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1、 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。 压敏电阻的基本特性与微观结构Basic characteristic and microstructure of ZnO varistors季幼章中国科学院等离子体物理研究所 合肥 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 引言 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 （）电压（）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 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。 压敏电阻 是用半导体 粉末和其它氧化物粉末 如： 、 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
3、晶陶瓷， 这一边界特性决定了压敏电阻的非线性 特性。 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 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 在宽电流密度和电场范围上的典型 曲线2.1.1 小电流线性区 压敏电阻的基本特性2.1 ZnO 压敏电阻的电性质 压敏电阻最重要的性质是它的非线性 特性， 如图 所示。在 功能上，在达到给定的击穿电压之前，压在这一
4、范围内（ ） ， 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（）和电阻 电流（）合成，并 且是由 的晶粒边界决定的。SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION2008 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 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 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 曲线
5、越陡，器件就越好。 发现添加 基本上形成非欧姆特性。但是添加 像 和 过渡氧化物也能增强非线性。同样， 像 、 和 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。（ 、 ）和外来原子（ 和 ） ， 和 分别 代 表所有外来的施主和受主原子（ 可以是 、 等） 。 根据对 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（ ） ，当从烧结温度冷却时， 晶粒边界变 得富集锌空位 （受主）而缺少氧空位 （施主） （见图 ） 。这种掺杂产 生了晶粒边界处锌空位 过剩和氧空位的不足
6、，这种情况提高了势垒 （势 垒高度 ） ，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（ ） ， 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 微结构中 晶粒电阻的 控制。于是添加已知能控制 晶粒电阻的掺杂剂（如 、 等） ，其结果对大电流翻转特性有很大影响。 为了表征 压敏电阻，希望测定全部 三个区的 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 的 特性是 用直流或 的交流测定，对大于 的 特性用 具有上升峰值时间为 的典型波形和 的半峰值衰 减时间的脉冲电流
7、（即所说的 波 形）测定。2.2 ZnO 压敏电阻的物理特性 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多数电 荷载流子（电子）的势垒。认 为肖特基势垒最像 微结构中晶粒边界势垒。晶粒 边界 上的负表面电荷（电子捕获）是由晶界面两侧晶粒的耗尽 层的正电荷来补偿的。热电 子发射和隧道效应是主要的传 输机制。 最近发展的压敏电阻势垒的晶粒边界缺陷模型在改 进 稳电压应力下，压敏电阻的稳定性上取得了很大进展。图 纯的和非本征掺杂 晶粒边界区氧空 位和锌空位浓度部面 压敏电阻的微观结构3.1 多种的相组成 压敏电阻的微观结构分析发现，形成的四个主要 成分是 、尖晶石、 焦绿石和一些
8、富 相（图 ） 。图 中也指明了组分存在的部位，还存在一些用现有 技术尚不 易检测出来的其它次要相。 压敏电阻的典型晶粒尺寸在 和 之间， 并且也总是伴有双晶。 的存在抑制晶粒生长，而 和 则加速晶粒长大。尖晶石和焦绿石相对晶粒长大有 抑制作用。焦绿石相在低 温时起作用，而尖晶石相在高温 时有利。当用盐酸浸蚀晶粒时，中间相呈现出在电性上绝 缘的三维网络。 烧结形成的 晶粒是 压敏电阻的基本构成单2.3 ZnO 压敏电阻的化学特性纯 是具有线性 特性的非化学计量 型半导 体。进入 中的各种添加物使其具有非线性。这些氧 化物中主要是 。这些氧化物的引入，在晶粒和晶粒 边界处形成原子缺陷，施主或类施
9、主缺陷支配着耗尽层， 而受 主和类受主缺陷支配着晶粒边界状态。相关的缺陷类 型是锌空位（ 、 ） 、氧空位（ 、 ） 、填隙锌 134SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION2008 年 06 月受晶粒边界电阻和电容控制。 （） 在曲线为一端，大电流线性 区 （） ，被验证是受晶粒的电 阻控制的。 （） 对各种应用最重要 的区域，中部 非线性区，受晶粒边界和晶粒间的电阻 差别的间接控制。3.2.3 势垒电势与微观结构联系 压敏电阻势垒电势（） （） （） （） （） 式中 非线性电压 每厘米的晶粒 数 每厘米的边界厚度 这样，压敏电阻的晶粒（）图 各种晶相组成的
10、 压敏电阻的微观结构成分（）位。在烧结过程中，各种化学元素在微观结构中的分布， 使得近晶粒边界区域具有高 阻抗（ cm） ，而 晶粒的中间具有高电导（110 cm） 。从 图 1 给出 的 曲线的斜率能估算这些阻抗特性。3.2 微观结构和电特性图 给出了微观结构和电特性略图。图 （） 给出了晶 粒和晶界电阻的表 观略图。从晶粒边界到晶粒的电位陡降 图（） 发生在 的距离 内，称为耗尽层。这样， 在每个晶粒边界处都存在晶粒边界向两侧延展入相邻晶粒 的耗尽 层。晶粒间存在耗尽层提高了压敏电阻的作用。 晶粒边界两侧两个耗尽层的存在，使得 压敏电 阻对极性变化不敏感。在这一方面，压敏电阻像一个背对 背
11、的二极管。 进一步说，由于晶粒边界附近区域的电子被 耗尽，当施加外电压时，跨在晶粒边界上出现 一电压降。 这被称作势垒电势，一般是（每晶粒边界） 。3.2.1 等效电路在图 （） 所示的等效电路中，这一电路由一个电阻 （）和一个电容 （）分量组成。当在预击穿区给 压敏电阻施加一电压时，流过器件的漏电流 完全是起源于 晶粒边界。在交流模式时，这个电流由电阻分量和电容分 量组成。图 微观结构和电特性略图 （） 耗尽层处的电阻剖面；3.2.2 微观结构和电特性关系（） 小电流击穿前线性区域（） ，被验证是（） 晶粒与晶粒边界处的电阻曲线； （） 晶粒边界处的等效电路。SEMICONDUCTOR CO
12、MPONENTS APPLICATION2008 年 06 月135 是作为在 时记录的击穿电压的度量， 是人为选择 的（见图 ） 。 由于晶粒边界处存在耗尽层，则表现出介电常数是受 晶粒尺寸影响，其 值随晶粒尺寸的增大而提高。表观晶粒 边界电容为每晶粒边界 。据，对改进配方、优选工艺、组织生产、分析质量将起到 重要指导作用。参考文献1 T.KGupta.J.Amer.Ceram.Soc.,1990,73(7),18171840 2 Jan Harloff, D. Bonnell. Physical Properties of Ceramics(ZincOxideVaristor)doctor
13、althesis.1995 3 Mattias Elfwing. Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 686, ACTA universities UPSALIENSIS UPPSALA2002 4 莫以豪, 李标荣, 周国良. 半导体陶瓷及其敏感元件. 上 海:上海科学技术出版社 1983 年 10 月 结论 压敏电阻具有特殊的非线性特性，是所有压敏 电阻元件中，也是所有敏感元 件中研究得最多，发展得最 快应用得最广之一。 压敏电阻的基本特性包括
14、电学性 质、物理特性和化学特性。微观结构是体现这些性质的媒 介，决定了 压敏电阻 的许多性质，是 压敏电阻 的基础。微观结构分析给 压敏电阻的特性 分析提供依新闻信息发布服务半导体器件应用电压敏器件专栏旨在提供电压敏行业市场及技术资讯，服 务电压敏行业企业，促进产 业上中下游产业链间的交流互动，推动电压敏产业的健康发展。电压敏器件专栏为行业企业（厂商） 提高免费新闻信息发布服务，您公司的重要活 动、重大事件、重大发展成果、 新产品、新应用等（即贵公司需向外发布的任何信息） ，均 可透过本专栏对外发布。编辑部的公正性与其他专业出版机构相同，大比特商务网、 国际电子变压器编辑内容与广告绝对无 关。编辑内容是为了满足 读者对信息的需求。编辑部对收到的新闻稿有权作出修改或删节， 读者的需要和信息的价值是选择依据。 如果您不善于撰写新闻稿，也可以预约本刊记者协 助您采写、编撰、润饰或是修改新闻稿的内容，让您的新闻稿 更有其专业及说服力，也更 能
