ZnO-Bi-,2-O-,3--TiO-,2--NiO-SnO-,2-系低壓ZnO壓敏陶瓷的研究.pdf

1、ZnO壓敏陶瓷是一種臭有優(yōu)良非線性伏安特征和高能量吸收能力的半導(dǎo)體器件，因而廣泛應(yīng)用于各種電子電路、設(shè)備、電力系統(tǒng)的過壓保護(hù)。目前隨著微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，越來越多的低壓ZnO壓敏陶瓷被用于汽車電子和半導(dǎo)體電子中，ZnO壓敏陶瓷的低壓化、小型化、集成化已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)和發(fā)展方向。本文綜合研究ZnO-Bi2O3-TiO2-NiO-SnO2系低壓ZnO壓敏陶瓷的電性能測試方法和電路設(shè)計(jì)、摻雜氧化物的配方優(yōu)化以及劣化失效模型和機(jī)理，主

2、要內(nèi)容及結(jié)果如下： 設(shè)計(jì)了“電壓波控制積分法”的電路，用于低壓ZnO壓敏陶瓷的電阻性交流漏電流測試，設(shè)計(jì)的電路具有簡單、合理的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了低壓ZnO壓敏陶瓷漏電流的在線檢測。在低壓ZnO壓敏陶瓷的交流漏電流測試中，當(dāng)測試電壓的加壓比不大于88％時(shí)，漏電流主要是電容性的；當(dāng)加壓比大于90％后，漏電流主要是電阻性的，尖脈沖的峰點(diǎn)與電壓波的峰點(diǎn)在同一時(shí)刻。低壓ZnO壓敏陶瓷的限制電壓測試中，實(shí)際測得的波形是壓敏陶瓷限制電壓和一個與電流

3、微分成比例電壓分量的疊加波形，后者是8/20μs沖擊電流在測量環(huán)路(由試樣，分壓器，以及試樣與分壓器的連結(jié)線所圍成)產(chǎn)生的干擾電壓，通過減小測量環(huán)路面積和分壓器的正確擺放等方法來排除這種干擾電壓，測得了低壓ZnO壓敏陶瓷的正確限制電壓波形。 ZnO-Bi2O3-TiO2-NiO-SnO2系低壓ZnO壓敏陶瓷由ZnO主晶相、Zn2TiO4尖晶石相和富β-Bi2O3目組成。研究氧化物摻雜總量、Bi2O3、TiO22、Co2O3、Mn

4、CO3摻雜對低壓ZnO壓敏陶瓷的電性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。得出性能最佳配方為：95.95％ZnO+0.75％Bi2O3+0.8％TiO2+0.5％NiO+1.0％Co2O3+0.5％MnCO3+0.5％SnO2(mol％)，使低壓ZnO壓敏陶瓷的壓敏電壓降低為約68V/mm。 通過摻雜微量稀土氧化物Nd2O3的改性研究，低壓ZnO壓敏陶瓷電性能可大大提高，隨著Nd2O3含量的增加，低壓ZnO壓敏陶瓷的壓敏電壓V1mA增大，漏電流I

5、L減少，非線性系數(shù)α增大，在0.06％-0.12％(摩爾分?jǐn)?shù))的摻雜范圍內(nèi)，漏電流IL和非線性系數(shù)α的變化不大，當(dāng)摻雜0.12％Nd2O3時(shí)，壓敏陶瓷顯示了最好的非線性特性，非線性系數(shù)α和漏電流IL分別為52.3、5.2μA。同時(shí)，摻雜了稀土氧化物Nd2O3的低壓ZnO壓敏陶瓷，限制電壓比Up/v1mA逐漸減小和吸收能量E逐漸增大，在交流電壓應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性和電流沖擊穩(wěn)定性也得到了很大的提高，其中摻雜0.03％Nd2O3的低壓ZnO壓

6、敏陶瓷電穩(wěn)定性最好，其各項(xiàng)電性能指標(biāo)都優(yōu)于德國SIMENS公司的同類產(chǎn)品。 在低壓ZnO壓敏陶瓷的加速壽命試驗(yàn)(1.15V1mA/150℃/24h)中，少數(shù)樣品在電壓應(yīng)力下發(fā)生早期穿孔失效現(xiàn)象，這是由陶瓷內(nèi)部微觀不均勻的結(jié)構(gòu)缺陷而引起，在陶瓷體中的缺陷區(qū)，電壓應(yīng)力下的劣化速度相當(dāng)快，提高溫度能進(jìn)一步加快劣化的進(jìn)程，劣化的趨勢是電流-電壓特性的線性化，結(jié)果使得經(jīng)過缺陷區(qū)路徑上的電流密度增大。穿孔失效的低壓ZnO壓敏陶瓷電阻值多數(shù)在

7、(1-30)KΩ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100Ω的短路電阻，而且這些樣品的非線性系數(shù)α都小于2，因此可把穿孔失效定義為線性化失效。 低壓ZnO壓敏陶瓷在潮濕的環(huán)境中，會引起嚴(yán)重的劣化現(xiàn)象，非線性系數(shù)和壓敏電壓降低，漏電流增大，但受潮劣化的低壓ZnO壓敏陶瓷，施加110％最大連續(xù)工作電壓120h后，電性能參數(shù)(非線性系數(shù)α、壓敏電壓V1mA、漏電流IL)都有一定程度的恢復(fù)，沒有產(chǎn)生熱失效，最后漏電流趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榱鬟^受潮的低壓ZnO壓敏陶瓷