第七章 敏感陶瓷
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压降更具有决定性作用。
7.2.3 ZnO压敏陶瓷的电导机理
（1）ZnO压敏电阻的I-V特性
（Ⅰ）预击穿区 （Ⅱ）击穿区 （Ⅲ）回升区
预击穿区（Ⅰ）是外加电压低于压敏电压时，高
非线性效应产生前，压敏电阻呈高阻特性，其电阻主
要来源于晶界；
当外加电压达到压敏电压处于击穿区（Ⅱ）时，
电阻随着电压的增加而急骤下降，晶界势垒逐渐被击
蜕变现象与施外电场的形式（交流、直流或脉冲） 不同而异。
有些科技工作者认为：离子迁移是导致ZnO压敏电阻 器蜕变的主要原因。
目前还不能完全消除蜕变。
通流容量（通流量）：
将满足V1mA下降要求的压敏电阻能承受的最大冲击电流 （按规定波形）称为压敏电阻的通流容量或者通流量。 压敏电阻的通流量与材料的化学成分、制造工艺及其 几何尺寸等因素有关。
7.2.4 压敏陶瓷材料、工艺与应用
7.2.4.1 新型压敏陶瓷材料
（1）籽晶法制ZnO低压压敏陶瓷
（2）TiO2压敏陶瓷
（3）SrTiO3压敏陶瓷
（1）籽晶法制ZnO低压压敏陶瓷
在ZnO压敏陶瓷的配料中加入一些大尺寸的ZnO晶粒 并均匀混合在陶瓷配料中，烧结时，这些大尺寸的ZnO 晶粒为籽晶，通过晶粒生长，获得晶粒很大、分布较 均匀的压敏陶瓷件。
随V迅速上升的电压大小的标志，该电压用V1mA表示，
称为压敏电压。
压敏电压是根据应用要求选择压敏电阻的重要参数
（3）材料常数C
（4）漏电流
压敏电阻器的线路、设备及仪器正常工作时,所流 过压敏电阻器的电流称为漏电流。 要使压敏电阻器可靠地工作，漏电流应尽可能小。 漏电流的大小与材料的组成、制造工艺、电压、温 度有关。
ZnO压敏陶瓷电阻的低压化途径主要是：
① 减小压敏电阻的厚度；
② 增大晶粒平均粒径；
③ 降低压敏陶瓷中每个粒界的压敏电压。
（2）TiO2压敏陶瓷
TiO2低压压敏电阻是以TiO2为主要成分，配料中 TiO2为95%以上的锐钛矿型TiO2粉，其他少量加入物 Ba(NO3)2和Nb(HC2O4)5。
TiO2系压敏电阻陶瓷的特点是生产工艺比较简单、 成本低，通流能力和电容量都高于ZnO，最突出的特点
杂质对电导率的影响与杂
质种类和在基质中的位置
有关，还与烧结气氛有关。
（4）工艺条件对ZnO压敏电阻的性能影响
使用粉磨设备进行配料的混合磨细，经过喷雾造粒、
干压成型，然后在空气气氛中烧成。
（5）ZnO压敏半导体瓷的组成
ZnO压敏半导体瓷的相组成与其化学组成、工艺条件 有关。含Bi的ZnO压敏电阻瓷（简称Bi系）中主要由ZnO、 尖晶石和Bi组成。
目前应用最广、性能最好的陶瓷压敏
电阻是ZnO半导体陶瓷压敏电阻。
7.2.1压敏半导体陶瓷的基本参数
（1）陶瓷压敏电阻的I-V特性
在某一非临界电压以下， 压敏陶瓷电阻值非常高， 几乎没有电流。但当超过 这一临界电压时，电阻急 剧变化，并有电流通过。 随着电压的少许增加，电 流会很快增大。
图中：
小电流区（Ⅰ）称为预击
是低压化比较容易实现，故成为低压压敏电阻器中性
能较好的一种。
（3）SrTiO3压敏陶瓷
压敏电阻的应用
电子设备的过电压保护 交流输出线路的防雷保护 直流电源供电线路的防雷保护
整流设备中的操作过电压保护
继电器的触点及线圈的保护 晶体管的过压保护
7.2.4.2 压敏电阻在稳压方面的应用
参考文献
[1]徐翠艳,王文新,李成.半导体陶瓷的研究现状与
发展前景[J].辽宁工学院学报 ,2005(4):247~249.
[2]王先龙.ZnO压敏陶瓷材料的最新研究进展[J].佛 山陶瓷，2016（7）:39~41.
子，其推动力是热。
（2）显微结构特点
ZnO压敏陶瓷
由ZnO晶粒和包围它的三维富Bi相等固溶体骨架构 成，简称晶界相。
ZnO压敏电阻特性取决于半导体晶粒、晶界和晶界 层结构。
（3）杂质对电导率的影响
（4）晶界势垒模型
肖特基势垒
指具有整流特性的金属-半导体接触，就如同二极 管具有Fra Baidu bibliotek流特性。是金属-半导体边界上形成的具有整 流作用的区域。
第七章 敏感陶瓷
7.2 压敏陶瓷
班级：无机/2014 姓名：尤谍 学号: 联系电话： 时间：2017年 10 月
日
主要内容：
压敏半导体陶瓷的基本参数 ZnO压敏半导体陶瓷
ZnO压敏陶瓷的电导机理
压敏陶瓷材料、工艺与应用
压敏陶瓷是指其电阻值与外加电压值呈 显著的非直线性关系的一类半导体陶瓷。
穿
压敏电阻在预击穿区（Ⅰ）和击穿区（Ⅱ）的特性 受ZnO半导体陶瓷中晶界特性的控制； 压敏电阻在回升区（Ⅲ）的特性受晶粒特性控制。
热电子发射
加热金属使其中的大量电子克服表面势垒而逸出的
现象与气体分子相似，金属内自由电子作无规则的
热运动，其速率有一定的分布。
在反向偏压下，向势垒右边流动的电子有从左面 ZnO晶粒导带中逸出的电子和晶界处陷落电子逸出的电
穿区
中电流区（Ⅱ）称为击穿 区 击穿区具有很高非线性， 在击穿区以下更小的范围 内I-V特性是欧姆特性。
图7-71 ZnO压敏电阻的I-V特性
在击穿区，由于导
电机构取决于隧道
效应，受温度影响
较小。
电压V(V)
图7-72 ZnO压敏电阻在不同温度下的I-V特性
（2）非线性系数
结论：
通常取压敏电阻的电流为1mA时所对应的电压作为I
（7）残压比
7.2.2 ZnO 压敏半导体陶瓷
（1）ZnO的晶体结构
（2）ZnO的能带结构及缺陷
ZnO是n型半导体，也称为电子型半导体。N型半导
体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体，以 电子导电为主的半导体。 ZnO晶体中的点缺陷主要是弗仑克尔缺陷，而不是
肖特基缺陷
ZnO半导体陶瓷的电导率受杂质的影响很大，采取 掺杂金属氧化物的方法提高材料的性能是常用的方法。 ZnO半导体陶瓷的电导率与杂质种类、杂质在基质 中所处的位置和含量、烧结时的气氛有关。 掺杂可提高ZnO压敏电阻性能稳定和非线性系数。
（5）电压温度系数
压敏电阻的压敏电压随温度升高而下降，电压温度 系数是衡量其温度特性的参数。
在规定的温度范围和零功率条件下，温度每变化1℃ 压敏电压的相对变化率称为压敏电阻的电压温度系 数。
（6）压敏电阻的蜕变和通流量
蜕变指元件在电应力、热应力和压应力等外加应力 作用下，性能逐渐恶化的现象。
相(phase)的定义是：
系统中物理性质及化学性质均匀的部分。 相，可由纯物质组成也可由混合物和溶体组成，可 以是气、液、固等不同形式的聚集态，相与相之间 有分界面存在。
ZnO压敏陶瓷的非线性是由晶界和ZnO晶粒共同作用
的结果，而ZnO晶粒I-V特性的影响、尤其在大电流情
况下是不可忽视的，即在某种意义上说ZnO晶粒上的电
压敏电阻器经过长期交、直流负荷或高浪涌电流负 荷的冲击引起蜕变后I-V特性变差，使预击穿区的IV特性曲线向高电流方向移动，因而漏电流上升，压 敏电压下降。
蜕变发生在线性区和预击穿区，对击穿电压以上的 特性无影响。
蜕变使压敏电阻的漏电流增大，压敏电压下降；随 着负荷时间的增加，蜕变效果加剧。
7.2.3 ZnO压敏陶瓷的电导机理
（1）ZnO压敏电阻的I-V特性
（Ⅰ）预击穿区 （Ⅱ）击穿区 （Ⅲ）回升区
预击穿区（Ⅰ）是外加电压低于压敏电压时，高
非线性效应产生前，压敏电阻呈高阻特性，其电阻主
要来源于晶界；
当外加电压达到压敏电压处于击穿区（Ⅱ）时，
电阻随着电压的增加而急骤下降，晶界势垒逐渐被击
蜕变现象与施外电场的形式（交流、直流或脉冲） 不同而异。
有些科技工作者认为：离子迁移是导致ZnO压敏电阻 器蜕变的主要原因。
目前还不能完全消除蜕变。
通流容量（通流量）：
将满足V1mA下降要求的压敏电阻能承受的最大冲击电流 （按规定波形）称为压敏电阻的通流容量或者通流量。 压敏电阻的通流量与材料的化学成分、制造工艺及其 几何尺寸等因素有关。
7.2.4 压敏陶瓷材料、工艺与应用
7.2.4.1 新型压敏陶瓷材料
（1）籽晶法制ZnO低压压敏陶瓷
（2）TiO2压敏陶瓷
（3）SrTiO3压敏陶瓷
（1）籽晶法制ZnO低压压敏陶瓷
在ZnO压敏陶瓷的配料中加入一些大尺寸的ZnO晶粒 并均匀混合在陶瓷配料中，烧结时，这些大尺寸的ZnO 晶粒为籽晶，通过晶粒生长，获得晶粒很大、分布较 均匀的压敏陶瓷件。
随V迅速上升的电压大小的标志，该电压用V1mA表示，
称为压敏电压。
压敏电压是根据应用要求选择压敏电阻的重要参数
（3）材料常数C
（4）漏电流
压敏电阻器的线路、设备及仪器正常工作时,所流 过压敏电阻器的电流称为漏电流。 要使压敏电阻器可靠地工作，漏电流应尽可能小。 漏电流的大小与材料的组成、制造工艺、电压、温 度有关。
ZnO压敏陶瓷电阻的低压化途径主要是：
① 减小压敏电阻的厚度；
② 增大晶粒平均粒径；
③ 降低压敏陶瓷中每个粒界的压敏电压。
（2）TiO2压敏陶瓷
TiO2低压压敏电阻是以TiO2为主要成分，配料中 TiO2为95%以上的锐钛矿型TiO2粉，其他少量加入物 Ba(NO3)2和Nb(HC2O4)5。
TiO2系压敏电阻陶瓷的特点是生产工艺比较简单、 成本低，通流能力和电容量都高于ZnO，最突出的特点
杂质对电导率的影响与杂
质种类和在基质中的位置
有关，还与烧结气氛有关。
（4）工艺条件对ZnO压敏电阻的性能影响
使用粉磨设备进行配料的混合磨细，经过喷雾造粒、
干压成型，然后在空气气氛中烧成。
（5）ZnO压敏半导体瓷的组成
ZnO压敏半导体瓷的相组成与其化学组成、工艺条件 有关。含Bi的ZnO压敏电阻瓷（简称Bi系）中主要由ZnO、 尖晶石和Bi组成。
目前应用最广、性能最好的陶瓷压敏
电阻是ZnO半导体陶瓷压敏电阻。
7.2.1压敏半导体陶瓷的基本参数
（1）陶瓷压敏电阻的I-V特性
在某一非临界电压以下， 压敏陶瓷电阻值非常高， 几乎没有电流。但当超过 这一临界电压时，电阻急 剧变化，并有电流通过。 随着电压的少许增加，电 流会很快增大。
图中：
小电流区（Ⅰ）称为预击
是低压化比较容易实现，故成为低压压敏电阻器中性
能较好的一种。
（3）SrTiO3压敏陶瓷
压敏电阻的应用
电子设备的过电压保护 交流输出线路的防雷保护 直流电源供电线路的防雷保护
整流设备中的操作过电压保护
继电器的触点及线圈的保护 晶体管的过压保护
7.2.4.2 压敏电阻在稳压方面的应用
参考文献
[1]徐翠艳,王文新,李成.半导体陶瓷的研究现状与
发展前景[J].辽宁工学院学报 ,2005(4):247~249.
[2]王先龙.ZnO压敏陶瓷材料的最新研究进展[J].佛 山陶瓷，2016（7）:39~41.
子，其推动力是热。
（2）显微结构特点
ZnO压敏陶瓷
由ZnO晶粒和包围它的三维富Bi相等固溶体骨架构 成，简称晶界相。
ZnO压敏电阻特性取决于半导体晶粒、晶界和晶界 层结构。
（3）杂质对电导率的影响
（4）晶界势垒模型
肖特基势垒
指具有整流特性的金属-半导体接触，就如同二极 管具有Fra Baidu bibliotek流特性。是金属-半导体边界上形成的具有整 流作用的区域。
第七章 敏感陶瓷
7.2 压敏陶瓷
班级：无机/2014 姓名：尤谍 学号: 联系电话： 时间：2017年 10 月
日
主要内容：
压敏半导体陶瓷的基本参数 ZnO压敏半导体陶瓷
ZnO压敏陶瓷的电导机理
压敏陶瓷材料、工艺与应用
压敏陶瓷是指其电阻值与外加电压值呈 显著的非直线性关系的一类半导体陶瓷。
穿
压敏电阻在预击穿区（Ⅰ）和击穿区（Ⅱ）的特性 受ZnO半导体陶瓷中晶界特性的控制； 压敏电阻在回升区（Ⅲ）的特性受晶粒特性控制。
热电子发射
加热金属使其中的大量电子克服表面势垒而逸出的
现象与气体分子相似，金属内自由电子作无规则的
热运动，其速率有一定的分布。
在反向偏压下，向势垒右边流动的电子有从左面 ZnO晶粒导带中逸出的电子和晶界处陷落电子逸出的电
穿区
中电流区（Ⅱ）称为击穿 区 击穿区具有很高非线性， 在击穿区以下更小的范围 内I-V特性是欧姆特性。
图7-71 ZnO压敏电阻的I-V特性
在击穿区，由于导
电机构取决于隧道
效应，受温度影响
较小。
电压V(V)
图7-72 ZnO压敏电阻在不同温度下的I-V特性
（2）非线性系数
结论：
通常取压敏电阻的电流为1mA时所对应的电压作为I
（7）残压比
7.2.2 ZnO 压敏半导体陶瓷
（1）ZnO的晶体结构
（2）ZnO的能带结构及缺陷
ZnO是n型半导体，也称为电子型半导体。N型半导
体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体，以 电子导电为主的半导体。 ZnO晶体中的点缺陷主要是弗仑克尔缺陷，而不是
肖特基缺陷
ZnO半导体陶瓷的电导率受杂质的影响很大，采取 掺杂金属氧化物的方法提高材料的性能是常用的方法。 ZnO半导体陶瓷的电导率与杂质种类、杂质在基质 中所处的位置和含量、烧结时的气氛有关。 掺杂可提高ZnO压敏电阻性能稳定和非线性系数。
（5）电压温度系数
压敏电阻的压敏电压随温度升高而下降，电压温度 系数是衡量其温度特性的参数。
在规定的温度范围和零功率条件下，温度每变化1℃ 压敏电压的相对变化率称为压敏电阻的电压温度系 数。
（6）压敏电阻的蜕变和通流量
蜕变指元件在电应力、热应力和压应力等外加应力 作用下，性能逐渐恶化的现象。
相(phase)的定义是：
系统中物理性质及化学性质均匀的部分。 相，可由纯物质组成也可由混合物和溶体组成，可 以是气、液、固等不同形式的聚集态，相与相之间 有分界面存在。
ZnO压敏陶瓷的非线性是由晶界和ZnO晶粒共同作用
的结果，而ZnO晶粒I-V特性的影响、尤其在大电流情
况下是不可忽视的，即在某种意义上说ZnO晶粒上的电
压敏电阻器经过长期交、直流负荷或高浪涌电流负 荷的冲击引起蜕变后I-V特性变差，使预击穿区的IV特性曲线向高电流方向移动，因而漏电流上升，压 敏电压下降。
蜕变发生在线性区和预击穿区，对击穿电压以上的 特性无影响。
蜕变使压敏电阻的漏电流增大，压敏电压下降；随 着负荷时间的增加，蜕变效果加剧。