低温烧结zno压敏电阻材料的.研究

《低温烧结zno压敏电阻材料的.研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、华中科技大学硕士学位论文1．2ZnO压敏陶瓷基本理论‘1】l2．1ZnO的晶体结构ZnO晶体属于六方晶系，其结构为纤锌矿型，分子结构类型介于离子键与共价键之间。这种结构的基础是氧离子(02．)以六角密堆的方式排列，而锌离子(zn2+)填入于半数的由02。紧密排列所形成的四面体空隙中，而0。密堆所形成的八面体空隙则是空的。正负离子的配位数均为4。晶格常数a=O．3243nm，c=O．5159nm，c／a=1．6。C轴方向有极性。其晶体结构如图1．1所示。ZnO晶体的密度为5．69／era3；晶格能为40

2、40J／tool；熔点为1975℃。Zn系两性氧化物，溶于酸、碱金属氢氧化物、氨水、碳酸铵和氯化铵溶液，不溶于水和乙醇，无臭，无毒18J。ZnO经高温煅烧产生化学计量偏移，或掺入施主杂质后，呈现n型电导【9】。图1-1纤锌矿ZnO的晶格结构图1．2．2ZnO压敏陶瓷的微观结构在ZnO压敏电阻器研究的早期，人们曾将ZnO半导瓷的微观结构设想为富铋的粒间相紧密地包封着陶瓷中的每一个ZnO晶粒，即认为富铋粒间形成连续相，而ZnO晶粒则弥散于连续的粒间相间，如图1-2(a)所示，并估算出粒间层的平均厚度在20

3、-200hm之间。但是经过近几年来一系列高分辨率电子显微镜及其他新型的微观分析技术的观测研究，证实这种微观结构是不真实的。各种分析表明，在许多情况下ZnO晶粒之间的晶粒层厚度小于1-2rim，有时甚至观测不到晶粒层，即ZnO晶粒与ZnO晶粒直接接触。尽管如此，在作理论分析时，图1_2㈣所示的理想模型仍可采用，只不过粒间层厚度值t很小而已。2华中科技大学硕士学位论文孙O暑较撞闷层U粒闻层ZnO品狂(a)(b)图1-2ZnO压敏电阻的微观结构ZnO半导瓷微观结构的总相图是：以主晶相ZnO晶粒为母体，在晶粒

4、间分布着富铋相的粒间层，而尖晶石相及焦绿石相以微细弥散的晶粒形式分布于以富铋相为主的晶粒层中。ZnO半导瓷微观结构的近代模型认为，富铋粒间相主要存在于多个ZnO晶粒所构成的多晶粒结中，如图1．3所示。ZnO-ZnO晶粒接触可分为三个区域：A区：这里有一层厚的晶界相，它位于多晶粒顶角部位，在该区域可能有尖晶石相、富铋相以及各种杂质相互作用所形成的无定性相存在。B区：有一层薄的晶界层，它的电阻比晶粒高得多，形成半导体一绝缘体一半导体(SIS)异质结。C区：此区不存在晶界层，在ZnO晶粒间只存在极薄的一层富

5、铋偏析相，可视为半导体一半导体(SS)均质结。zm‘粒t铸相^矗CB^zat)‘t(a)三晶粒结中的粒间相分布(b)两晶粒的粒间相分布图1-3ZnO压敏电阻的相分布微观模型华中科技大学硕士学位论文1．2．3ZnO压敏陶瓷的导电机理ZnO压敏电阻的典型J—v特性如图I．4所示。通常可以分为三个区域：预击穿区、击穿区、回升区。其中以击穿区非线性最好，是压敏电阻的核心，在该区电压的少许增加引起电流的迅速增加。可以用粒界的导电机理来理解ZnO压敏电阻器的J．V特性。ZnO压敏电阻器的导电性质源于其晶界。由于Z

6、nO晶粒为n型半导体，故其费米能级Em比非n型晶界的费米能级EFB高。晶粒中存有一定浓度的自由电子，而晶界中存在大量的界面态。因此，当晶粒和粒界紧密接触时，通过热激发所致的注入．析出过程使EFG=EFB。这样一来，就形成了一个从晶粒表面渗入晶粒体内一定深度的电子势垒，即双肖特基势垒，如图1．5所示。根据Heywang的推导，其粒界上的势垒高度由0与界面态密度和Ns、￡的关系式为：口2A[2毋o=二上(1．1)2占oeaVd(1-1)式中：Ns为表面态密度；Nd为ZnO晶粒中的施主浓度；e为电子电荷；e

7、o为真空介电常数；e为相对介电常数。圈l_4ZnO压敏电阻的典型J-V特性一旦在双肖特基势垒的两侧加上电压时，ZnO半导瓷的能带结构将发生如图4华中科技大学硕士学位论文l一6所示的变形。通过进一步对粒界处热激电流的计算，可以得出热激电流的近似表达式为：，=2舾p(．簪)tank嘉(1-2)式中f是左侧导带底与费米能级EF之差；Io是常数：k是波尔兹曼常数；T是绝对温度。从式(1．2)可见，这种双肖特基势垒的热激电流与温度有强烈的依从关系，但与外加电压的关系则显示为如图1．7所示的饱和性质(双曲正切函数

8、特征)。必须指出，热激发射电流特性只存在于较低的电场强度下，当外加偏压超过一定值时，粒界界面态中所俘获的电子将主要通过场致发射直接遂穿势垒的机制传输电子电流。根据Muk．ae[101和Eda【¨】等人的研究，当外加偏压高时，图1．8右侧势垒的电场可用下式表示：。／。‘＼茹t{qV；g％＼巧‘＼～圈1-5半导瓷粒界的能带结构图1-6直流偏置下的ZnO压敏电阻的能带图ER=(1-3)将此式代入Fowler-Mordheim的场致发射电流公式时，可得遂穿电流的