氧化锌压敏电阻的老化机理教材

氧化锌压敏电阻的老化机理

1前言

从氧化锌压敏电组U-I特性、介电特性以及热激发电流仃SC),综述了压敏电阻宜流电压和交流电压作用引起的老化现象。

氧化锌压敏电阻的老化，归因于晶粒边界区耗尽层中填隙锌离子的扩散，由同时施加的电压和温度

引起的。当耗尽层中的填隙锌通过加热退火处理永久地扩展岀来，压敏电阻的稳左性得以改善。

2氧化锌压敏电阻的老化现象

2.1伏安特性曲线的老化现象

图1是对直径14mm,厚度1.8mm的氧化锌圧敏电阻的试验中得到的。图中分别列出直流和交流电压作用下伏安特性的老化现象［1-6.8］。

2.1.1直流电压作用下的老化

在直流电压的作用下，氧化锌压敏电阻的U-I曲线发生不对称变化，即在施加电压一段时间后，再

测量压敏电阻的U-I特性时，其非线性特性曲线发生不对称的变化，如图1(a)所示。试验时施加的电压梯度为95V/mm,温度为700加压后在测量压敏电阻的U-I特性表明，在同样的电压下，流过压敏电阻的电流将增加。不对称变化表现在：和老化试验电压极性相反的伏安特性(图1(a)左下角)的变化比极性一致的正方向特性(图1(a)右上角)的变化要大。随所施加电压和加压时间的增加，U-I 特性曲线的改变程度也加大。2.1.2交流电压作用下的老化

当施加交流电压一定时间后，氧化锌压敏电阻的U-I特性曲线发生对称变化，如图(l)b 所示。除了特性曲线的变化是对称的特点外，改变的趋势与施加直流电压的趋势相近。试验时所施加的交流电压梯度为65V/mm,温度为70°C。

试验还表明，不论是直流还是交流作用电压，老化试验后压敏电阻U-I特性在预击穿区(即低电场区域)的变化程度要比击穿区即(中电场区域)大得多。

2.2功率损耗和阻性电流的增加

在直流电压作用下对氧化锌压敏电阻进行加速老化试验，试验结果表明，与交流电压作用下压敏电阻一样，氧化锌压敏电阻的功率损耗和阻性电流在老化试验过程中明显增加［1, 4, 5］。

2.2.1功率损耗增加

对压敏电阻试品在加速老化后，在室温下测量英功率损耗与电压的关系曲线。图2表示试品在老化试验前后测试的结果。加速老化试验时的温度为135°C,施加直流的荷电率为0.85,试验时间为lOOh。和老化试验前的功耗特性曲线相比，试验后的功耗有明显增加, 即试验后功率损耗与电压的关系曲线发生了向左的移动。

2.2.2阻性电流增加

老化试验后阻性电流增加，以及压敏电阻整体电阻率逐渐下降。

QTSC=Kt n （1）

式中：K 一常数；

n 一指数，约为0.6。

从上式可知，QTSC随时间的变化是缓慢和连续的。考虑到老化可以在长达几百小时内连续发生，要陷阱中的电子显岀长达几百小时的响应时间是不可能的，只有离子迁移可以说明上述现象，这里的离子迁移发生在耗尽层区和ZnO-ZnO晶粒之间的晶界层区。

在95V/mm、343K、lh偏压后测左了经800C热处理2h试验的热激发电流TSC。图8实验结果用破折线表示。热处理后试样的TSC约为未处理试样TSC的1/5。说明热处理后的试样比未热处理的U-I曲线变化显著地小，表现出良好的耐受偏压稳泄性。

3.2离子扩散

在氧化锌压敏电阻耗尽层中，可能迁移的离子有填隙锌离子（）、格点上的锌离子（）格点上的氧离子（）和其他在锌格点上的替位（外来）离子（如8）・・・、（：0・・和1^门・・等）。Gupta 等通过对交流电压作用下填隙锌扩散过程的研究，提岀了填隙锌是占优势的迁移离子的证据[1, 2, 4].

根据承受交流电压作用的压敏电阻，其电流衰减方程和反向偏压一边的耗尽层中占优势的离子，在电场作用下向晶界方向迁移的离子扩散方程，可以求出离子扩散系数

（2）

式中：D 一离子扩散系数；

L 一耗尽层宽度；

T -电流衰减时间常数。

从测得的电流衰减曲线，可以求出时间常数若耗尽层宽度L=100nm,温度在100*C〜17CTC范围内,则按式（2）计算的扩散系数D=10-12-10-13 （cm2/s）a 表1列出了文献报导的离子扩散系数。从表中的数据可以看出，按式（2）计算的结果与文献中报导的填隙锌离子的扩散系数十分接近。

表1文献报导的离子扩散系数与用式（2）计算的

离子扩散系数的比较

扩散离子扩散系数（cm2/s）

格点上的锌离子DZn（L）10-42

格点上的氧离子Do（L）10-84

填隙锌离子DZn（i） 10-10〜10-12

按式（2）计算Di 10-12〜10-13

因此，可以认为填隙锌是氧化锌压敏电阻老化过程中起决定性作用的迁移禽子。

3.3填隙锌离子的来源

氧化锌的非化学计量特性，当加热时，特别是在氧气氛下，它可形成过剩的Zn施主，寄存在点阵的间隙位上，当冷却时在室温下''冻结”。填隙锌离子从锌颗粒内逐渐迁移到其边界，在耗尽层中被捕获的冻结填隙离子对压敏电阻的稳泄性是有害的，会引起压敏电阻老化

[2, 7]o基于这一概念，研究了压敏电阻的晶界缺陷模型(图10),与肖特基势垒能级

模型相似。

压敏电阻的不稳泄性是由于电场促使填隙锌在耗尽层中的扩散，继而通过与晶粒边界缺陷产生化学反

应的过程，结果导致随着时间延长势垒高度降低，泄漏电流增加。

由两种势垒成分构成一耗尽层：

(1)空间固定的正电荷离子构成的稳定成分。

(2)由移动的正电荷的填隙锌离子构成的亚稳定成分。热处理使填隙锌还原，提髙了稳定性。当耗尽层中的填隙锌通过加热退火处理永久性地扩散出来，表明压敏电阻的稳立性得以改善。

3.4肖特基势垒的变化

压敏电阻经直流负荷后U-I特性曲线的老化归因于肖特基势垒的变化。老化主要发生在预击穿区，预击穿区的热激发方程(热发射电流)[2, 4]是

(3)

式中：J —热发射电流；

e B —电子热激活能；

E 一电场强度；

B —常数：

Jo —常数；

K —波尔兹常数；

T 一绝对温度。

U-I特性曲线老化后一左电压下的电流增大。由上式可知，这种电流增大归因于＜1＞B的减小，所以上面所说肖特基势垒的变化就是指＜I)B的减小。

位于晶粒边界的肖特基势垒"B：

(4)

式中：e —电子电荷；

Ns —表而态密度；

£ 0 —真空介电常数；

Nd — ZnO晶粒中的施主浓度。

由上式看岀，Ns的减小或Nd的增加都可使＜1＞B下降，即晶界层或晶粒边界中负电荷(Ns)的减少、或者是耗尽层中正电荷(Nd)的增加都会导致＜I)B的下降，使J相对地增大，从而造成U-I特性曲线的老化。使Ns减少或使Nd增加的原因在于正、负离子在晶界层与晶粒的界面两侧的积累和离散。

由式(3)可知，泄漏电流是与势垒高度、外施电压及温度有关的。当外施电压和温度一左时，泄漏电流增加意味着势垒髙度的降低。图9所示根据老化前后，不同温度下的电压一电流特性求得的老化前后势垒高度随外施电压的变化。

从这些数拯可以看出，老化后势垒高度确实降低，并且势垒高度降低的程度随着外施电压的增加而增加。因此，可以认为老化后，压敏电阻片泄漏电流的增加完全是由于肖特基础势垒高度降低造成的。下面用图10具体地说明由离子迁移而引起起的这种离子的枳累和离散现象。

表2列出在直流负荷电压作用下，肖特基势垒的变化情况。

肖特基势垒髙度的减小是由于Ns的减小或在界面的负电荷引起：或者由于施主浓度的增加或者耗尽