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通天雷神

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Sb2O3和In2O3对ZnO压敏电阻器性能的影响

陈洪存1，王矜奉1，李明明2

（1?山东大学物理系，山东济南250100）

（2?济南大学物理系，山东济南250002）

　1引言

含有Bi2O3、CoO、Cr2O3和Sb2O3等金属氧化物添加剂的ZnO半导体陶瓷,不仅具有与齐纳二极管相当的非线性电流－电压特性,而且具有优异的浪涌吸收能力。ZnO压敏电阻器在瞬间能吸收几焦乃至数千焦电浪涌的能力,使之在过电压保护,电子器件、电子设备和负荷开关的浪涌吸收电路,电子装置中的瞬间脉冲抑制等领域得到广泛而有效的应用。为了进一步提高ZnO压敏电阻器的非线性特性,人们用IIIA和ⅤA族金属氧化物对ZnO压敏电阻器进行了掺杂改性研究。

本文重新研究了In2O3对ZnO压敏电阻器性能的影响,获得了前所未有的实验结果。这种ZnO压敏电阻器的击穿电场强度达326V/mm,漏电流小于1μA,非线性系数α值达107,通流量高达4kA/cm2。

2样品制备与性能测量

以ZnO为主体原料,加入重量比为3％～4％Bi2O3、1％～2％Co2O3、0.5％～1.0％SiO2、0.4％～0.8％MnO2、2％～3％Sb2O3、0.018％～0.14％In2O3和0.001％～0.01％ZrO2等金属氧化物,采用搅拌磨超细粉碎制备粉料，低温快速烧结,加入过量Bi2O3以补偿其在烧结过程中的挥发等工艺。

样品的尺寸为?13.5mm×2.0mm,使用HX2732压敏电阻直流参数测试仪测量了样品的压敏电压Vc(V1.0mA)和非线性系数α,应用SL?II雷电冲击实验系统和日本PEEC冲击电流发生器进行了浪涌通流实验,通流条件是8μs×20μs波6kA冲击,冲击后测量了压敏电压的变化,并计算了压敏电压的相对变化率△VC·VC－1％。

3结果与讨论

3.1非线性系数α与粉料粒径的关系

表1给出Sb2O3含量为0.7mol％和0.15mol％、粉碎时间不同(导致粒径不同)的粉料在相同烧成条件下样品的非线性系数α值。

表 1 非 线 性 系 数 α 粉料粒径/μm  α  
0.5～1.0  90～110  
5.0～10  50～85  
10～20  30～50  

　

从表1可以看出,粉料越细,α值越高，可见超细粉碎是制备具有超高α值压敏电阻器的有效手段。

3.2α值与Sb2O3含量的关系(0.15mol％In2O3)

　

图1α值与Sb2O3含量的关系

　

图2电压梯度与Sb2O3含量的关系

　

图1给出了在相同工艺条件下样品的α值与Sb2O3含量的关系。

从图1可以看出,当In2O3的含量为0.15mol％，Sb2O3的含量少于0.7mol％时,随Sb2O3含量的增加,α值逐渐增大;当Sb2O3含量等于0.7mol％时,α为110;当Sb2O3含量大于0.7mol％时,随其含量增加,α值反而逐渐下降。

3.3电压梯度与Sb2O3含量的关系(0.15mol％In2O3)

图2给出了电压梯度与Sb2O3含量的关系。从图2可以看出，随着Sb2O3含量的增加，压敏电阻器的电压梯度逐渐增加,ZnO压敏电阻器的压敏效应来源于每个晶界为3.2V的突变电压,电阻器的压敏电压可近似看成是厚度方向上一系列3.2V电压的串联，因此，单位厚度间的晶粒越多,电阻器的电压梯度就越大。Sb2O3含量增加,电压梯度增大,说明在实验范围内,Sb2O3含量增加,晶粒尺寸变小，即Sb2O3起到了抑制ZnO晶粒生长的作用。

3.4α值、电压梯度、雷脉冲冲击后电压变化率与烧结温度的关系

表2给出了Sb2O3含量为0.7mol％和0.15mol％In2O3的同种瓷料在不同烧结温度(保温时间都为2小时)下样品的通流能力、α值和电压梯度的变化情况。

与 烧 结 温 度 的 关 系 烧结温度  α值  电压梯度/V1mA/mm  △VC·VC－1％(8/20μs 6kA冲击后)  
950℃  82  450  －12.4～－16.5  
1 060℃  110  380  －4.2～－6.1  
1 150℃  80  320  －7.4～－8.2  
1 230℃  65  240  －8.1～－12.5  

从表2可以看出,烧结温度是决定压敏电阻器性能的关键因素。图3是从600℃到1060℃用150min烧成样品的金相图。从图3可以看出，样品致密，晶粒大小均匀。该样品压敏性能优异,通流量高达4kA/cm2，非线性系数α值达110,压敏电压梯度为380V/mm,即使使用8/20μs6kA雷脉冲冲击后,压敏电压变化率也不大,仅为－4.2％～－6.1％。

图31060℃用150min烧成样品的扫描电镜照片

　

4结语

(1)适当添加Sb2O3能大幅度提高ZnO压敏电阻器的非线性系数α。

(2)适当添加Sb2O3能大幅度提高ZnO压敏电阻器的电压梯度。

(3)适当添加In2O3能大幅度降低ZnO压敏电阻器的漏电流。

(4)适当添加In2O3能大幅度提高ZnO压敏电阻器的通流能力。

(5)ZnO压敏电阻器的击穿电场强度达326V/mm,漏电流小于1μA,非线性系数α值达107,通流量高达4kA/cm2,即便使用8/20μs6kA雷脉冲冲击,其压敏电压变化率也仅为－4.2％～－6.1％。