ZnO压敏电阻的基本特性与微观结构

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；化学特性

2、；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晶陶瓷， 这一边界特性决定了压

3、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 在这一范围内（ ）， 特性是欧姆性 的，定义为预

4、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 APPLICATION 2008年06月 133 2.1.2 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。这一区域的曲线越陡，器件就越好。 发现添加 基本上形成非欧姆特性。但是添

5、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，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

6、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（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

7、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

8、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 134 SEMICONDUCTOR CO

9、MPONENTS APPLICATION 2008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 ·

10、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 （）

11、 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 COMPONENTS APPLICATION 2008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

12、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)doctoralthesis.1995 3 Mattias Elfwing. Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Facul

13、ty 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

14、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

15、其专业及说服力，也更能够被其他媒体或新闻人员所采用或引用。 新闻格式要求 电子邮件新闻稿要求提供纯文本格式（）或（）格式文件。电子邮件发送的图片和照片最好提 供、和格式文件。此外，也可以利用磁盘或格式磁盘提交电子图片文件。 提交产品和公司新闻或预约记者采访。您也可通过下于是导线间存在分布电容效应； 由于导线间绝缘不完善而存在漏电流，表明导线间处处有分布电导。 频率低时，这些分布参数效应完全可以忽略不计，所以低频只考虑时间因子而忽略空间效应， 因而把低频电路当作集中参数电路来处理是允许的。但是，频率升高后，分布参数引起的效应不能 再忽视了；传输线不能仅当作连接线，它将形成分布参数电路，参与并影响

16、电压和电流的传输。因 而传输线在电路中所引起的效应必须用传输线理论来研究和表述。 我们用 R1,L1,C1,G1 分别表示传输线单位长度的电阻，电感，电容和电导，它们的数值与传输线 类型、截面尺寸、导体材料、填充介质等有关。 假设均匀传输线上取任一无限小线元 dz(dz<<),则线元上都分布有一定大小的电阻 R1dz 和电 感 L1dz;此线元间都分布有一定大小的电容 C1dz 和电导 G1dz。在此无限小线元上，我们可以把它看 成一集中参数电路，其集中电阻、电感、电容和电导，分别为 R1dz，L1dz，C1dz 和 G1dz，可用形 网络来等效（也可用 T 形或形网络来等效） ，

17、如图 1-2（a）所示。整个传输线则可看成是有许多 线元的四端网络链联而成的分布参数电路，如图 1-2（b）所示。对于无耗线（R1=0,G1=0） ，其等效 电路，如图 1-2（c）所示。 Eg dz Z1 Rg Eg R1dz L1dz Rg G1dz C1dz Z1 （a） 第 2 页 共 43 页 广东移动培训资料 （b） Z1 （c） 图 1-2 传输线的等效电路 （a）等效电路； （b）分布参数电路； （c）无耗线等效电路 有了上述等效电路，就容易解释传输线上的电压、电流不相同的现象。参看图1-2（b） ，由于aa和 bb之间有串联电阻存在，两处的阻抗不相等，因而两处的电压也不想等；

18、由于线间并联回路的存在， 通过a和b点的电流也不相同。同时还可以看出，当接通电源后，电源通过分布电感逐次向分布电容充电， 并形成向负载传输的电压波和电流波。就是说，电压和电流是以波的形式在传输线上传输，并将能量或 信号从电源传送至负载。 射频传输线 传输线终端短路 1.1.2 射频传输线终端短路 当射频传输线终端短路时信号为全反射。 电压反射系数 = ZL ? Z O 反射点的反射电压 = ?1 = ?1 ，电压反射系数 = ZL + ZO 反射点的入射电压 Vmax 1 + = = （无穷大） Vmin 1 ? 即电压驻波比 VSWR = 第 3 页 共 43 页 广东移动培训资料 无耗短路

19、线的驻波特性 射频传输线 传输线终端开路 1.1.3 射频传输线终端开路 当射频传输线终端开路时，信号为全反射。 1+ 电压反射系数 = 1 ， 即电压驻波比 VSWR = Vmax = = （无穷大） Vmin 1 ? 无耗开路线的驻波特性 无耗开路线的驻波特性 开路线的驻波 1.1.4 射频传输线终端完全匹配 当射频传输线终端阻抗 ZL 完全等于传输线特性阻抗 Z0 时，信号无反射，电压反射系数 =0， 即电压驻波比 VSWR = Vmax 1 + = = 1.为行波状态。 Vmin 1 ? 第 4 页 共 43 页 广东移动培训资料 1.1.5 射频传输线终端不完全匹配 当射频传输线阻抗

20、 ZL 不完全等于传输线特性阻抗 Z0 时，信号有局部反射，电压反射系数 0< <1。 电压驻波比 VSWR = Vmax 1 + = = V. （工程时控制在1 1.5之间）。 Vmin 1 ? 电压驻波比在工程上常用回波损耗 RL 表示，对应关系如下表： 电压驻波比 VSWR 回波损耗 RL（dB） 相应公式 R L = 20lg V +1 （dB）。 . V -1 1.2 21 1.25 19 1.3 17.6 1.35 16.6 1.4 15.6 1.5 14 2.0 9.5 1.1.6 1.1.6 电压驻波分布 在各种反射系数下，电压驻波的分布如图（1-3）所示。驻波有若

21、干重要特性，归结如下： 1.驻波最大点或最小点之间的距离为g/2，电压的最大点对应于电流的最小点，反之，电压的最小 点对应于电流的最大点。 o 2.如终端开路，短路或为纯电抗，则沿线电压和电流间相角差为 90 ，如终端为一阻抗，则沿线的电 o 压电流之间的相角差不是 90 ， 而且沿途变化。 在最大点或最小点处， 电压电流同相， 输入电阻是纯电阻； 在电压最大处的输入电阻为最大电阻，电压最小点的电阻为最小电阻。 第 5 页 共 43 页 广东移动培训资料 图 1-3 在各种反射系数下的电压驻波分布 1.1.7 1.1.7 射频各种馈线 1）平行双线 第 6 页 共 43 页 广东移动培训资料

22、Z0= L1 = 276 C1 r lg 2 D d （? ） r 为介质的介电常数 趋肤效应显著； 辐射损耗增加； 支撑物损耗增加。 2）同轴线 Z0= 138 L1 = r C1 lg( b ) a (?) 同轴线封闭，无辐射 3）带状线，又称三板线、板线或介质夹层线 带状线的结构及场分布 4）同轴线向带状线演化 第 7 页 共 43 页 广东移动培训资料 5）微带线 微带线的结构及电磁场分布 这是一种非对称性双导体平面传输系统，它具有一个中心导体带条和一个接地板，可以看成是由平 行双线演变而来的，在双导体中间放一导体平面构成镜像，再去掉一根圆柱导体就变成微带线，如下图： 第 8 页 共

23、43 页 广东移动培训资料 1.1.8 1.1.8 从低频的集中参数的谐振回路向射频圆柱形谐振腔过渡 1.2 无线电频段和波段命名 无线电频谱可划分为如下 12 个频段 （见表 1.1）频率的单位是赫兹或周秒， 。 还可以使用千赫 （kHz） 、 兆赫（MHz） 、吉赫（GHz）表示。 表 1.1 无线电频段和波段命名 段 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 频 段 名 称 极低频（ELF） 超低频（SLF） 特低频（ULF） 甚低频（VLF） 低 中 高 频（LF） 频（MF） 频（HF） 频 率 范 围 （含上限、不含下限） 330 赫 30300 赫 3003000

24、 赫 330 千赫 30300 千赫 （Hz） （Hz） （Hz） （kHz） （kHz） 波 段 名 称 极长波 超长波 特长波 甚长波 长 中 短 米 波 波 波 波 波 长 范 围 （含下限、不含上限） 10010 兆米 101 兆米 (Mm) (Mm) 1000100 千米 (km) 10010 千米 101 千米 1000100 米 10010 米 101 米 101 分米 101 厘米 微波 101 毫米 101 丝米 (km) (km) (m) (m) (m) (dm) (cm) (mm) (dmm) 3003000 千赫 （kHz） 330 兆赫 （MHz） 甚高频（VHF）

25、特高频（UHF） 超高频（SHF） 极高频（EHF） 至高频 30300 兆赫 （MHz） 3003000 兆赫（MHz） 330 吉赫 （GHz） 分米波 厘米波 毫米波 丝米波 30300 吉赫 （GHz） 3003000 吉赫（GHz） 1.3 移动通信系统使用频段 ITU 以及各国家无线电主管部门为移动业务划分和分配了多个频段。考虑到无线电波传播的特点， 移动业务使用的频段主要都在 3GHz 以下。 确定移动通信工作频段可从以下几方面来考虑：电波传播特性；环境噪声及干扰的影响；服 务区范围、地形和障碍物影响以及建筑物的渗透性能；设备小型化；与已经开发的频段的干扰协调 和兼容性；用户需求

26、及应用的特点。根据 ITU 的规定，在 5GHz 以下，划分给陆地移动业务的主要频率 范围列于表 1.2。 表 1.2 ITU 5GHz 以下陆地移动通信的主要频率范围（MHz） 以下陆地移动通信的主要频率范围（ ） 第 9 页 共 43 页 广东移动培训资料 29.747 6874.8 138144 156.8375174 4750 （与广播共用） 75.287 148149.9 174223 （与广播共用） 5468 （与广播共用） 87.5100 （与广播共用） 150.05156.7625 223328.6 335.4399.9 470960 （与广播共用） 17002690 406.

27、1430 14271525 35004200 440470 1668.41690 44005000 我国移动通信使用频段的规划原则上参照国际的划分规划，如 我 国 正 在 大 量 使 用 的 150MHz、 350 MHz、450MHz、800MHz、900MHz，以及 1.8GHz 等频段。其中： 150MHz 频段 138MHz149.9MHz；150.05MHz167MHz 280MHz 频段 279MHz281MHz 450MHz 频段 403MHz420MHz；450MHz470MHz 800MHz 频段 806MHz821MHz/851MHz866MHz 821 MHz825 MH

28、z/866MHz870MHz 825MHz835MHz/870MHz880MHz 840MHz843MHz 900MHz 频段 885MHz915MHz/930MHz960MHz 915MHz917MHz （无线寻呼业务） （无线寻呼业务） （移动业务） （集群移动通信） （移动数据业务） （蜂窝移动通信） （无绳电话） （蜂窝移动业务） （无中心移动系统） 在民用的移动通信中，用于蜂窝移动通信使用的频段具体安排如下： 890909MHz 移动台发 中国移动 （GSM） 935954MHz 基站发，共 19MHz 909915MHz 移动台发 954960MHz 基站发，共 6MHz 中国联通

29、 （GSM） 数字 CDMA 系统频率安排如下： 中国联通 CDMA 825835MHz 移动台发 870880MHz 基站发，共 10MHz 1.8GHz 频段安排如下： 中国移动 GSM1800MHz 中国联通 17101725MHz 移动台发 18051820MHz 基站发（共 15MHz） 17451755MHz 移动台发 18401850MHz 基站发（共 10MHz） 第 10 页 共 43 页 广东移动培训资料 17101785MHz 移动台发 DSC1800MHz 18051880MHz 基站发 目前正趋于实用化的第三代移动通信，即 IMT-2000。其使用的核心频段为 188

30、52025MHz/21102200MHz 其中 19802010MHz/21702200MHz 为 IMT-2000 的卫星移动业务频段） （ 。 3GPP 规定 UTRA TDD 的频段（共 35MHz） ： （1）19001920MHz 20102025MHz （2）18501910MHz 19301990MHz （3）19101930MHz 3GPP 规定的 UTRA FDD 的频段（上下行各 60MHz） ： （1）19201980MHz 移动台发 21102170MHz 基站发 （2）18501910MHz 移动台发 19301990MHz 基站发。 为满足第三代（3G）蜂窝移动通信

31、技术和业务发展的需求，中国于 2002 年对 3G 系统使用的频谱 作出了如下规划： 第三代公众蜂窝移动通信系统的主要工作频段： 频分双工(FDD)方式：19201980 MHz / 21102170 MHz； 时分双工(TDD)方式：18801920MHz、20102025 MHz。 第三代公众蜂窝移动通信系统的补充工作频段： 频分双工(FDD)方式：17551785 MHz / 18501880 MHz； 时分双工(TDD)方式：23002400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务。 IMT-2000 的卫星移动通信系统工作频段：19802010 MHz / 21702200 MHz

32、。 目前已规划给公众蜂窝移动通信系统的 825835 MHz / 870880 MHz、885915 MHz / 930960 MHz 和 17101755 MHz / 18051850 MHz 频段等，同时规划作为第三代公众移动通信系统的演进扩展频 段。 此外，为满足铁路系统调度通信等业务发展需要，拟将 885889MHz（上行）和 930934MHz（下 行）作为 GSM-R（EGSM）系统使用的频段；为满足射频电子标签业务发展的需要，将 840845MHz 和 920925MHz 规划作为 RFID 使用的频段（试用） 。 第 11 页 共 43 页 广东移动培训资料 1.4 第一代移动

33、通信系统及其主要特点 近代的陆地移动通信系统，也称为蜂窝移动通信系统；自 80 年代起，已历经三代。第一代的主要特 点是利用模拟传输方式实现话音业务 模拟传输方式实现话音业务，以 AMPS（美国、南美洲） 、TACS（英国、中国）和 NMT（北欧） 模拟传输方式实现话音业务 为代表。主要商用时间从 80 年代初开始到 90 年代前期。 它的主要特点是： 模拟话音直接调频； 多信道共用和频分多址接入方式； 频率复用的蜂窝小区组网方式和越区切换； 无线信道的随机变参特征使无线电波受多径快衰落和阴影慢衰落的影响 环境噪声和多类电磁干扰的影响； 无法与固定网迅速向数字化推进相适应，数据业务很难开展；

34、安全保密性差，易被“窃听” ，易被“仿制烧号” 。 1.5 第二代移动通信系统及其主要特点 第二代蜂窝移动通信系统以数字传输方式实现话音和低速数据业务 数字传输方式实现话音和低速数据业务，以 GSM 为主, IS-95CDMA 为 数字传输方式实现话音和低速数据业务 辅。主要商用时间从 90 年代中期开始到现在。 它的主要特点是： 低速率话音编码技术和数字调制； 每载波多路、时分多址或码分多址接入； Rake 接收机和自适应均衡技术； 与固定网向数字化推进相适应，具有中低速数据承载业务能力； 先进的开放的技术规范（如 A 接口和 U 接口） ，有利于形成既竞争又相互促进的机制； 安全保密性强，

35、不易“窃听” ，不易“仿制” ； 有利于大规模集成。 1.6 第三代移动通信系统及其主要特点 第三代蜂窝移动通信系统以更高速的数据业务和更好的频谱利用率为目标 采用宽带 CDMA 为主流 以更高速的数据业务和更好的频谱利用率为目标， 以更高速的数据业务和更好的频谱利用率为目标 技术，目前已形成三种空中接口标准，即 WCDMA 、TD-SCDMA 和 CDMA2000。今后十年内将逐步 替代第二代系统而成为主流。 它的主要特点是： 新型的调制技术，包括多载波调制和可变速率调制技术； 高效的信道编译码技术， 除了沿用 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

36、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；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

37、，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

38、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

39、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 APPLICATION 2008年06月 133 2.1.2 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

40、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，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

41、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（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

42、 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

43、 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 134 SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION 2008年06月 受晶粒边界电阻和电容

44、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