氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系
ZnO压敏电阻基本特性微观结构
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ＺｎＯ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曲线2.1.1 小电流线性区２ＺｎＯ压敏电阻的基本特性2.1 ZnO 压敏电阻的电性质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。
压敏电阻的非线性系数资料
1引言非线性系数是描述Z n O压敏电阻非线性强弱的电参数。
通过实验建立起电流与电压的函数关系，计算出非线性系数α值。
文章综述了工作环境、添加物的种类、烧成因数、热处理、机械应力、润湿特性对非线性影响。
2非线性系数α2.1非线性系数α定义非线性系数是描述Z n O压敏电阻非线性强弱的电参数。
通过实验可以建立起电流与电压的函数关系，从电流与电压的函数关系中可以看出这种非线性的强弱[1~3]。
取一只Z n O压敏电阻，在其两端施加脉冲电压，脉冲的宽度应窄到不使压敏电阻发热，测出并记下各电压值相对应的电流值，在双对数坐标上描点连线，得到的伏安特性曲线如图1所示。
在图1中，在大于I b的某一电流范围内，I-U特性近于直线，其直线方程为l g I=αl g U-A(1)式中α—为该直线的斜率，α=l gθA—为该直线的截距。
令A=αl g C，上式可写成(2)即(3)由式(3)知，压敏电阻在这一电流范围的I-U特性是由参数α和材料C值决定的。
由α值的几何意义可知，α值越大，该直线越陡，非线性越强。
故α又称非线性系数。
2.2非线性系数α值要给出电流范围在很宽的电流范围内，α并不是一个常数。
在小电流和大电流端，α值均有所下降；在曲线急剧上升区，α值为最大，压敏电阻可充分发挥非线性的作用，α值可达60以上，因此在此区域中，压敏电阻的电阻值对电压的变化是极其敏感的。
由于α值与电流有关，故可在I-U曲线陡峻上升区选定某一电流值范围，在此范围内取其α值对不同压敏电阻进行非线性比较。
不同压敏电阻进入陡峻区的电压也是不同的，一般说来，在一定几何形状下，电流在1m A附近时，Z n O压敏电阻的α值可达最大，往往取与1m A电流相对应的电压作为I随U陡峻上升时电压大小的标志，并把此电压称为压敏电压[4]。
2.3计算非线性系数α值按照式(3)，根据测量结果可以计算α值。
在需要测量的电流范围内，分别确定两个电流值I1和I2，并令I2=10I1。
集成电路氧化锌压敏电阻器的原理简介与使用性能参数
【集成电路(IC)】氧化锌压敏电阻器的原理简介与使用【集成电路氧化锌压敏电阻器的原理简介与使用性能参数】“压敏电阻是中国大陆的名词，意思是"在一定电流电压范围内电阻值随电压而变"，或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。
相应的英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”。
压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。
现在大量使用的"氧化锌"（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素（Zn）和六价元素氧（O）所构成。
所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。
在中国台湾，压敏电阻器是按其用途来命名的，称为"突波吸收器"。
压敏电阻器按其用途有时也称为“电冲击（浪涌）抑制器（吸收器）”。
一、氧化锌压敏电阻器微观结构及特性氧化锌压敏电阻器是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。
它的微观结构如图1所示。
氧化锌陶瓷是由氧化锌晶粒及晶界物质组成的，其中氧化锌晶粒中掺有施主杂质而呈N型半导体，晶界物质中含有大量金属氧化物形成大量界面态，这样每一微观单元是一个背靠背肖特基势垒，整个陶瓷就是由许多背靠背肖特基垫垒串并联的组合体。
图2是压敏电阻器的等效电路。
氧化锌压敏电阻器的典型V-I特性曲线如图3所示：预击穿区：在此区域内，施加于压敏电阻器两端的电压小于其压敏电压，其导电属于热激发电子电导机理。
因此，压敏电阻器相当于一个10MΩ以上的绝缘电阻(Rb远大于Rg)，这时通过压敏电阻器的阻性电流仅为微安级，可看作为开路。
该区域是电路正常运行时压敏电阻器所处的状态。
击穿区：压敏电阻器两端施加一大于压敏电压的过电压时，其导电属于隧道击穿电子电导机理(Rb与Rg相当)，其伏安特性呈优异的非线性电导特性，即：I=CVα其中I通过压敏电阻器的电流C与配方和工艺有关的常数V压敏电阻器两端的电压α为非线性系数，一般大于30由上式可见，在击穿区，压敏电阻器端电压的微小变化就可引起电流的急剧变化，压敏电阻器正是用这一特性来抑制过电压幅值和吸收或对地释放过电压引起的浪涌能量。
氧化锌压敏陶瓷的制备应用性能
氧化锌压敏陶瓷1.功能陶瓷所谓功能陶瓷，就是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、能源和环保工程等基础产业领域中所用到的陶瓷材料。
功能陶瓷所具有的独特声、光、热、电磁等物理特性和生物、化学以及适当的的力学特性，在相应的工程和技术中起到了关键的作用。
这种陶瓷材料从其形态上可以分为块体、粉体、纤维和薄膜四种类型。
2.压敏陶瓷压敏陶瓷既是功能陶瓷的一种，它是指一定温度下，某一特定电压范围内，具有非线性伏安特性且其电阻随电压的增加而急剧减小的一种半导体陶瓷材料。
目前压敏陶瓷主要有4大类—— SiC、TiO2、SrtiO3和ZnO。
其中应用广、性能好的当属氧化锌压敏陶瓷。
由于ZnO压敏陶瓷呈现较好的压敏特性，压敏电阻α值（非线性指数）高( α>60，比SiC压敏电阻器10倍以上)，有可调整C值和较高的通流容量，因此得到广泛的应用。
在电力系统、电子线路、家用电器等各种装置中都有广泛的应用，尤其在高性能浪涌吸收、过压保护、超导性能和无间隙避雷器方面的应用最为突出。
3.氧化锌压敏陶瓷ZnO压敏陶瓷生产方法是在ZnO 中添加Bi2 O3、Co2 O3、MnO2、Cr2 O3、Al2 03、Sb2 03、Ti02、Si02、B2O3 和PbO 等的氧化物。
在配方中常含有Bi 元素，其主晶相为具有n型半导体特性的ZnO；此外，瓷相中除有少量添加物与ZnO形成的固溶体外，大部分添加物在ZnO晶粒之间形成连续晶相。
主晶相ZnO 是n型半导体，体积电阻率为10 ·m以上的高电阻层。
因此，外加电压几乎都集中在晶界层上，其晶界的性质和瓷体的显微结构对ZnO电阻的压敏特性起着决定性作用。
一般ZnO的粒径d为几微米到几十个微米，晶界层厚度为0．02～0．2 ；也有人认为晶界相主要集中于三到四个ZnO晶粒交角处，晶界相不连续，在ZnO 晶粒接触面间形成有一层厚度20U左右的富铋层，其性质对非线性特性起重要作用。
氧化锌压敏电阻的电性能参数及添加剂的作用
氧化锌压敏电阻的电性能参数及添加剂的作用压敏电阻是由在电子级ZnO 粉末基料中掺入少量的电子级Bi 2O 3、Co 2O 3、MnO 2、Sb 2O 3、TiO 2、Cr 2O 3、Ni 2O 3等多种添加剂，经混合、成型、烧结等工艺过程制成的精细电子陶瓷；它具有电阻值对外加电压敏感变化的特性，主要用于感知、限制电路中可能出现的各种瞬态过电压、吸收浪涌能量。
1 氧化锌压敏电阻电性能参数1.1 压敏电压U 1mA压敏电阻的电流为1mA 时所对应的电压作为I 随U 迅速上升的电压大小的标准，该电压用U 1mA 表示，称为压敏电压。
压敏电压是ZnO 压敏电阻器伏安曲线中预击穿区和击穿区转折点的一个参数，一般情况下是1mA （Φ5产品为0.1mA ）直流电流通过时，产品的两端的电压值，其偏差为±0.1%。
1.2 最大连续工作电压MCOV最大连续工作电压MCOV 指的是压敏电阻在应用时能长期承受的最大直流电压U DC 或最大交流电压有效值 U RMS 。
最大直流电压的值为80%~92%U 1mA ，或产品在85℃下，正常工作1000h ，施加的最大直流电压；最大交流电压的值为60%~65% U 1mA ，或产品在85℃下，正常工作1000h ，施加的最大交流电压。
1.3 漏电流 I L漏电流(mA)也称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过压敏电阻器电流。
IEC 对漏电流 I L 较为普遍的定义是：环境温度25℃时，在压敏电阻上施加其所属规格的最大连续直流工作电压 U DC 时，流过压敏电阻的直流电流。
一般而言，在材料配方和烧结工艺固定的情况下，漏电流适中的压敏电阻具有较好的安全性和较长的寿命。
1.4 非线性指数α非线性指数α指压敏电阻器在给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。
它是一个元件的电阻值是否随电压或电流变化和变化是否敏感的标志。
ZnO 压敏电阻器是一种非线性导电电阻。
氧化锌压敏电阻特性
电力电子• Power Electronics210 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】氧化锌压敏电阻 结构 特征 伏安特性现阶段氧化锌压敏电阻已经取得了很好的应用，在电力系统和电子系统的过压保护中发挥着重要的作用，但是在实际使用时有很大优化空间，比如氧化锌压敏电阻的老化判定可以进行优化处理，这样可以更好的对氧化锌压敏电阻的老化进行判定防止出现因为受潮而导致性能的老化。
针对这些可优化的空间，笔者对氧化锌压敏电阻的特性进行探讨，有着重要的现实意义。
1 氧化锌结构特征1.1 氧化锌晶体的结构研究氧化锌压敏电阻特性，首先要对氧化锌晶体进行研究。
氧化锌晶体是利用红锌矿为原料制作的金属氧化物，这种氧化物中既包括化学键又包括离子键，属于中间键型，氧化锌压敏电阻的这种独特的键形也就决定着其独有的特性。
氧化锌压敏电阻的基本结构是成六角排布的，并且在六角排布的中间有着很多的锌离子填充。
通常情况下，氧化锌压敏电阻有着三种构型，三种构型分包为六角、立方闪锌、立方岩盐矿等。
这三种结构是可以进行转换的。
1.2 氧化锌晶体结构的缺陷我们在对氧化锌压敏电阻的特质进行使用时，很少有人了解过这些能够被我们使用的特性来源于氧化锌压敏电阻中氧化锌晶体中的结构缺陷，这是这些缺陷使得氧化锌压敏电阻有了很多的电阻特性。
上文我们已经提到过氧化锌压敏电阻通常情况下有三种可以互相转换的构型，这些构型基本决定了他们的缺陷来源。
立方闪锌结构中有很大的孔隙，这些孔隙中不同的离子的扩散不同，有的离子的扩散系数比较高，就易于扩散，有的离子扩散系数低就不容易扩散，这些特性使得锌离子容易集中出现积聚的情况。
同时氧化锌压敏电阻中的晶体也会受到掺杂的杂质影响，这种杂质影响也会导致其内部结构出现缺陷，这种杂质影响的氧化锌压敏电阻特性文/谭智昭 王洋缺陷主要是呈现为空腔和空穴，这些空腔和空穴将会直接影响到氧化锌晶体的电子的流向，导致其载流子发生散射，使得载流体的迁移受到较大的影响。
氧化锌避雷器工作原理
氧化锌避雷器工作原理氧化锌避雷器是一种常见的电力设备，用于保护电力系统免受雷击和过电压的影响。
它的工作原理基于氧化锌的非线性电阻特性和放电原理。
1. 氧化锌的非线性电阻特性：氧化锌具有非线性电阻特性，即其电阻随电压的变化而变化。
当电压低于某个阈值时，氧化锌的电阻非常高，几乎不导电。
但当电压超过阈值时，氧化锌的电阻迅速降低，使得电流能够通过。
2. 放电原理：当雷电或过电压通过电力系统传输时，会产生巨大的电压梯度。
当这些电压超过氧化锌避雷器的阈值时，氧化锌避雷器会开始导电，形成一个低阻抗通路，将过电压引导到地面。
具体的工作过程如下：a. 当电力系统正常运行时，氧化锌避雷器处于高阻抗状态，几乎不导电。
b. 当系统受到雷击或过电压冲击时，电压梯度超过氧化锌避雷器的阈值，氧化锌避雷器迅速进入导电状态。
c. 导电状态下，氧化锌避雷器提供了一个低阻抗通路，将过电压引导到地面，保护电力系统的设备免受损害。
d. 一旦过电压消失，氧化锌避雷器会自动恢复到高阻抗状态，等待下一次雷击或过电压事件的到来。
氧化锌避雷器的工作原理可以通过以下几个关键参数来描述：1. 阈值电压（U1）：阈值电压是指氧化锌避雷器进入导电状态的电压阈值。
一般来说，阈值电压越低，氧化锌避雷器对过电压的响应越灵敏。
2. 导通电阻（R1）：导通电阻是指氧化锌避雷器在导电状态下的电阻值。
导通电阻越小，氧化锌避雷器能够更好地将过电压引导到地面。
3. 恢复时间（Trec）：恢复时间是指氧化锌避雷器从导电状态恢复到高阻抗状态所需的时间。
恢复时间越短，氧化锌避雷器能够更快地应对连续的雷击或过电压事件。
4. 额定电流（I1mA）：额定电流是指氧化锌避雷器在导电状态下通过的电流值。
额定电流越大，氧化锌避雷器能够处理更大的雷击或过电压冲击。
需要注意的是，氧化锌避雷器的使用寿命是有限的。
当氧化锌避雷器多次受到雷击或过电压冲击时，其非线性电阻特性会发生变化，导致其工作性能下降。
znr压敏电阻
znr压敏电阻1. 介绍znr压敏电阻（Zinc Oxide Varistor）是一种非线性电阻器件，它能够在一定电压范围内快速变化其电阻值，以保护电路免受过电压的破坏。
znr压敏电阻由氧化锌陶瓷材料制成，具有高分辨率、高灵敏度和快速响应的特点。
2. 结构与原理znr压敏电阻的结构包括两个金属端片和一个氧化锌陶瓷片。
氧化锌陶瓷片是该器件的核心部分，其表面涂有金属导体。
当正常工作时，氧化锌陶瓷片呈现高阻态；当超过器件额定电压时，氧化锌陶瓷片中的结晶粒子会发生定向排列，导致其内部形成导通通道，从而使器件呈现低阻态。
znr压敏电阻的工作原理基于“击穿效应”。
当外加电压超过设定值时，氧化锌陶瓷片中的结晶粒子受到激活，并形成一条导通通道，使电阻急剧下降，以吸收过电压。
当过电压消失时，氧化锌陶瓷片会自动恢复到高阻态。
3. 特性与应用3.1 特性•非线性特性：znr压敏电阻的电阻值随电压的变化呈非线性关系，能够在毫秒级别快速响应。
•宽工作范围：znr压敏电阻可在几伏至几千伏的范围内工作。
•高容量：znr压敏电阻能够承受较大的能量冲击。
•高稳定性：znr压敏电阻具有较高的稳定性和可靠性。
•低功耗：znr压敏电阻在正常工作状态下几乎不消耗能量。
3.2 应用由于其特殊的特性，znr压敏电阻广泛应用于各种领域，包括：3.2.1 电子设备保护znr压敏电阻可用于保护各种类型的电子设备免受过流和过压的损害。
在不同类型的设备中，znr压敏电阻的额定电压和功率需根据具体需求进行选择。
3.2.2 电力系统保护znr压敏电阻可用于保护电力系统中的变压器、发电机和输电设备等。
当系统中出现过电压时，znr压敏电阻能够迅速响应并吸收过电压，避免设备损坏。
3.2.3 通信设备保护znr压敏电阻广泛应用于通信设备中，如电话线路、传输线路和数据接口等。
它能够有效保护通信设备免受雷击、静电放电和突发的过电流等干扰。
3.2.4 汽车电子保护znr压敏电阻在汽车领域中也有着重要的应用。
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电压为 0.75 U 1mA 时通过 ZnO 压敏电阻的电流 . 从表 1 和图 2 中可以看出 , 在低电压区试样具 有很好的 V-I 特性 , 4 种试样中 A 的电位梯度最小 , 其次是 B 和 D, 最后是 C. 泄漏电流的变化趋势与 电位梯度正好相反 .
2.2
空间电荷测试结果
利用 PEA 法空间电荷测试系统对所有试样进行 了测量, 图 3 所示为试样 A 沿厚度方向的空间电荷分 布图. 11 个电流下的空间电荷分布趋势是一致的, 为 了清楚看出空间电荷随电流的变化, 图 3 中显示的是
1.2
试验方案
1
1.1
试验系统和试验方案
试验系统及原理
空间电荷测试系统基于电声脉冲技术 , 主要由 直流高压电源, 脉冲发生器, 电极系统, 前置放大器, 示波器和计算机等组成, 如图 1 所示. 其原理是: 假 设试样中存在空间电荷 . 在试样两端施加高压窄脉 冲, 此脉冲在试样中产生脉冲电场力, 在脉冲电场力 的作用下, 试样中的空间电荷产生振动, 振动以声波 的形式向外传播 , 声波幅值的大小反映了电荷量的 大小. 声波到达 PVDF(聚偏二氟乙烯)压电传感器的 时间反映了空间电荷出现的位置. 因此, 经过压电传 感器接收到的电压信号就是包含试样中空间电荷量 的大小及位置的信号[17]. 计算机通过 GPIB 采集卡
读写到此信号并进行分析处理 . 试验系统的性能参数如下. 1) 分辨率: 对于 PE 类聚合物, 分辨率可以达到 10 m. 对于 ZnO 材料, 分辨率可以达到 19.5 m; 2) 灵敏度: 可以达到 1 C/cm3; 3) 可测试样的厚度: PE 类聚合物, 可测厚度为 2 mm. 对于 ZnO 材料, 可测厚度为 4 mm; 4) 最大可施加的直流电压: 60 kV/mm.
本文所用试样是某厂家提供的电压梯度不同的 4 种样品, 4 种试样 A, B, C 和 D 的配方不同, 但烧结 工艺是一致的, 采用普通的 ZnO 压敏电阻烧结工艺. 试样直径均为 10 mm, 厚度除了试样 A 是 1.36 mm 外, 其他 3 种试样均为 1.26 mm. 采用 PEA 空间电荷测试系统对 4 种试样进行测 试. 因为不同的 ZnO 压敏电阻具有不同的电位梯度, 为了保证试验条件一致, 以电流为基准进行测量, 即 施加电压至通过试样的电流为预设值时 , 测量试样 的空间电荷分布. 在 0.01~10 mA 的电流范围选取 11 个电流值进行 测试, 分别为 0.01, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1, 3, 5, 和 10 mA. 每个测量点加压 10 min 采集空间电荷波形, 每个测量点测量完成后, 将电压回零, 间隔 3 min 进 行下一个测量点的测量, 直至测量完成. 在测试时 , 为了避免脉冲电场在试样中引入空 间电荷, 选取的脉冲幅值为 200 V, 脉宽和频率分别 为 5 ns 和 400 Hz. 伏安特性测试时 , 只需要记录每个电流值所对 应的电压即可 . 此测量是与空间电荷测试同时进行 , 即在测量空间电荷的同时 , 对每种试样进行电流和 电压信号的采集.
1129
王倩等: 氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系
图2 表1
ZnO 压敏电阻的 V-I 特性曲线
不同试样的电气参数
Sample A B C D Voltage gradient (V/mm) 55.67 234.144 375.69 299.708 Leakage current (A) 13.0 1.0 0.8 0.9
摘要
为了从微观角度解释 ZnO 压敏电阻的导电机理, 利用电声脉冲(PEA)法, 对 4
关键词
种 ZnO 压敏电阻试样在不同电流密度下的空间电荷分布特性进行了试验. 研究结果表 明, 空间电荷和电流密度之间的关系与伏安特性曲线具有一致性, 可以反映非线性特 性. 在小电流区, 空间电荷与场强和电流密度呈线性关系, 空间电荷的增加反映了晶 界层表面态的减少和肖特基势垒的变化. 小电流区到中电流区存在过渡区, 过渡区的 电流是由热电子激活和隧道电流共同构成. 在中电流区, 随着电流的增大, 空间电荷 会呈减小趋势, 当耗尽层减小为零时, 空间电荷会基本消失.
(a) -J 和 V-I; (b) -E 和 V-I
图7
试样 D 的曲线对比图
(a) -J 和 V-I ; (b) -E 和 V-I
增长激增, 试样 A 在相同的电场下, -E 曲线出现饱 和 , 而其他 3 种试样 -E 仍然呈线性增加 .
设试样面积为 S, 试样厚度为 D, 为测试得到的 下表面电荷密度, 则电极下表面的电荷量为
王倩等: 氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系
图8
ZnO 电容与场强的关系
图9
加压后的肖特基势垒模型[18]
可见 ZnO 试样电容值随电压变化缓慢减小. 文 献[18]指出电容随电压的增高略有减小 , 从小电流区 到转折点, 电容的变化率大约为 20%. 本文的计算结 果与文献 [18]相一致 , 更进一步验证了本文研究方法 的有效性. 下面基于双肖特基势垒模型对试验结果进行分 析 . 当施加电压后能带结构发生变形 , 如图 9 所示 , 右侧为反偏压侧 U2, 反向肖特基势垒 , 势垒高度为 2=0+eU2; 左侧为正偏压侧 U1, 正向肖特基势垒 , 势垒高度为1=0-eU1. 外加电压后势垒的高度与外加电压具有线性关 系, 随着外施电压的增加, 右侧 ZnO 晶粒中向晶界迁 移的自由载流子数增加 , 被晶界表面捕获的电子数 增加 , 导致晶界上的电荷增加 , 势垒升高 , 由于有更 多的电子迁移到晶界 , 所以在晶粒内部的耗尽层将 会更宽, 耗尽层宽度为[18]
英文版发表信息:
Wang Q, Tu Y P, Ding L J, et al. Relationship between space charge and nonlinear characteristics of ZnO varistor. Sci China Tech Sci, 2011, 54: 17711778, doi: 10.1007/s11431-011-4413-1
2
2.1
测试结果
伏安特性测试结果
图1
空间电荷测试系统结构示意图
四种试样的 V-I 特性曲线如图 2 所示, 图中纵坐 标代表的是电场强度 E, 单位是 V/cm; 横坐标代表的 是试样的电流密度 J, 单位为 A/cm2. 利用伏安特性测试数据 , 计算了试样的电位梯 度和泄漏电流 , 计算结果如表 1 所示 , 泄露电流是 衡量 ZnO 压敏电阻性能的一个重要参数 , 它是指
ZnO 压敏电阻 电声脉冲(PEA)法 空间电荷 双肖特基势垒
由于具有优异的非线性 V-I 特性和大的通流容量, ZnO 压敏电阻被 广泛应用于电力系统 , 通讯设备 , 家用电器和建筑物的雷电防护等领域[1, 2]. ZnO 压敏电阻以 ZnO 为主体, 添加 Bi2O3, MnO2, Co2O3, Cr2O3, Sb2O3 及 SiO2 等利用传统的陶瓷工艺高 温烧结而成[3]. 目前已提出了多个 ZnO 压敏电阻导电 机理的理论模型[4, 5]. 1971 年 Matsuoka 提出了空间电 荷限制电流导电模型[6], 该模型认为 ZnO 压敏电阻的 非线性起源于高阻晶界层 , 认为晶界层中的陷阱充 满电子后 , 电流就会急剧上升而形成非线性 , 该模
0.01, 0.1, 1, 5 和 10 mA 下试样中的空间电荷分布. 从图 3 中可以看出, 随电流增加, 空间电荷密度 也相应增加. 试样 B, C 和 D 的空间电荷分布趋势与 试样 A 相似. 对试样 A 电极处的空间电荷密度进行计算, 发 现电荷密度与电流密度和场强之间存在一定的关系 . 图 4(a)给出了-J 曲线与 V-I 曲线的对比图. 同样-E 曲线与 V-I 曲线的对比图如图 4(b)所示, 表示空间电 荷密度, 单位为c/cm3. 采用同样方法可以画出其他试样曲线对比图 , 分别如图 5~7 所示. 可以发现, 4 种试样的-J 和 V-I 的变化趋势基本 相同, 都呈非线性变化. 试样 A 和 B 达到转折电压时, -J 曲线的饱和程度大于 V-I 曲线, 而试样 C 和 D 的 变化基本一致. 4 种试样的-E 和 V-I 的变化趋势不同, 在小电流区, -E 都呈线性增加, 而电流随着电场的 增加增长缓慢, 当到达转折电压后, 电流随着电场的
Q s D.
(1)
3
3.1
分析讨论
小电流区非线性特性与空间电荷的关系
又有 C=Q/U, U E D , 得 ZnO 压敏压敏电阻 试样的电容为
Q . (2) ED 按照(2)式, 可计算得到 ZnO 试样电容随场强变 化的规律, 如图流区, 4 种试样的伏安特性, 空间电荷与 电流密度的关系 , 空间电荷与电场强度的关系都具 有线性特性.
隧穿模型, 该模型认为 ZnO 压敏电阻内靠近晶界层的 耗尽层是低压下导电的主要势垒, ZnO 的电击穿与
晶界层的薄弱区域的陷阱有关 . 该模型可以解释 伏安特性曲线的温度依赖性以及添加物的效应 , 但不能很好地解释 ZnO 压敏电阻的导电过程. 1978 年 , Eda[9]提出了双肖特 基势垒 , 即晶界处存在两个 背靠背的肖特基势垒, 低压下热离子发射导电, 高压 下为场致发射. 该模型可以很好解释 ZnO 压敏电阻 的伏安特性及其导电过程. 1979 年, Mahan 在双肖特 基模型的基础上提出了二步传输模型 , 即肖特基－ 晶界层 — 肖特基势垒模型 [10]. 认为电子的传输总是 通过最薄弱处的晶界层, 通过隧穿作用而传输的, 采 用该模型定量估算了 V-I 曲线. 但是, 该模型不能阐 明各种添加剂在成型和优化晶界势垒方面的作用. 可以看出 , 基于晶界层是高阻层的理论是不尽 科学的 , 因为晶界层本身就很薄 , 只有 0.02 m. 自 1978 年以来, 关于 ZnO 压敏电阻导电机理的研究大