氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系_图文

1、 中国科学: 技术科学 2011 年 第 41 卷 第8期 电子因热激活被界面能级释放越过势垒流入反偏压 侧 ZnO 晶粒产生的电流密度为 JEM: 流过的总电流密 度 J 正比于被界面能级俘获的电子数与从界面能级 释放的电子数之差 . 由于从界面能级释放的电子数 可以忽略 , 被界面能级俘获的电子实际上就是界面 电荷 , 也就是空间电荷的量 . 因此 , 也可以说 , 流过 的总电流密度 J 正比于空间电荷量. 从测试得到的电 流密度与空间电荷的关系来看 , 在小电流区空间电 荷与电流密度呈线性增长关系 , 理论分析与试验结 果相符合. 由上述分析可将小电流区空间电荷与 ZnO 的导 电机理

2、的关系总结如下: 在小电流区, ZnO 压敏电阻的伏安特性, 空间电 荷与场强及电流密度的关系均呈线性 ; 而晶界左右 两侧决定电子热激活能的肖特基势垒高度随外施电 压也呈线性变化 . 随外加电压 (场强 增加 , 左侧正偏 肖特基势垒减小 , 更多电子被晶界层的表面态捕获 , 导致晶界表面态浓度降低, 界面电荷增加. 上述这一 过程在试验中主要体现在由电子运动形成的电流与 外加电压呈线性关系 , 这与空间电荷与外加电压的 关系是一致的. 本文认为此时的电流是由热激活发射产生的电 流和隧道效应产生的电流共同构成 , 这可以与试验 现象相对应 . 空间电荷随场强的线性增加证明热激 活产生的电流存

3、在 , 而电流随场强的激增表明有隧 道电流出现. 因此此时电荷传输分为两步, 即电子从 ZnO 晶粒到晶界层界面为第一步 , 通过界面到达另 一个晶粒为第二步. 随着外施电压的增加, 当电场接 近击穿场强, 即接近中场强区时, 反偏压的右侧势垒 变窄, 电子从晶界层进入反偏压的右侧晶粒时, 不再 全部是因热激活发射引起 , 有部分电子由于隧道效 应通过较窄的势垒, 电场越接近击穿场强, 因隧道效 应进入右侧的电子就越多. 过渡区的非线性特性与空间电荷的关系总结如 下 : 空间电荷随场强的变化与伏安特性不具有一致 性, 当晶界层表面态较多时, 空间电荷随着场强的线 性增加证明了热电子激活产生的电

4、流 , 而电流随场 强的激增证明了隧道电流的存在 , 两种不同产生机 制电流的共存, 证明了过渡区的存在, 此时空间电荷 随电流的变化仍与伏安特性一致 , 都由线性向非线 性转变. 3.3 中电流区非线性特性与空间电荷的关系 3.2 过渡区非线性特性与空间电荷的关系 当由小电流区向中电流区过渡时, 试样 A, B, C 和 D 的空间电荷与电流密度的关系都由线性变成非 线性, 与伏安特性相一致. 而空间电荷与电场的关系 则表现出不同的趋势, 试样 A 的空间电荷与电场的 关系出现非线性; 而试样 B, C 和 D, 当伏安特性表现 出非线性时 , 空间电荷仍然随着场强的增加而线性 增加, 这种

5、不一致性证明了过渡区的存在. 试样 A 的空间电荷与电场呈非线性可认为是晶 界层的表面态已经基本被充满, 因此电场的增加不会 引起界面电荷的增加, 即空间电荷表现出饱和现象. 分析试样 B, C 和 D 的测试结果, 空间电荷仍随 场强的增加而线性增加 , 表明这时晶界层表面仍然 有足够的表面态存在 , 场强对势垒的影响仍呈线性 , 由电子热激活发射到晶界层引起的界面电荷增加仍 呈线性. 同时由伏安特性表现出的非线性, 说明电流 已经不与空间电荷呈成正比变化 , 从测试结果也可 以看到电流与空间电荷呈非线性关系. 可见, 此时的 电流不是只由热电子激活发射构成 , 而是有新的机 制发生. 由于

6、试验条件限制, 本文实际所测得的 ZnO 电 流最大为 10 mA, 由测试结果看, 试样 A 和 B 才刚刚 进入中电流区, 试样 C 和 D 可能还没进入中电流区, 因此中电流区的非线性特性与空间电荷的关系是由 试验结果推导的, 还有待于进一步的试验验证. 取 1 mA 电流下的电压(拐点电压, 假设 4 种试 样的晶粒都是均匀分布的 , 则可以计算出对应的每 个晶界的拐点电压. 以 A 为例: n= U D 1360 mm -1 = - 1 » 32; U = 1 mA » 1.74 V, d n 40.4 mm 其中 n 为晶界层个数, U1 mA 为 A 试样的

7、1 mA 电流对 应的电压, U 为每个晶界的拐点电压. 同样, 可以计算出 B, C 和 D 试样的晶界拐点电 压分别为 3.12, 3.24 和 1.93 V. 当作用于试样 A 的晶界电压为 1.74 V 时, 电子 就可以获得足够的能量撞击价带产生空穴 . 如图 10 所示 , 当电子束由于隧道效应从晶界进入反偏压侧 的导带时 , 一些电子将获得足够的能量 , 撞击价带 , 在反偏压侧靠近界面处的价带形成电子 - 空穴对 , 即 增大施加的电压使反偏压侧的导带 E C R 低于同侧 1133 王倩等: 氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系 量却呈饱和的趋势. 因此, 当施加电压超过

8、某一数值, 晶界界面能级中俘获的电子基本上不再依靠热激活 而穿越势垒形成传导电流. 4 结论 本文从空间电荷的角度对 ZnO 压敏电阻的导电 图 10 击穿区势垒模型18 特性进行了研究, 得到以下结论. 1 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. 2 在小电流区 , 空间电荷与场强 , 电流密度的 关系是呈线性增长的 , 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. 3 从小电流区接近向中电流区时 , 当晶界层表 面态充足时, 空间电荷随场强的变化仍线性增长的关 系 , 与伏安特性表现不一致 , 说明存在过渡区 , 而且 过渡区的电流是

9、由热电子激活和隧道电流共同构成. 4 在中电流区 , 由测试结果推导 , 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. 晶界势垒的价带 EVR 顶部的位置时, 就会在该价带顶 部附近生成空穴. 因为空穴具有正电荷 , 所以能中和界面能级的 负电荷, 使右侧耗尽层的宽度急剧减小, 使来自界面 能级的隧道电流进一步增大 , 引起非线性指数的增 加, 可以达到 50100. 由测试结果来看, 空间电荷在 中电流区略有减少, 这是由于没有深入中电流区, 所 以空间电荷的减少还不是很明显, 可以推测, 随着电 流的增大, 空间电荷会呈减小趋势, 当耗尽层减小为

10、零时, 空间电荷会基本消失. 进入中电场区 (击穿区 , 电流急剧增大 , 而电荷 参考文献 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Hu J, He J L, Chen Q H. High voltage gradient ZnO nonlinear resistor doped with rare-earth oxide. In: 8th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Bali, 2006. 963966 Da

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