氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系

ZnO 压敏电阻 电声脉冲(PEA)法 空间电荷 双肖特基势垒
由于具有优异的非线性 V-I 特性和大的通流容量, ZnO 压敏电阻被 广泛应用于电力系统 , 通讯设备 , 家用电器和建筑物的雷电防护等领域[1, 2]. ZnO 压敏电阻以 ZnO 为主体, 添加 Bi2O3, MnO2, Co2O3, Cr2O3, Sb2O3 及 SiO2 等利用传统的陶瓷工艺高 温烧结而成[3]. 目前已提出了多个 ZnO 压敏电阻导电 机理的理论模型[4, 5]. 1971 年 Matsuoka 提出了空间电 荷限制电流导电模型[6], 该模型认为 ZnO 压敏电阻的 非线性起源于高阻晶界层 , 认为晶界层中的陷阱充 满电子后 , 电流就会急剧上升而形成非线性 , 该模
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多都是基于双肖特基势垒模型展开的 [11], 但一直没 有形成统一的理论, 造成这方面研究欠缺的主要原因 是缺乏一个能直接将导电机理和材料本身组成以及它 的微观结构联系起来的桥梁. 电荷的定向移动形成电流 . 对于材料内部电荷 特性的研究是揭示材料导电机理的有效途径 , 空间 电荷为材料研究提供了一个新的手段. 近年来, 已经 开展了大量的电介质材料空间电荷特性的研究[12, 13], 研究工作主要集中在聚乙烯(PE)和硅橡胶等材料. 研 究发现, 空间电荷的存在, 转移和消失会直接导致材 料内部电场的畸变, 使得局部电场被削弱或加强, 从 而对绝缘材料的电导, 击穿破坏, 老化等等产生强烈 的影响[14~16]. 因此空间电荷为研究 ZnO 压敏电阻的 导电机理提供了一个新的角度.
英文版发表信息:
Wang Q, Tu Y P, Ding L J, et al. Relationship between space charge and nonlinear characteristics of ZnO varistor. Sci China Tech Sci, 2011, 54: 17711778, doi: 10.1007/s11431-011-4413-1
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王倩等: 氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系
图2 表1
ZnO 压敏电阻的 V-I 特性曲线
不同试样的电气参数
Sample A B C D Voltage gradient (V/mm) 55.67 234.144 375.69 299.708 Leakage current (A) 13.0 1.0 0.8 0.9
摘要
为了从微观角度解释 ZnO 压敏电阻的导电机理, 利用电声脉冲(PEA)法, 对 4
关键词
种 ZnO 压敏电阻试样在不同电流密度下的空间电荷分布特性进行了试验. 研究结果表 明, 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. 在小电流区, 空间电荷与场强和电流密度呈线性关系, 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. 小电流区到中电流区存在过渡区, 过渡区的 电流是由热电子激活和隧道电流共同构成. 在中电流区, 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.
1.2
试验方案
1
1.1
试验系统和试验方案
试验系统及原理
空间电荷测试系统基于电声脉冲技术 , 主要由 直流高压电源, 脉冲发生器, 电极系统, 前置放大器, 示波器和计算机等组成, 如图 1 所示. 其原理是: 假 设试样中存在空间电荷 . 在试样两端施加高压窄脉 冲, 此脉冲在试样中产生脉冲电场力, 在脉冲电场力 的作用下, 试样中的空间电荷产生振动, 振动以声波 的形式向外传播 , 声波幅值的大小反映了电荷量的 大小. 声波到达 PVDF(聚偏二氟乙烯)压电传感器的 时间反映了空间电荷出现的位置. 因此, 经过压电传 感器接收到的电压信号就是包含试样中空间电荷量 的大小及位置的信号[17]. 计算机通过 GPIB 采集卡
隧穿模型, 该模型认为 ZnO 压敏电阻内靠近晶界层的 耗尽层是低压下导电的主要势垒, ZnO 的电击穿与
晶界层的薄弱区域的陷阱有关 . 该模型可以解释 伏安特性曲线的温度依赖性以及添加物的效应 , 但不能很好地解释 ZnO 压敏电阻的导电过程. 1978 年 , Eda[9]提出了双肖特 基势垒 , 即晶界处存在两个 背靠背的肖特基势垒, 低压下热离子发射导电, 高压 下为场致发射. 该模型可以很好解释 ZnO 压敏电阻 的伏安特性及其导电过程. 1979 年, Mahan 在双肖特 基模型的基础上提出了二步传输模型 , 即肖特基－ 晶界层 — 肖特基势垒模型 [10]. 认为电子的传输总是 通过最薄弱处的晶界层, 通过隧穿作用而传输的, 采 用该模型定量估算了 V-I 曲线. 但是, 该模型不能阐 明各种添加剂在成型和优化晶界势垒方面的作用. 可以看出 , 基于晶界层是高阻层的理论是不尽 科学的 , 因为晶界层本身就很薄 , 只有 0.02 m. 自 1978 年以来, 关于 ZnO 压敏电阻导电机理的研究大
(a) -J 和 V-I; (b) -E 和 V-I
图7
试样 D 的曲线对比图
(a) -J 和 V-I ; (b) -E 和 V-I
增长激增, 试样 A 在相同的电场下, -E 曲线出现饱 和 , 而其他 3 种试样 -E 仍然呈线性增加 .
设试样面积为 S, 试样厚度为 D, 为测试得到的 下表面电荷密度, 则电极下表面的电荷量为
电压为 0.75 U 1mA 时通过 ZnO 压敏电阻的电流 . 从表 1 和图 2 中可以看出 , 在低电压区试样具 有很好的 V-I 特性 , 4 种试样中 A 的电位梯度最小 , 其次是 B 和 D, 最后是 C. 泄漏电流的变化趋势与 电位梯度正好相反 .
2.2
空间电荷测试结果
利用 PEA 法空间电荷测试系统对所有试样进行 了测量, 图 3 所示为试样 A 沿厚度方向的空间电荷分 布图. 11 个电流下的空间电荷分布趋势是一致的, 为 了清楚看出空间电荷随电流的变化, 图 3 中显示的是
Q s D.
(1)
3
3.1
分析讨论
小电流区非线性特性与空间电荷的关系
又有 C=Q/U, U E D , 得 ZnO 压敏压敏电阻 试样的电容为
Q . (2) ED 按照(2)式, 可计算得到 ZnO 试样电容随场强变 化的规律, 如图 8 所示. C
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在小电流区, 4 种试样的伏安特性, 空间电荷与 电流密度的关系 , 空间电荷与电场强度的关系都具 有线性特性.
本文所用试样是某厂家提供的电压梯度不同的 4 种样品, 4 种试样 A, B, C 和 D 的配方不同, 但烧结 工艺是一致的, 采用普通的 ZnO 压敏电阻烧结工艺. 试样直径均为 10 mm, 厚度除了试样 A 是 1.36 mm 外, 其他 3 种试样均为 1.26 mm. 采用 PEA 空间电荷测试系统对 4 种试样进行测 试. 因为不同的 ZnO 压敏电阻具有不同的电位梯度, 为了保证试验条件一致, 以电流为基准进行测量, 即 施加电压至通过试样的电流为预设值时 , 测量试样 的空间电荷分布. 在 0.01~10 mA 的电流范围选取 11 个电流值进行 测试, 分别为 0.01, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1, 3, 5, 和 10 mA. 每个测量点加压 10 min 采集空间电荷波形, 每个测量点测量完成后, 将电压回零, 间隔 3 min 进 行下一个测量点的测量, 直至测量完成. 在测试时 , 为了避免脉冲电场在试样中引入空 间电荷, 选取的脉冲幅值为 200 V, 脉宽和频率分别 为 5 ns 和 400 Hz. 伏安特性测试时 , 只需要记录每个电流值所对 应的电压即可 . 此测量是与空间电荷测试同时进行 , 即在测量空间电荷的同时 , 对每种试样进行电流和 电压信号的采集.
型可用来解释添加物对非线性的影响 , 但不能充 分解释高的非线性区域内伏安特性曲线小的温度 依赖性. 1975 年, Levinson 和 Philip 提出了薄膜隧穿 模型 [7], 该模型认为晶界层中存在着隧穿过程 , 该模 型虽然解释了较高的非线性区域内伏安特性曲线的温 度相关性, 却不能解释添加剂的作用. 1977 年, Emtage[8]提出了有异质结的肖特基势垒
2
2.1
测试结果
伏安特性测试结果
图1
空间电荷测试系统结构示意图
四种试样的 V-I 特性曲线如图 2 所示, 图中纵坐 标代表的是电场强度 E, 单位是 V/cm; 横坐标代表的 是试样的电流密度 J, 单位为 A/cm2. 利用伏安特性测试数据 , 计算了试样的电位梯 度和泄漏电流 , 计算结果如表 1 所示 , 泄露电流是 衡量 ZnO 压敏电阻性能的一个重要参数 , 它是指
图3
A 空间电荷沿厚度方向测试结果
图4
试样 A 的曲线对比图
(a) -J 和 V-I ; (b) -E 和 V-I
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图5
试样 B 的曲线对比图
(a) -J 和 V-I; (b) -E 和 V-I
图6
试样 C 的曲线对比图
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图8
ZnO 电容与场强的关系
图9
加压后的肖特基势垒模型[18]
可见 ZnO 试样电容值随电压变化缓慢减小. 文 献[18]指出电容随电压的增高略有减小 , 从小电流区 到转折点, 电容的变化率大约为 20%. 本文的计算结 果与文献 [18]相一致 , 更进一步验证了本文研究方法 的有效性. 下面基于双肖特基势垒模型对试验结果进行分 析 . 当施加电压后能带结构发生变形 , 如图 9 所示 , 右侧为反偏压侧 U2, 反向肖特基势垒 , 势垒高度为 2=0+eU2; 左侧为正偏压侧 U1, 正向肖特基势垒 , 势垒高度为1=0-eU1. 外加电压后势垒的高度与外加电压具有线性关 系, 随着外施电压的增加, 右侧 ZnO 晶粒中向晶界迁 移的自由载流子数增加 , 被晶界表面捕获的电子数 增加 , 导致晶界上的电荷增加 , 势垒升高 , 由于有更 多的电子迁移到晶界 , 所以在晶粒内部的耗尽层将 会更宽, 耗尽层宽度为[18]
0.01, 0.1, 1, 5 和 10 mA 下试样中的空间电荷分布. 从图 3 中可以看出, 随电流增加, 空间电荷密度 也相应增加. 试样 B, C 和 D 的空间电荷分布趋势与 试样 A 相似. 对试样 A 电极处的空间电荷密度进行计算, 发 现电荷密度与电流密度和场强之间存在一定的关系 . 图 4(a)给出了-J 曲线与 V-I 曲线的对比图. 同样-E 曲线与 V-I 曲线的对比图如图 4(b)所示, 表示空间电 荷密度, 单位为c/cm3. 采用同样方法可以画出其他试样曲线对比图 , 分别如图 5~7 所示. 可以发现, 4 种试样的-J 和 V-I 的变化趋势基本 相同, 都呈非线性变化. 试样 A 和 B 达到转折电压时, -J 曲线的饱和程度大于 V-I 曲线, 而试样 C 和 D 的 变化基本一致. 4 种试样的-E 和 V-I 的变化趋势不同, 在小电流区, -E 都呈线性增加, 而电流随着电场的 增加增长缓慢, 当到达转折电压后, 电流随着电场的
读写到此信号并进行分析处理 . 试验系统的性能参数如下. 1) 分辨率: 对于 PE 类聚合物, 分辨率可以达到 10 m. 对于 ZnO 材料, 分辨率可以达到 19.5 m; 2) 灵敏度: 可以达到 1 C/cm3; 3) 可测试样的厚度: PE 类聚合物, 可测厚度为 2 mmБайду номын сангаас 对于 ZnO 材料, 可测厚度为 4 mm; 4) 最大可施加的直流电压: 60 kV/mm.
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氧化锌压敏电阻空间电荷与非线性特性的关系
王倩, 屠幼萍*, 丁立健, 琚泽立
华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室, 北京 102206 * E-mail: typ@ncepu.edu.cn 收稿日期: 2010-11-08; 接受日期: 2011-04-01 国家自然科学基金(批准号: 50577021, 50877025)和教育部博士点基金(批准号 : 200800790004)资助项目