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电压敏感材料 (2) 电压敏感材料电压敏感材料（压敏材料）是指材料的电阻值随加于其上的电压不同而显著变化的非欧姆性材料。 当加载在材料的端电压小于某个临界值时，材料的电阻率很大，流过材料的电流非常小；当端电压达到临界值时，材料的电阻率随端电压的增大而急剧减小，流过材料的电流急剧增大，这个端电压临界值叫阈值。 用这类材料制成的电阻器叫压敏电阻器，又叫非线性电阻器。 19291930年，美国和德国几乎同时用碳化硅压敏材料制成高压避雷器。 40年代末，苏联制成低压碳化硅压敏电阻器。 1968年日本研制出氧化锌压敏材料。 这种材料具有比其他材料更为优异的电气性能，至今仍获得广泛应用。 其他金属氧化物（Fe2O 3、TiO等）压敏电阻器也得到发展。 分类及基本特性参数压敏材料包括硅、锗等单晶半导体以及SiC、ZnO、BaTiO 3、Fe2O 3、SnO 2、SrTiO3等压敏陶瓷材料。 其中，BaTiO 3、Fe2O3利用的是电极与烧结体界面的非欧姆特性，而SiC、ZnO、SrTiO3利用的是晶界非欧姆特性。 目前，应用最广、性能最好的是氧化锌压敏半导体陶瓷。 压敏半导体陶瓷的基本特性在某一临界电压以下，压敏电阻陶瓷电阻值非常高，几乎没有电流；但当超过这一临界电压时，电阻将急剧变化，并且有电流流过。 随着电压的少许增加，电流会很快增大。 压敏电阻陶瓷的这种电流-电压特性曲线如图所示1.齐钠二极管；2.SiC压敏电阻；3.ZnO压敏电阻；4.线性电阻；5.ZnO压敏电阻。 压敏电阻的I-U特性曲线由图可见，压敏电阻陶瓷的I-U特性不是一条直线，其电阻值在一定电流范围内呈非线性变化。 表征压敏电阻的特性主要参数有非线性系数、压敏电压、漏电流、通流容量和电压温度系数。 1、非线性系数压敏电阻的I-U关系的经验公式为式中即为非线性系数。 的值越大，非线性越强。 式中的C为材料常数，其值在一定电流范围内为一常数。 2、压敏电压U1mA压敏电压是指当压敏电阻的端电压值大于该电压时，压敏电阻进入高值的I-U特性区，即击穿区。 一般情况下，把通过1mA电流时压敏电阻器的端电压作为压敏电阻器的压敏电压，又称标称电压。 3、漏电流压敏电阻器在进入击穿区之前工作时，流过压敏电阻器的电流为漏电流。 它是描述预击穿区I-U特性的参数。 漏电流的大小与电压、温度有关。 4、通流容量压敏电阻器经过长期的交、直流负荷或高浪涌电流的冲击，I-U特性变坏，使预击穿区的I-U特性曲线向高电流方向移动，因而导致漏电流上升，压敏电压下降。 这种现象称为压敏电阻器的蜕变。 通常以U1mA下降的多少来衡量压敏电阻器耐高浪涌冲击的能力，满足U1mA下降要求的压敏电阻器所能承受的最大冲击电流叫做压敏电阻器的通流容量，又称通流能力或通流量。 5、电压温度系数压敏电压随着温度的上升而下降，在规定的温度范围内，把温度每变化1K（1）时，零功率条件下测得的压敏电压的相对变化率，称为压敏电阻器的电压温度系数（U），用公式表示为式中,U1为室温下的压敏电压（V），U2为极限使用温度下的压敏电压（V），T1为室温（K），T2为极限使用温度（K）。 ZnO系压敏电阻器的导电机理ZnO系压敏电阻陶瓷是压敏电阻陶瓷中性能最优的一种材料。 其主要成分是ZnO，并添加Bi2O 3、CoO、MnO、Cr2O 3、Sb2O 3、TiO 2、SiO 2、PbO等氧化物经改性烧结而成。 掺杂的氧化物偏析在ZnO晶界上形成阻挡层，起到了提高晶界区阻挡层电势的作用，在低电场时，由于它的阻挡，电阻率较高。 当外加电压高达击穿电压时，界面中的电子穿透势垒层，引起电流急剧上升。 氧化锌压敏电阻器的微观结构如图1所示，其中氧化锌晶粒中掺有施主杂质而呈N型半导体，晶界物质中含有大量金属氧化物形成大量界面态，这样每一微观单元是一个背靠背肖特基势垒，整个陶瓷就是由许多背靠背肖特基垫垒串并联的组合体。 图2是压敏电阻器的等效电路。 氧化锌压敏电阻器的典型U-I特性曲线如图3所示预击穿区在此区域内，施加于压敏电阻器两端的电压小于其压敏电压，其导电属于热激发电子电导机理。 因此，压敏电阻器相当于一个10M以上的绝缘电阻(Rb远大于Rg)，这时通过压敏电阻器的阻性电流仅为微安级，可看作为开路。 该区域是电路正常运行时压敏电阻器所处的状态。 击穿区压敏电阻器两端施加一大于压敏电压的过电压时，其导电属于隧道击穿电子电导机理(Rb与Rg相当)，其伏安特性呈优异的非线性电导特性。 在击穿区，压敏电阻器端电压的微小变化就可引起电流的急剧变化，压敏电阻器正是用这一特性来抑制过电压幅值和吸收或对地释放过电压引起的浪涌能量。 上升区当过电压很大，使得通过压敏电阻器的电流大于约100A/cm2时，压敏电阻器的伏安特性主要由晶粒电阻的伏安特性来决定。 此时压敏电阻器的伏安特性呈线性电导特性，即I=U/R g上升区电流与电压几乎呈线性关系，压敏电阻器在该区域已经劣化，失去了其抑制过电压、吸收或释放浪涌的能量等特性。 根据压敏电阻器的导电机理，其对过电压的响应速度很快，如带引线式和专用电极产品，一般响应时间小于25纳秒。 因此只要选择和使用得当，压敏电阻器对线路中出现的瞬态过电压有优良的抑制作用，从而达到保护电路中其它元件免遭过电压破坏的目的。 压敏电阻器的应用ZnO压敏电阻器的应用很广，主要用于过压保护。 各种大型整流设备、大型电磁铁、大型电机、通讯电路、民用设备在开关时，会引起很高的过电压，需要进行保护，以延长使用寿命。 故在电路中接入压敏电阻可以抑制过电压。 此外，压敏电阻还可作晶体管保护、变压器次级电路的半导体器件的保护以及大气过电压保护等。 压敏电阻器与被保护的电器设备或元器件并联使用，如图4所示。 压敏电阻的Zv与电路总阻抗（包括浪涌源阻抗Zs）构成分压器，因此压敏电阻的限制电压为V=VsZv/(Zs+Zv)。 Zv的阻值可以从图4正常时的兆欧级降到几欧，甚至小于1。 由此可见Zv在瞬间流过很大的电流，过电压大部分降落在Zs上，而用电器的输入电压比较稳定，因而能起到的保护作用。 以下列举了压敏电阻的几个应用实例 1、整流电路的过压保护该装置的应用电路如图5所示。 由于电网电压的波动或人为的配电故障，经常会使电网产生浪涌过电压，威胁着电子仪器及各种家电的整流电路和电源变压器的安全。 将压敏电阻MY并接在整流二极管或电源变压器的输入端即可起到保护作用。 2、二极管保护该装置的应用电路如图6所示。 在晶体管电视机中，行输出和帧输出管都接有较大的电感线圈，在开关电视机的瞬间，线圈两端会产生瞬间过电压，为了确保晶体管的安全工作