zno压敏电阻的基本特性与微观结构

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1、ZnO压敏电阻的基本特性与微观结构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　压敏电阻的基本特性与微观结构BasiccharacteristicandmicrostructureofZnOvaristors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

2、；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

3、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　曲线2.1.1小电流线性区２　ＺｎＯ　压敏电阻的基本特性2.1ZnO压敏电阻的电性质ＺｎＯ　压敏电阻最重要的性

4、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。SEMICONDUCTORCOMPONENTSAPPLICATION2008年06月1332.1.2中间的非线性区域中间电流非线性区，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

5、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

6、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（势垒高度φ０．７ｅＶ），同时有效地消除了在晶粒边界处分离界面层的需要。．．．．　．　2.1.3大电流翻转区在大电流区域（＞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

7、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。2.2Z