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Prebreakdown in low voltage varistors and its relation with deep levels

Abstract
The non-linearity coefficient α of several low voltage varistors shows some local maxima in the prebreakdown region (where the leakage current is generally defined). The field at which these maxima appear is not thermally activated and is related to the presence of deep levels in the forbidden gap of the zinc oxide. These levels are studied by an admittance spectroscopy method based on loss tangent measurements as a function of temperature. A barrier model enabled us to derive the energy of the levels and the relative proportion of deep levels to donor levels. The increase of non linearity below the main threshold can be explained by an abrupt jump of the barrier height when the Fermi level crosses the deep level of the trap inside the grain.

Résumé
Des extréma locaux du coefficient de non-linéarité ont été observés au-dessous de la tension de seuil de plusieurs varistances basse tension, dans la région du courant de fuite. La valeur du champ électrique où ces maxima apparaissent n'est pas thermiquement activée. Elle est liée à la présence de pièges profonds dans la bande interdite de l'oxyde de zinc. Ces pièges ont été étudiés par spectroscopie d'admittance (tangente de pertes en fonction de la température). L'énergie de ces pièges et leur relative proportion par rapport aux niveaux donneurs a été déduite d'un modèle de barrière électrique au joint de grain. L'augmentation de la non-linéarité au-dessous du seuil principal s'explique par une diminution brutale de la hauteur de barrière lorsque le niveau de Fermi traverse le niveau d'un piège à l'intérieur d'un grain.