施主掺杂对氧化锌压敏陶瓷电性能的影响

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1、硕士学位论文施主掺杂对氧化锌压敏陶瓷电性能的影响作者姓名王瀛洲微电子学与固体电子学科专业学指导教师卢振亚教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月EffectsofdifferentdonordopantsontheelectricalpropertiesofZnOvaristorceramicsADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangYingzhouSupervisor：Prof.LuZhenyaSouthChinaUniversityofTech

2、nologyGuangzhou,China分类号：TN304学校代号：10561学号：201520116022华南理工大学硕士学位论文施主掺杂对氧化锌压敏陶瓷电性能的影响作者姓名：王瀛洲指导教师姓名、职称：卢振亚教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：微电子学与固体电子学研究方向：固体电解质与应用电子技术论文提交日期：2017年4月20日论文答辩日期：2017年5月30日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：何新华委员：杨凤金卢振亚I摘要ZnO压敏电阻以其优异的非线性系数和耐脉冲电流能力，广泛应用在各类电

3、子电路和电子设备中。关于它的导电机理，学者们提出了各种模型中。其中最广为接受的是背靠背的双肖特基势垒模型。本论文以双肖特基势垒模型为基础，控制变量探究不同掺杂条件（半导体施主掺杂，替换阴离子位或阳离子位）对ZnO电性能的影响。并通过分析样品表观形貌、密度等，分析产生不同现象的原因。论文目标是研究不同施主添加剂对氧化锌压敏陶瓷电性能的影响，特别是研究材料在大电流区域的非线性特性及脉冲电流耐受特性的影响。本文首先研究了Al元素掺杂对氧化锌压敏变阻器的影响。加入的Al3+可以作为施主杂质，提高氧化锌晶粒载流子浓度，降低电阻率。此外，Al3+

4、的引入，利于尖晶石相的富集，抑制晶粒长大。工业上采用加入Al(NO3+3)3·9H2O水溶液的方式引入Al，有利于原料的分散。本文采用部分氧化锌与Al(NO3)3·9H2O混合预烧，并改变混料球磨工艺，研究Al元素在材料体系中的分散效果。实验结果表明在0.02wt%~0.05wt%掺杂范围内，随着Al3+掺杂量增加，氧化锌晶粒尺寸减小，材料的压敏电位梯度增加。但如果Al3+掺杂量过多，Al3+富集在晶界层，非线性系数减小。另外，试验结果显示，通过部分氧化锌与Al(NO3)3·9H2O混合预烧并改进混料球磨方式，可以改善压敏陶瓷材料脉冲

5、耐受特性。本文研究了施主型阴离子掺杂对氧化锌压敏陶瓷材料电性能的影响，具体采用F元素掺杂代替Al元素掺杂，或F、Al共掺杂，测试分析了F掺杂和F、Al共掺样品的表面形貌和电性能。结果表明氟的掺杂对氧化锌压敏电阻晶粒生长有抑制作用，但对于尖晶石相的影响不大，对非线性影响也不大。F、Al共掺杂对氧化锌压敏陶瓷材料电性能有明显改善，F和Al两种元素对氧化锌压敏陶瓷材料电性能有类似影响。但是采用F、Al共掺，可同时改善材料的非线性系数和耐脉冲电流冲击特性。本文还研究了Cl元素掺杂对氧化锌压敏电阻的影响。研究了不同含量的ZnCl2掺杂对ZnO压

6、敏电阻的电性能的影响。实验表明，Cl元素掺杂对氧化锌的影响近似于Al元素掺杂，能够提供自由电子，提高晶粒载流子浓度。由表面形貌分析，Cl离子的引入对晶粒大小和晶粒间的尖晶石相都有影响。适量的氯掺杂能够减少晶粒尺寸，提高压敏电位梯度。同时由电性能分析得出，Cl离子的引入改善了氧化锌压敏电阻的耐脉冲大电流特性。Cl离子的引入可能同时加强了锌填隙和氧空位的复合导电机制。当掺杂量为III0.04mol%时，非线性系数以及承受大电流能力良好，对应高温环境下势垒高度也保持在较高值。关键词：ZnO压敏电阻；施主掺杂；非线性；势垒高度IVABSTRA

7、CTZnOvaristoriswidelyusedinallkindsofelectroniccircuitsandelectronicdevicesbecauseofitsexcellentnonlinearcoefficientandhighsurgecurrentcapability.Variousmodelsfortheirconductionmechanismwereproposed.Themostwidelyacceptedmodelisback-to-backdoubleSchottkybarriermodel.Base

8、donthedoubleSchottkybarriermodel,Weusethecontrolvariablemethodtoexploretheinfluenceofdifferentdopingconditions