de dioxyde d’étain

Elaboration, characterization and modelling of new tin dioxide based varistors

• Auteur / Autrice : Julien Pansiot
• Direction : Renaud Metz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie.Matériaux
• Date : Soutenance le 09/03/2010
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale de Chimie (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire hydrazines et procédés (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Serge Agnel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadine Rieux, Alain Beauger, Henri Delalu, Mehrdad Hassanzadeh, Christophe Chaubet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Lebey, Frédéric Bernard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Composés

Varistances

Céramique industrielle

Dioxyde d'étain

Mots clés libres

Varistance

Oxyde d'étain (SnO2)

Céramique

Parafoudre

Varistor

Tin oxide (SnO2)

Ceramic

Surge arrestor

Résumé

Des investigations ont été menées concernant la caractérisation des céramiques semi-conductrices à matrice SnO2, en particulier dans des domaines de densités de courant et de champs électriques élevés. L’ensemble du procédé d’élaboration a été analysé et optimisé, de manière à obtenir des composés aux propriétés électriques aptes à l’application varistance. L’addition de plusieurs dopants a été étudiée, et deux éléments ont donné lieu à un comportement électrique remarquable. Le dopage des grains de SnO2 par l’aluminium (III) permet d’accroître leur conductivité apparente et de ce fait, d’obtenir des composants dont la plage de fonctionnement est équivalente à celle observée pour des varistances ZnO. Le silicium apparaît aux joints de grains dans la microstructure des céramiques. Il réduit fortement la surface effective des joints de grains, entrainant une diminution importante de la zone de fonctionnement des varistances. Simultanément, la caractéristique courant-tension est quasi-idéale avec des coefficients de non-linéarité supérieurs à 100 et des profils de variation similaires à ceux observés pour les diodes Zener. La modélisation du mécanisme de conduction au niveau d’un joint de grain SnO2-SnO2 suggère que ces céramiques présentent un potentiel théorique supérieur aux céramiques à base de ZnO du fait d’une largeur de bande interdite plus importante. Enfin, un comparatif technico-économique succinct a ensuite été proposé, afin d’illustrer la compétitivité des deux matériaux pour l’application varistance

Many investigations have been conducted on semiconductive ceramics with a tin dioxide matrix, particularly in the high electric field and high current density ranges. The sintering process has been optimized, in order to obtain compounds with electrical properties compatible with the varistor application. Among the many dopants studied, two elements produced a remarkable electrical behavior. By doping SnO2 grains with Aluminium (III) allows an increase of their apparent conductivity and hence, widens the working range of tin oxide based compounds, up to the ZnO varistors ones. It appears that the silicium is located on the grain boundaries in the ceramic microstructure. This element reduces strongly the effective surface of the grain boundaries and causes an important diminution of the varistors working range. Simultaneously, the current-voltage behavior appears to be like those observed for a Zener diode, with non-linearity coefficients higher than 100 and nearly ideal variation profiles. The conduction modelling in the SnO2-SnO2 grain boundary area reflects that these ceramics present theoretically a higher potential than ZnO based ceramics, due to a wider SnO2 bandgap. A brief technico-economical comparison has been proposed in order to highlight the competitiveness between the two materials for the varistor applications