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ZnO压敏电阻基本特性微观结构
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Zn0压敏电阻的基本特性与微观结构
BasiccharacteristicandmicrostructureofZnOvaristors
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，主要功能是辨別和限制瞬态过电压，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，主要功能是识別和限制瞬态过电压，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一U特性很象两个背对背的二极管。
圧敏电阻能用于交流和直流电场，电压范用从几伏到几千伏，电流范用从亳安到几千安。
压敏电阻还附加有高能量吸收能力的特性，范囤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女口：
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，这一边界特性决泄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圧•敏电阻的基本特性
2.1ZnO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1-U特性，如图1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（VI0-4A/cm2）,I-U特性是欧姆性的，左义为预击穿区。
对于给左的工作电压，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（IC）和电阻电流（IR）合成，并且是由ZnO的晶粒边界决定的。
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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6一7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ZnO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I-U曲线越陡，器件就越好。
发现添加Bi2O3基本上形成非欧姆特性。
但是添加像Co2O3和MnO2过渡氧化物也能增强非线性。
同样，像Bi2O3、Sb2O3、Co3O4、MnO2和SiO2等组合成多元掺杂剂能比用单一掺杂剂大大增加苴非线性。
同样，增加掺杂剂浓度至某一最佳量也显示出增加苴非线性行为。
（Zni、Zni）和外来原子（DZn和Di'）,DZn和Di'分别代表所有外来的施主和受主原子（D可以是Bi、Sb等）。
根据对Zn0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。
它表明一个髙的施主杂质（DZn=1018cm—3）,当从烧结温度冷却时，晶粒边界变得富集锌空位［VZn］（受主）而缺少氧空位［Vo］（施主）（见图2）。
这种掺杂产生了晶粒边界处锌空位［VZn］过剩和氧空位［Vo］的不足，这种情况提高了势垒（势垒髙度<1>0.7eV）,同时有效地消除了在晶粒边界处分离界而层的需要。
2.1.3大电流翻转区
在大电流区域（>103A/cm2）,I-U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ZnO微结构中晶粒电阻的控制。
于是添加已知能控制ZnO晶粒电阻的掺杂剂（如A1、Ga等），其结果对大电流翻转特性有很大影响。
为了表征ZnO压敏电阻，希望测泄全部三个区的1一U特性。
但由于所涉及的电流范帀宽，对所有区域不可能使用相同的测试工艺。
通常对小于100mA/cm2的I-U特性是用直流或50IIz的交流测定,对大于lA/cm2的I一U特性用具有上升峰值时间为8ns的典型波形和20us的半峰值衰减时间的脉冲电流（即所说的8X20us波形）测定。
2.2ZnO压敏电阻的物理特性
ZnO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ZnO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）是由晶界而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2纯的和非本征掺杂ZnO晶粒边界区氧空位和锌空位浓度部而
3ZnO压敏电阻的微观结构
3.1多种的相组成
ZnO压敏电阻的微观结构分析发现，形成的四个主要成分是ZnO、尖晶石、焦绿石和一些富Bi相（图3）。
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。
ZnO压敏电阻的典型晶粒尺寸在15和20um之间，并且也总是伴有双晶°SiO2的存在抑制晶粒生长，而TiO2和BaO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，而尖晶石相在髙温时有利。
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ZnO晶粒是ZnO压敏电阻的基本构成单
2.3ZnO压敏电阻的化学特性
纯ZnO是具有线性1-U特性的非化学计量n型半导体。
进入ZnO中的各种添加物使其具有非线性。
这些氧化物中主要是Bi203。
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（VZnJVZn"）、氧空位（VO、V0）、填隙锌
•••
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受晶粒边界电阻和电容控制。
（2）在I一U曲线为一端，大电流线性区（V10-3A/cm2）,被验证是受晶粒的电阻控制的。
（3）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
ZnO压敏电阻势垒电势（Ugb）U=UgbNgt（V）
（1）E0.5=U/t（V/cm）
（2）式中U-非线性电压Ng—每厘M的晶粒数t一每厘M的边界厚度这样，压敏电阻的晶粒（GS）
图3各种晶相组成的ZnO压敏电阻的微观结构成分
Ng（GS）-1
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髙阻抗（Pgb1012Q•cm）,而晶粒的中间具有高电导（Po〜1~10Q•cm）。
从图1给出的1-U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4给出了微观结构和电特性略图。
图4（a）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4（b）]发生在=50_100nm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ZnO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，跨在晶粒边界上岀现一电压降。
这被称作势垒电势，一般是^2~4V/（每晶粒边界
3.2.1等效电路
在图4（c）所示的等效电路中，这一电路由一个电阻（R）和一个电容（C）分虽组成。
当在预击穿区给ZnO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呈:
组成。
图4微观结构和电特性略图（a）耗尽层处的电阻剖而；
3.2.2微观结构和电特性关系
（1）小电流击穿前线性区域（VI0-4A/cm2）,被验证是
（b）晶粒与晶粒边界处的电阻曲线：
（c）晶粒边界处的等效电路。
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E0.5是作为在0.5mA/cm2时记录的击穿电压的度呈:
，是人为选择的（见图1）。
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，苴值随晶粒尺寸的增大而提髙。
表观晶粒边界电容为每晶粒边界0.18uF/cm2。
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）,1817*1840[2]JanHarloff,D.Bonnell.PhysicalPropertiesofCeramics（ZincOxideVaristor）[doctoralthesis].1995[3_MattiasElfwing.ComprehensiveSummariesofUppsalaDissertationsfromtheFacultyofScienceandTechnology686,ACTAuniversitiesUPSALIENSISUPPSALA2002[4]莫以豪，李标荣，周国良.半导体陶瓷及英敏感元件.上海:
上海科学技术出版社1983年10月
4结论
ZnO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。
ZnO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，决立了ZnO压敏电阻的许多性质，是ZnO压敏电阻的基础。
微观结构分析给ZnO压敏电阻的特性分析提供依
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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讣，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、截而尺寸、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«X）,则线元上都分布有一左大小的电阻Rldz和电感Lldzo此线元间都分布有一泄大小的电容Cldz和电导Gldz。
在此无限小线元上，我们可以把它看成一集中参数电路，英集中电阻、电感、电容和电导，分別为Rldz,Lldz,Cldz和Gldz,可用I•形网络来等效（也可用T形或兀形网络来等效）,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（R1二O,G1二0），其等效电路，如图1-2（c）所示。
EgdzZ1
Rg
Eg
Rldz
Lldz
Rg
Gldz
Cldz
Z1
（a）
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（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；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r=
ZL?
Z0反射点的反射电压二？
1二？
1,电压反射系数卩二ZL+Z0反射点的入射电压
Vmax1+T==oo（无穷大）Vmin1?
r
即电压驻波比VSWR=
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无耗短路线的驻波特性
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+r电压反射系数「二1,即电压驻波比YSWR二Vmax二二~（无穷大）Vmin1?
r
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r二0,
即电压驻波比VSWR=Vmax1+T==1.为行波状态。
Vmin1?
F
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1.1.5射频传输线终端不完全匹配
当射频传输线阻抗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电压驻波比VSWR二Vmax1+r==V.（工程时控制在1~1.5之间）。
Vmin1?
r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RL=201gV+1（dB）。
.V-1
1.221
1.2519
1.317.6
1.3516.6
1.415.6
1.514
2.09.5
1.1.61.1.6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Xg/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。
。
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。
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图1-3在各种反射系数「下的电压驻波分布
1.1.71.1.7射频各种馈线
1）平行双线
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Z0二
L1二276Cl£r
lg2D
d
（?
）
£r为介质的介电常数
①趋肤效应显著：
②辐射损耗增加；③支撑物损耗增加。
2）同轴线
Z0二
138LI=erCl
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
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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而传输系统，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：
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1.1.81.1.8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123456789101112频段冬称极低频（ELF）超低频（SLF）特低频（ULF）甚低频（VLF）低中高频（LF）频（MF）频（HF）频率范用（含上限、不含下限）3'30赫30'300赫300~3000赫3~30千赫30、300千赫（Hz）（Hz）（Hz）（kHz）（kHz）波段名称极长波超长波特长波甚长波长中短M波波波波波长范围（含下限、不含上限）lOO'lO兆M10~1兆H（Mm）（Mm）
1000^100千M（km）100^10千M10~1千M1000^100M100、10M10~1M10^1分M10“1厘M微波10、1亳M10^1丝H（km）（km）（m）（m）（m）（dm）（cm）（mm）（dmm）
300^3000千赫（kHz）3~30兆赫（MHz）
甚高频（¥HF）特高频（UHF）超髙频（SHF）极髙频（EHF）至高频
30、300兆赫（MHz）300^3000兆赫（MHz）3~30吉赫（GHz）
分M波厘M波亳M波纟幺M波
30~300吉赫（GHz）300^3000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。
确左移动通信工作频段可从以下几方而来考虑：
①电波传播特性：
②环境噪声及「扰的影响：
③服务区范伟1、地形和障碍物影响以及建筑物的渗透性能：
④设备小型化：
⑤与已经开发的频段的干扰协调和兼容性：
⑥用户需求及应用的特点。
根据ITU的规立，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1.2ITU5GHz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（）
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29.7〜4768〜74.8138〜144156.8375〜174
47〜50（与广播共用）75.2〜87148〜149.9174〜223（与广播共用）
54〜68（与广播共用）87.5〜100（与广播共用）150.05〜156.7625223-328.6
335.4〜399.9470〜960（与广播共用）1700〜2690
406.1〜4301427〜15253500〜4200
440〜4701668.4〜16904400〜5000
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、350MHz、450MHz、800MHz.900MHz,以及1・8GHz等频段。
其中：
150MHz频段138MHz~149・9MHz：
150.05MHz"167MHz280MHz频段279MHz"281MHz450MHz频段403MHz~420MHz：
450MHz~470MHz800MHz频段806MHz^82lMHz/85lMHz^866MHz821MHz~825MHz/866MHz、870MHz825MHz、835MHz/870MHz~880MHz840MHz~843MHz900MHz频段
885MHz~915MHz/930MHz为60MHz915MHz为17MHz（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：
890~909MHz移动台发
中国移动（GSM）
935为54MHz基站发，共19MHz909~915MHz移动台发954“960MHz基站发，共6MHz
中国联通（GSM）
数字CDMA系统频率安排如下：
中国联通CDMA
825~835MHz移动台发870~880MHz基站发，共10MHz
1.8GHz频段安排如下：
中国移动GSM1800MHz中国联通
1710"1725MHz移动台发1805~1820MHz基站发（共15MHz）1745~1755MHz移动台发1840~1850MHz基站发（共10MHz）
第10页共43页广东移动培训资料1710"1785MHz移动台发DSC1800MHz
1805"1880MHz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1885~2025MHz/2110~2200MHz其中1980~2010MHz/2170~2200MHz为IMT-2000的卫星移动业务频段）（。
3GPP规泄UTRATDD的频段（共35MHz）:
（1）1900"1920MHz2010^2025MHz
（2）1850~1910MHz1930~1990MHz（3）1910~1930MHz3GPP规定的UTRAFDD的频段（上下行各60MHz）:
（1）1920~1980MHz移动台发2110^2170MHz基站发
（2）1850~1910MHz
移动台发1930~1990MHz基站发。
为满足第三代（3G）蜂窝移动通信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：
①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：
1920^1980MHz/2110^2170MHz：
时分双工（TDD）方式：
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