ZnO压敏电阻基本特性与微观结构.doc

本文由blue_sailor贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。ZnO haracteristicandmicrostructureofZnOvaristors季幼章中国科学院等离子体物理研究所合肥 230031摘要: ZnO压敏电阻是一种电阻值对外加电压敏感的半导体敏感元件,主要功能是辨别和限制瞬态过电压,反复使用不损坏。ZnO压敏电阻的基本特性包括电学特性、物理特性和化学特性。微观结构是体现这些性质的媒介,是ZnO压敏电阻的基础。关键词: ZnO压敏电阻;电学性质;物理特性;化学特性;微观结构1 引言ZnO 压敏电阻是半导体电子陶瓷器件,主要功能是识别和限制瞬态过电压,反复使用而不损坏。它的电流(I)—电压(U)特性是非线性的,与稳压二极管相似。但与二极管不同,压敏电阻能限制的过电压在两个极性上相等,于是呈现的 I-U 特性很象两个背对背的二极管。压敏电阻能用于交流和直流电场,电压范围从几伏到几千伏,电流范围从毫安到几千安。压敏电阻还附加有高能量吸收能力的特性,范围从几焦耳到几千焦耳。它的通用性使得压敏电阻在半导体工业和电力工业都有应用。ZnO 压敏电阻是用半导体 ZnO 粉末和其它氧化物粉末如:Bi、Sb、Co、Mn、Cr、Ni、Si 等经过混合、压型和烧结工艺而制成。得到的产品是具有晶界特性的多晶陶瓷,这一边界特性决定了压敏电阻的非线性 I-U 特性。ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学特性、物理特性和化学特性。微观结构是体现这些性质的媒介,是 ZnO 压敏电阻的基础。敏电阻的作用接近于绝缘体,此后它的作用相当于导体。对设计者关注的电学特性,是它在导电过程的非线或非欧姆特性,以及它作为电阻时,正常工作电压下的低泄漏电流(功率损耗)。这些特性能够用曲线的三段重要区域来说明。图 1 在宽电流密度和电场范围上的典型 I-U ZnO 压敏电阻最重要的性质是它的非线性 I-U 特性,如图 1 所示。在功能上,在达到给定的击穿电压之前,压在这一范围内(<10-4A/cm2),I-U 特性是欧姆性的,定义为预击穿区。对于给定的工作电压,交流电比直流电流大约高二个数量级。这一差别被认为是交流电压应用时介电损耗的作用。全电流是由容抗电流(IC)和电阻电流(IR)合成,并且是由 ZnO 的晶粒边界决定的。,对于电压的一个小增量,压敏电阻传导一个格外大的电流。该非线性区可以在电流的 6￣7 个数量级上扩展。正是这一在宽电流强度上的高非线性,使得 ZnO 压敏电阻与其它非线性器件有重大的差别,并使其应用于多种用途。这一区域的 I-U 曲线越陡,器件就越好。发现添加 Bi2O3 基本上形成非欧姆特性。但是添加像 Co2O3 和 MnO2 过渡氧化物也能增强非线性。同样,像 Bi2O3、Sb2O3、Co3O4、MnO2 和 SiO2 等组合成多元掺杂剂能比用单一掺杂剂大大增加其非线性。同样,增加掺杂剂浓度至某一最佳量也显示出增加其非线性行为。(Zni、Zni)和外来原子(DZn和 Di'),DZn和 Di' 分别代表所有外来的施主和受主原子(D 可以是 Bi、Sb 等)。根据对 ZnO 中缺陷平衡的研究,证明了由缺陷向边界层不相等的迁移能够形成缺陷引起势垒。它表明一个高的施主杂质(DZn≈1018cm-3),当从烧结温度冷却时,晶粒边界变得富集锌空位[VZn](受主)而缺少氧空位[Vo](施主)(见图 2)。这种掺杂产生了晶粒边界处锌空位[VZn]过剩和氧空位[Vo]的不足,这种情况提高了势垒(),同时有效地消除了在晶粒边界处分离界面层的需要。.... . (>103A/cm2),I-U 特性又呈线性,与小电流区域相似,电压随电流的上升比非线性区块。该区域还称为翻转区。此区域受 ZnO 微结构中晶粒电阻的控制。于是添加已知能控制 ZnO 晶粒电阻的掺杂剂(如 Al、Ga 等),其结果对大电流翻转特性有很大影响。为了表征 ZnO 压敏电阻,希望测定全部三个区的 I-U 特性。但由于所涉及的电流范围宽,对所有区域不可能使用相同的测试工艺。通常对小于 100mA/cm2 的 I-U 特性是用直流或 50Hz 的交流测定,对大于 1A/cm2 的 I-U 特性用具有上升峰值时间为 8μs 的典型波形和 20μs 的半峰值衰减时间的脉冲电流(即所说的 8×20μs 波形)测定。 压敏电阻的非线性是一种晶粒边界现象,即在相邻晶粒耗尽层中存在