半导体压敏电阻器

1、半导体压敏电阻器半导体压敏电阻器前言v半导体压敏电阻器是指在特定的电压范围内，半导体压敏电阻器是指在特定的电压范围内，阻值随电压的增加而急剧减小的电子元件，阻值随电压的增加而急剧减小的电子元件，这种电阻器的伏安特性呈非线性，故也称非这种电阻器的伏安特性呈非线性，故也称非线性电阻器或变阻器。线性电阻器或变阻器。品种很多v按材料不同分：按材料不同分： 碳化硅碳化硅 硅（或）锗硅（或）锗 氧化锌氧化锌 其他金属氧化物其他金属氧化物v按物理机构分：按物理机构分： 体形体形 结型结型v按伏安特性分：按伏安特性分： 对称型（无极性）对称型（无极性） 非对称型（有极性）非对称型（有极性）应用v电力系统电力系

2、统v电子线路电子线路v家用电器家用电器 尤其在过压保护、高压稳定以及高能浪涌吸尤其在过压保护、高压稳定以及高能浪涌吸收等方面更突出收等方面更突出一、压敏电阻的特性参数1.1、主要特性、主要特性1.1.1 伏安特性伏安特性v压敏电阻器的伏安特性曲线，一般用比较直观压敏电阻器的伏安特性曲线，一般用比较直观的直角坐标方法来表示，如图的直角坐标方法来表示，如图1 就是几种常用压就是几种常用压敏电阻器的伏安特性曲线。可见，当加于压敏敏电阻器的伏安特性曲线。可见，当加于压敏电阻器上的电压超过某一特定数值时，通过电电阻器上的电压超过某一特定数值时，通过电阻器的电流就急剧增大，呈现伏安特性的非线阻器的电流就急

3、剧增大，呈现伏安特性的非线性关系。性关系。v图图图1 几种电阻器的伏安特性曲线几种电阻器的伏安特性曲线 碳化硅压敏电阻碳化硅压敏电阻 稳压二极管稳压二极管 氧氧化锌压敏电阻一般线性电阻器化锌压敏电阻一般线性电阻器定义v在给定的外加电压作用下，压敏电阻器伏安特在给定的外加电压作用下，压敏电阻器伏安特性曲线上某点性曲线上某点: 动态电阻动态电阻Rd(dV/dI）和静态电阻）和静态电阻Rj(Rj=V/I)的的比值，称作压敏电阻的电流指数比值，称作压敏电阻的电流指数 静态电阻静态电阻Rj与动态电阻与动态电阻Rd的比值，称作压敏电的比值，称作压敏电阻器的电压指数阻器的电压指数 式中：式中：I为伏安特性曲

4、线某点电流（为伏安特性曲线某点电流（A） V为伏安特性曲线某点电压（为伏安特性曲线某点电压（V）djjdRIdvRVdIRVdiRIdv变化积分 V为施加在压敏电阻器上的电压为施加在压敏电阻器上的电压 I为流经压敏电阻器的电流为流经压敏电阻器的电流 C、K均为常数，并且均为常数，并且 VCIVIKVC1KC电流指数电流指数电压指数电压指数 通称非线性系数，是描述压敏电阻器伏安特性非通称非线性系数，是描述压敏电阻器伏安特性非线性强弱的重要参数，线性强弱的重要参数，小于小于1，而，而大于大于1。v或或的大小就可以说明压敏电阻伏安特性偏离的大小就可以说明压敏电阻伏安特性偏离欧姆定律的程度，若欧姆定律

5、的程度，若越小，越小，越大，表示非线越大，表示非线性越大，伏安特性曲线上升越显著。性越大，伏安特性曲线上升越显著。v在一个很窄的电压、电流范围内在一个很窄的电压、电流范围内:2121loglogloglogVVII2121loglogloglogIIaVVv在生产和应用压敏电阻时，通常是分别确在生产和应用压敏电阻时，通常是分别确定两电流值定两电流值I1和和I2,并令并令I2=10I1,分别测得分别测得I1和和I2相对应的电压值相对应的电压值V1和和V2，然后按下式求出，然后按下式求出a 值。值。211loglogaVV1.1.2 C值1VIC当电流当电流I1A时，则时，则因：因： a不等于不等

6、于1，所以所以C=V, 或或C=V1A即即C值在数值上等于流经压敏电阻器的电流为值在数值上等于流经压敏电阻器的电流为1A时的电压值，时的电压值，C值与作用电压有一定的对应关系，值与作用电压有一定的对应关系，C值越大，一定电流下所对应的电压越高值越大，一定电流下所对应的电压越高n个电阻器串联个电阻器串联式中式中C为串联后压敏电阻器的为串联后压敏电阻器的C值，由于串联前后的值，由于串联前后的电流相同，则有电流相同，则有即即CnC,说明说明n个特性相同的电阻串联后，个特性相同的电阻串联后，C增加增加n倍，且倍，且V1mA值也按值也按n倍增加倍增加nVICnVVCCv为提高使用电压，可用伏安特性相同为

7、提高使用电压，可用伏安特性相同或接近的压敏电阻器串联使用，而从或接近的压敏电阻器串联使用，而从制造工艺上，可以调整产品厚度的方制造工艺上，可以调整产品厚度的方法得到不同的压敏电压值。法得到不同的压敏电压值。n个电阻器并联个电阻器并联1VVnInCCCCn111nCC由于 远大于 ，所以，可得v说明利用压敏电阻器的并联来降低说明利用压敏电阻器的并联来降低C值的效果不值的效果不大，但可以提高压敏电阻的通流能力，使其在大，但可以提高压敏电阻的通流能力，使其在通过较大的电流时不致失效。通过较大的电流时不致失效。CC1.1.3电阻特性v压敏电阻器的阻值在某规定范围内随电压的增加而压敏电阻器的阻值在某规定

8、范围内随电压的增加而急剧减小，若施加电压急剧减小，若施加电压V，流过电流为，流过电流为I，则阻值为，则阻值为：117110101011151111055VCICRIIIVVRIKVKVRKVKVKV或当 ，而电压增加 倍时，77101011/(10)10R RKVKV可见，压敏电阻器当施加电压变化可见，压敏电阻器当施加电压变化5倍，阻值则变倍，阻值则变化了千万倍，说明压敏电阻器对电压是相当敏感化了千万倍，说明压敏电阻器对电压是相当敏感的。的。v但阻值的减小不是无限的，在但阻值的减小不是无限的，在v高压端：流过元件的电流超出规定范围，则伏高压端：流过元件的电流超出规定范围，则伏安特性偏离原来的非

9、线性，而接近线性安特性偏离原来的非线性，而接近线性v低压端：由于漏电流的存在，使压敏电阻的伏低压端：由于漏电流的存在，使压敏电阻的伏安特性同样出现非线性偏离安特性同样出现非线性偏离1.1.4 功率特性v消耗功率：11111PVIPCIICIPKVVKV当电流增加时，因 小于，所以功率增加不大；而 大于，则功率随电压的 次幂增加。在选用压敏电阻器时，其连续使用电压必须在给定在选用压敏电阻器时，其连续使用电压必须在给定的允许电压范围内的允许电压范围内1.1.5 温度特性211211VVVVV TTVTv随着温度的上升，压敏电压下降，一般以电压温度系随着温度的上升，压敏电压下降，一般以电压温度系数来

10、表征这种温度特性，定义数来表征这种温度特性，定义: :v在规定的温度范围内，温度每变化在规定的温度范围内，温度每变化11时，零功率条时，零功率条件下测得的压敏电压的相对变化率，可用下式表示：件下测得的压敏电压的相对变化率，可用下式表示：2112111212341010/VVVVVV TTVTVVTT式中， 为室温下的压敏电压值，为极限环境温度下的压敏电压值， 为室温温度，为极限环境温度一般在5585 C的环境温度下，可控制在C之间参数：1.压敏电压v在正常环境条件下，压敏电阻器流过规定的在正常环境条件下，压敏电阻器流过规定的电流（通常是电流（通常是1mA直流）时的端电压，称压直流）时的端电压，

11、称压敏电阻器的压敏电压，记做敏电阻器的压敏电压，记做V1mA,通常标记在通常标记在元件上，故也叫标称压敏电压。元件上，故也叫标称压敏电压。v是使用和制造压敏电阻器的一个重要参数，是使用和制造压敏电阻器的一个重要参数，几乎所有考核压敏电阻器特性的实验都是以几乎所有考核压敏电阻器特性的实验都是以压敏电压的变化率来评价压敏电压的变化率来评价2 漏电流v漏电流是指压敏电阻器正常工作时通过的电流，它漏电流是指压敏电阻器正常工作时通过的电流，它不但与电压有关，而且与温度具有强烈相关性，电不但与电压有关，而且与温度具有强烈相关性，电压和温度的增高都会使漏电流加大，因此使用压敏压和温度的增高都会使漏电流加大，

12、因此使用压敏电阻器，必须考虑温度极限漏电流增大情况，同时电阻器，必须考虑温度极限漏电流增大情况，同时必须根据工作电压正确选择压敏电压。必须根据工作电压正确选择压敏电压。1111.52.20.660.45mAmAmAVVVVVVV或v第一式可作为工作电压选压敏电阻器的参考第一式可作为工作电压选压敏电阻器的参考v第二式可作为选取工作电压的参考第二式可作为选取工作电压的参考（1）（2）3 通流容量v通流容量（或耐浪涌能力）是指按通流容量（或耐浪涌能力）是指按技术条件技术条件的的规定施加规定施加规定波形规定波形的冲击电流，冲击后压敏电的冲击电流，冲击后压敏电阻器的压敏电压的变化率小于或等于技术条件阻器

13、的压敏电压的变化率小于或等于技术条件所规定值时所通过的最大电流所规定值时所通过的最大电流v它是衡量压敏电阻器耐受高浪涌电流冲击能力它是衡量压敏电阻器耐受高浪涌电流冲击能力的重要参数，主要取决于：材料组分，制造工的重要参数，主要取决于：材料组分，制造工艺，产品几何尺寸，也与电脉冲波形，持续时艺，产品几何尺寸，也与电脉冲波形，持续时间的脉冲间隔有关。间的脉冲间隔有关。4 固有电容v由于材料和结构的原因，各种压敏电阻器都程度不同的存在由于材料和结构的原因，各种压敏电阻器都程度不同的存在着一定的分布电容，这种分布电容称为压敏电阻器的固有电着一定的分布电容，这种分布电容称为压敏电阻器的固有电容。容。v它

14、的数值是在正常环境条件下（温度它的数值是在正常环境条件下（温度1535oC,相对湿度相对湿度4080%，大气压，大气压650800mmHg）,用电容测试仪直接读出，用电容测试仪直接读出，在各种不同的作用场合，对元件固有电容有着不同的要求，在各种不同的作用场合，对元件固有电容有着不同的要求，如固有电容大的压敏电阻器不宜于在高频电路中作用，但用如固有电容大的压敏电阻器不宜于在高频电路中作用，但用于过电压保护则又是有利的。于过电压保护则又是有利的。二、压敏电阻器的主要类型v2.1 SiC压敏电阻器压敏电阻器 SiC压敏电阻器俗称压敏电阻器俗称SiC变阻器，是最早出现的非线性变阻器，是最早出现的非线性

15、元件，虽然其非线性系数较小，元件，虽然其非线性系数较小， 但具有工艺简单、成本低、固有电容小和耐浪涌能力但具有工艺简单、成本低、固有电容小和耐浪涌能力强等优点强等优点 目前仍是过压保护，稳压、调幅、非线性补偿和消除目前仍是过压保护，稳压、调幅、非线性补偿和消除电感回路接点火花等不可缺少的压敏电阻器。电感回路接点火花等不可缺少的压敏电阻器。2.1.1 结构和工作原理vSiC压敏电阻器主要是由压敏电阻器主要是由SiC晶体所构成，晶体所构成，v主要原料主要原料: 石英砂和焦碳石英砂和焦碳v渗入少量的添加物，在氧化气氛中，从渗入少量的添加物，在氧化气氛中，从23002600的温度冶炼而成的的温度冶炼而

16、成的v高温合成的高温合成的SiC晶体经破碎，除铁、清洗等一晶体经破碎，除铁、清洗等一系列工序获得粉状的原料系列工序获得粉状的原料.v制得原料后，然后按一定的比例加入粘土，制得原料后，然后按一定的比例加入粘土，长石等粘合剂，对于低压电阻还要加入少量长石等粘合剂，对于低压电阻还要加入少量的石墨粉，随之按陶瓷工艺制成基体，再在的石墨粉，随之按陶瓷工艺制成基体，再在10001300的温度下进行烧结，最后在表的温度下进行烧结，最后在表面烧制电极，装配成变阻器，如图面烧制电极，装配成变阻器，如图43所示所示 图图43 SiC压敏电阻器结构示意图压敏电阻器结构示意图v对于小功率的对于小功率的SiC压敏电阻器

17、可做面圆片状，压敏电阻器可做面圆片状，棒状和垫圈状，而大功率的棒状和垫圈状，而大功率的SiC压敏电阻器压敏电阻器可做成圆盘串并组合而成，为了提高额定可做成圆盘串并组合而成，为了提高额定功率，还可以装散热器等。功率，还可以装散热器等。v研究证明，在合成研究证明，在合成SiC时加入少量的铝和硼，时加入少量的铝和硼，可以提高非线性系数可以提高非线性系数a值值v因为在冶炼因为在冶炼SiC晶体时，气氛中的氮取代晶体时，气氛中的氮取代SiC晶体的晶体的C而形成施主能级使而形成施主能级使SiC晶体呈晶体呈n型特性型特性.v加入少量的加入少量的Al或或B等受主杂质，并随着其含等受主杂质，并随着其含量的增加，量

18、的增加， SiC晶体由晶体由n型向型向P型转化，在转型转化，在转变点上，电阻率最大，制成的压敏电阻器变点上，电阻率最大，制成的压敏电阻器的非线性系数也最大的非线性系数也最大.v实验结果表明，在实验结果表明，在SiC晶体中，晶体中， Al的的含量在含量在0.010.05wt%或或B的含量在的含量在0.0030.06wt%范围内，通过适当的范围内，通过适当的调整，均可使调整，均可使a值达到值达到8左右左右2.1.2 主要特性参数v一般一般SiC压敏电阻器单个元件的电压范压敏电阻器单个元件的电压范围较宽，可以围较宽，可以1到数千伏，到数千伏，a值较小，只值较小，只在在23之间，片状的耐浪涌能力为之间

19、，片状的耐浪涌能力为45焦焦耳厘米耳厘米2，容许耐浪涌电压为，容许耐浪涌电压为 200伏伏/毫毫米，容许耐浪涌电流为米，容许耐浪涌电流为2安厘米安厘米2。2.1.2 主要特性参数vSiC压敏电阻器可在压敏电阻器可在100温度下连续工温度下连续工作，短时间可在作，短时间可在150下工作，电压温度下工作，电压温度系数为系数为-0.10.3/ ，电流温度系数，电流温度系数为为+0.6+0.8% 。2.2 硅压敏电阻器v2.2.1 结构结构 硅压敏电阻器是用单晶硅经杂质扩散、化硅压敏电阻器是用单晶硅经杂质扩散、化学镀镍，芯片分割和焊接组装等工艺而成的学镀镍，芯片分割和焊接组装等工艺而成的结型器件。实际

20、上，硅压敏电阻器是利用在结型器件。实际上，硅压敏电阻器是利用在单晶硅中形成的单晶硅中形成的pn结的非线性特性所制成的结的非线性特性所制成的特殊稳压二极管。特殊稳压二极管。 2.2 硅压敏电阻器 硅压敏电阻器与普通硅二极管不同的地方，硅压敏电阻器与普通硅二极管不同的地方，就是通流能力大，同时通过管芯的串并联组就是通流能力大，同时通过管芯的串并联组合以扩大使用电压和获得对称的伏安特性。合以扩大使用电压和获得对称的伏安特性。 v压敏电阻器的伏安特性有对称型（压敏电阻器的伏安特性有对称型（D）和非）和非对称型（对称型（F）两种。两管芯作反向串联或反向）两种。两管芯作反向串联或反向并联都可取得对称的伏安

21、特性，反向串联是并联都可取得对称的伏安特性，反向串联是利用其反向特性，而反向并联则是利用其正利用其反向特性，而反向并联则是利用其正向特性。向特性。2.2.2 主要特点主要特点v硅压敏电阻器的主要特点硅压敏电阻器的主要特点: 体积小体积小 工作电压低，约为工作电压低，约为0.55V和它的整数倍，这是目前其和它的整数倍，这是目前其他类型的压敏电阻器无法做到的他类型的压敏电阻器无法做到的 电压非线性指数为电压非线性指数为20左右左右 电压温度系数电压温度系数30mV / 耐浪涌能力有几十安培，因此它广泛地应用在低压耐浪涌能力有几十安培，因此它广泛地应用在低压和晶体管电路中。和晶体管电路中。2.3 膜

22、式压敏电阻器膜式压敏电阻器 膜式压敏电阻器，用悬浮液沉淀法，气相淀膜式压敏电阻器，用悬浮液沉淀法，气相淀积法，真空蒸发法和丝网印刷等方法制成积法，真空蒸发法和丝网印刷等方法制成v悬浮液沉淀法：是将已制备了电极的基片放悬浮液沉淀法：是将已制备了电极的基片放入含有硫化铝或氧化亚锡颗粒并且有快速挥入含有硫化铝或氧化亚锡颗粒并且有快速挥发的悬浮液中，待溶液挥发颗粒沉淀在基片发的悬浮液中，待溶液挥发颗粒沉淀在基片上后，再放入含有固化剂的环氧树脂溶液，上后，再放入含有固化剂的环氧树脂溶液，等树脂固化后再敷设上另一电极。等树脂固化后再敷设上另一电极。v汽相沉积法：是先在基片上形成金属汽相沉积法：是先在基片上

23、形成金属层，并使其氧化，再在金属氧化膜上层，并使其氧化，再在金属氧化膜上气相沉积一层半绝缘的硫化铝，最后气相沉积一层半绝缘的硫化铝，最后制备电极。制备电极。v真空蒸发法：是通过多次蒸发和氧化真空蒸发法：是通过多次蒸发和氧化而形成多层薄膜结构，如铝氧化铝而形成多层薄膜结构，如铝氧化铝锰氧化锰铅的五层结构，根据锰氧化锰铅的五层结构，根据使用要求，可制成具有正反对称的伏使用要求，可制成具有正反对称的伏安特性。安特性。v丝网印刷法：是用具有半导性质的粉料丝网印刷法：是用具有半导性质的粉料（ZnOBi2O3等混合物）与玻璃粉，粘结剂等混合物）与玻璃粉，粘结剂等混合后用丝网印刷技术均匀地涂在绝缘基等混合后

24、用丝网印刷技术均匀地涂在绝缘基片上烧成，用这种方法制成的压敏电阻器也片上烧成，用这种方法制成的压敏电阻器也称作厚膜压敏电阻器。其额定功率为称作厚膜压敏电阻器。其额定功率为510mwmm2，电压范围，电压范围510000V，a 约约340。2.4单颗粒层压敏电阻器v单颗粒层压敏电阻器是将碳化硅、硅等半单颗粒层压敏电阻器是将碳化硅、硅等半导体颗粒单层排列在一个平面上，颗粒之导体颗粒单层排列在一个平面上，颗粒之间用绝缘层连结，两颗粒的上下两面都凸间用绝缘层连结，两颗粒的上下两面都凸出于绝缘层之外，并与电极相接触，它的出于绝缘层之外，并与电极相接触，它的非线性特性是由颗粒和金属电极之间所形非线性特性是

25、由颗粒和金属电极之间所形成的肖特基势垒形成的，具有较好的非线成的肖特基势垒形成的，具有较好的非线性和重复性。性和重复性。2.5 金属氧化物压敏电阻器v金属氧化物压敏电阻器，是近期迅速发展的新金属氧化物压敏电阻器，是近期迅速发展的新型敏感元件，如以型敏感元件，如以ZnO、Fe2O3、TiO2 、 SnO2、BaTiO3、SrTiO3等为基而制成的结型等为基而制成的结型和体型压敏器件。品种很多，用途广泛。下面和体型压敏器件。品种很多，用途广泛。下面就以七十年代以来发展最快，应用最广的就以七十年代以来发展最快，应用最广的 ZnO压敏电阻器为典型，进行详细的讨论。压敏电阻器为典型，进行详细的讨论。三、

26、 ZnO压敏电阻器v 氧化锌压敏电阻器是以氧化锌压敏电阻器是以ZnO为主体材料，为主体材料，再加入适量的掺杂物（如再加入适量的掺杂物（如Bi2O3、CoO、MnO2等），采用陶瓷工艺制备而成等），采用陶瓷工艺制备而成.三、 ZnO压敏电阻器v 氧化锌压敏电阻器具有对称和非对称的伏氧化锌压敏电阻器具有对称和非对称的伏安特性，电压非线性指数大，耐浪涌能力强，安特性，电压非线性指数大，耐浪涌能力强，电压范围宽，温度特性好，响应速度快，工电压范围宽，温度特性好，响应速度快，工艺简便，成本低廉，具有极为广阔的应用前艺简便，成本低廉，具有极为广阔的应用前景，特别是在高压和特高压电路的稳压和过景，特别是在高

27、压和特高压电路的稳压和过压保护方面更显示其无以比拟的特性压保护方面更显示其无以比拟的特性3.1 ZnO压敏电阻器的型号命名vZnO压敏电阻器的型号命名压敏电阻器的型号命名第一部分：主称以第一部分：主称以M表示；表示；第二部分：类别以第二部分：类别以Y表示；表示；第三部分：用途和特征，以拼音字母表示；第三部分：用途和特征，以拼音字母表示；第四部分：序号用数字表示。第四部分：序号用数字表示。ZnO压敏电阻器在命名中使用的各种字母及其所压敏电阻器在命名中使用的各种字母及其所代表的意义如表（代表的意义如表（4-4）所示。）所示。ZnO压敏电阻器的型号命名方法主称主称 类别类别用途或表征用途或表征全称全

28、称符号符号意义意义符号符号意义意义符号符号意义意义M敏感敏感元件元件Y压敏压敏电阻电阻器器WGPNKLHZBC稳压用稳压用高压保护高压保护高频高频高能高能高可靠性高可靠性防雷用防雷用灭弧用灭弧用消噪用消噪用补偿用补偿用消磁用消磁用稳压压敏电阻器稳压压敏电阻器高压保护压敏电阻高压保护压敏电阻高频压敏电阻器高频压敏电阻器高能压敏电阻器高能压敏电阻器高可靠性压敏电阻高可靠性压敏电阻防雷压敏电阻器防雷压敏电阻器灭弧压敏电阻器灭弧压敏电阻器消噪压敏电阻器消噪压敏电阻器补偿压敏电阻器补偿压敏电阻器消磁压敏电阻器消磁压敏电阻器 Y W I稳压型压敏电阻器命名示例稳压型压敏电阻器命名示例3.2 ZnO压敏电阻

29、器的结构类型1、结型、结型 结型氧化锌压敏电阻器伏安特性的非线性是依靠氧化结型氧化锌压敏电阻器伏安特性的非线性是依靠氧化锌电阻体与金属电极接触势垒的整流特性形成的，它锌电阻体与金属电极接触势垒的整流特性形成的，它可分为两种：可分为两种： 当以一电极与电阻体形成接触势垒，而另一个电极则当以一电极与电阻体形成接触势垒，而另一个电极则形成欧姆接触，它的伏安特性是不对称的，利用其正形成欧姆接触，它的伏安特性是不对称的，利用其正向特性工作，一般压敏电压小于向特性工作，一般压敏电压小于1伏，电压非线性指伏，电压非线性指数为数为1220，电压温度系数为，电压温度系数为0.3% 。 v当二个电极与阻体都形成接

30、触势垒，它的伏安当二个电极与阻体都形成接触势垒，它的伏安特性是对称的，相当于一个整流结的正向特性特性是对称的，相当于一个整流结的正向特性和另一个整流结的反向特性的迭加。由于整流和另一个整流结的反向特性的迭加。由于整流结的反向特性可以通过氧化锌电阻体的掺杂，结的反向特性可以通过氧化锌电阻体的掺杂，电极成分以及烧银工艺来改变，因此可以在一电极成分以及烧银工艺来改变，因此可以在一定范围内调节这种电阻器的工作电压，一般定范围内调节这种电阻器的工作电压，一般V1ma6V，a15， aV约等于约等于0.2%/ 。2、体型v体型氧化锌压敏电阻器的两个电极与电阻体型氧化锌压敏电阻器的两个电极与电阻率都是欧姆接

31、触的，伏安特性的非线性是率都是欧姆接触的，伏安特性的非线性是由电阻体内大量由电阻体内大量ZnO半导体晶粒界层形成。半导体晶粒界层形成。这种体型压敏电阻器，可以通过对电阻体这种体型压敏电阻器，可以通过对电阻体成分、工艺、结构的控制和设计，达到取成分、工艺、结构的控制和设计，达到取得所需的性能要求得所需的性能要求v目前已组装到目前已组装到 1200KV， a110，而浪涌能，而浪涌能力为力为 300-3000A/cm2， aV 在在- 0.05 %/ 以以下的压敏电阻器。图下的压敏电阻器。图4-8是体型氧化锌压敏电是体型氧化锌压敏电阻器的结构示意图阻器的结构示意图图图 48 ZnO压敏电阻器结构压

32、敏电阻器结构3.3 ZnO陶瓷半导体的组成和工艺vZnO陶瓷半导体在制造过程中的一个特点就陶瓷半导体在制造过程中的一个特点就是配方组成及工艺条件对其性能并不十分敏是配方组成及工艺条件对其性能并不十分敏感，例如，添加的金属氧化物可以有多种，感，例如，添加的金属氧化物可以有多种，其含量为其含量为 110mol时，烧结温度在时，烧结温度在1350，只要相互配合适当，还是可能烧制成只要相互配合适当，还是可能烧制成a值较高，值较高，其它性能也较好的产品来。其它性能也较好的产品来。v但由于对但由于对ZnO陶瓷半导体的微观结构和导陶瓷半导体的微观结构和导电机理的认识，加上各种因素的影响，要电机理的认识，加上

33、各种因素的影响，要求制品的所有性能都达到理想的高水平也求制品的所有性能都达到理想的高水平也是十分不容易的，还是需要通过不断的试是十分不容易的，还是需要通过不断的试验实践来确定配方和工艺验实践来确定配方和工艺. v下面讨论配方组成及工艺对性能的影响。下面讨论配方组成及工艺对性能的影响。3.3.1 组分及其作用vZnO压敏电阻器的性能主要取决于阻体材料，压敏电阻器的性能主要取决于阻体材料，自一九六八年日本松下电器公司发表多元氧化自一九六八年日本松下电器公司发表多元氧化锌以来，人们对材料开展了大量的研究工作，锌以来，人们对材料开展了大量的研究工作，取得有实用性材料配方几百个，已被使用就有取得有实用性

34、材料配方几百个，已被使用就有包括过渡金属和稀土金属在内的数十种元素，包括过渡金属和稀土金属在内的数十种元素，这都为设计、制造和改进压敏电阻器提供了方这都为设计、制造和改进压敏电阻器提供了方便。便。v目前我国使用最多的是以目前我国使用最多的是以ZnO为基的多元为基的多元掺杂的配方，其典型组成为：掺杂的配方，其典型组成为：232323223x(100)ZnO+(Bi O +Sb OCo O +MnO +Cr O )5x x改变，同一工艺条件制得的产品的性能就有所不同。改变，同一工艺条件制得的产品的性能就有所不同。下表给出了产品下表给出了产品a、C值随值随x变化的情况变化的情况 x3时，时，a值最高

35、，下面就此配方为例，分述各组成值最高，下面就此配方为例，分述各组成的作用。的作用。添加物含量添加物含量x(mol%) 非线性系数非线性系数a 非线性电阻非线性电阻C(v/mm)0.10.31.03.06.010.015.01430504842370.0014080150180225310v(1) ZnO是基本成分，在瓷体中主晶相是含有是基本成分，在瓷体中主晶相是含有Zn填隙和少量填隙和少量Co或或Mn替位的替位的n型半导体，它型半导体，它构成电阻体的主体，并且提供导电电子的来构成电阻体的主体，并且提供导电电子的来源源v( 2 ) B i2O3在在 Z n O 陶 瓷 半 导 体 中 形 成陶

36、瓷 半 导 体 中 形 成Bi2Zn4/3Sb2/3O6的焦绿石以及一系列富铋相的焦绿石以及一系列富铋相（如溶有（如溶有Zn和和Sb的的12Bi2O3Cr2O3,13 Bi2O3Cr2O3, 14 Bi2O3Cr2O3及及-Bi2O3,-Bi2O3等），在烧结的相变过程中部分等），在烧结的相变过程中部分Bi被被 吸附到吸附到ZnO晶粒边界以内形成厚度约为晶粒边界以内形成厚度约为20的的富富Bi层，产生晶面电荷而形成耗尽层和界面层，产生晶面电荷而形成耗尽层和界面势垒，因此势垒，因此Bi2O3的添加对产生非线性有重要的添加对产生非线性有重要的作用，事实上多元的作用，事实上多元ZnO陶瓷半导体绝大部

37、陶瓷半导体绝大部分是含铋的，因分是含铋的，因Bi2O3在高温烧结时会形成液在高温烧结时会形成液相，有降低烧结温度以及防止二次粒长的作相，有降低烧结温度以及防止二次粒长的作用，但用，但Bi2O3在高温烧结时也容易挥发，可在在高温烧结时也容易挥发，可在配方时适当增加其含量。配方时适当增加其含量。（3）MnO2在在 ZnO及尖晶石相和焦绿石相及尖晶石相和焦绿石相中易于形成中易于形成 Mn2替位离子。实验表明，替位离子。实验表明，添加添加MnO2对非线性有强烈的影响，如图对非线性有强烈的影响，如图49所示。所示。 v 因为因为MnO2在晶粒边界处形成界面态或电子在晶粒边界处形成界面态或电子馅阱，使肖特

38、基势垒高度增加，伏安特性曲线馅阱，使肖特基势垒高度增加，伏安特性曲线变陡，从图可见，当变陡，从图可见，当 MnO2含量在含量在 0.1mol%以以下时，下时， MnO2含量对非线性的影响是很显著的，含量对非线性的影响是很显著的，但超过但超过0.1mol%以后，影响就不那么显著了，以后，影响就不那么显著了，而达到而达到0.5mol以后，界面态密度已达到饱和以后，界面态密度已达到饱和值，非线性的变化不大，因此继续增加值，非线性的变化不大，因此继续增加MnO2含量意义就不大了。含量意义就不大了。v(4)Co2O3: 在添加稀土金属氧化物的在添加稀土金属氧化物的ZnO陶瓷陶瓷半导体中如没有半导体中如没

39、有Co2O3则电阻率可降低为为则电阻率可降低为为15 cm，并且其阻值不随电压而变化，而，并且其阻值不随电压而变化，而当添加点当添加点Co2O3后，则电阻率可增至后，则电阻率可增至103109 cm，且，且 a值可达值可达 3040，由此推测，由此推测，其中的其中的 Co3离子在离子在 ZnO禁带中产生深能级，禁带中产生深能级，有助于在有助于在ZnO晶面形成界面态，增强非线性，晶面形成界面态，增强非线性，其作用机理与其作用机理与Mn2+相似。相似。v(5）Sb2O3、 Cr2O3 。 Sb2O3是形成是形成 Zn (Zn4/3Sb2/3 ) O6尖晶石相的关键成分，由于尖晶石相的关键成分，由于

40、尖晶相有抑制晶粒长大的作用，故添加尖晶相有抑制晶粒长大的作用，故添加Sb2O3后后ZnO晶粒小，晶粒小，C值高。添加值高。添加Cr2O3也也有抑制晶长的作用，但效果没有有抑制晶长的作用，但效果没有Sb2O3那么那么显著。显著。 相反，如果用相反，如果用TiO2代替代替Sb2O3则可以促进晶则可以促进晶粒的成长，从而得到粒的成长，从而得到C值较低的产品。值较低的产品。v 应该指出，上面的分析还是不很成熟的，应该指出，上面的分析还是不很成熟的，特别是几种添加物同时引入时，会互相产特别是几种添加物同时引入时，会互相产生影响，不能简单对待，在实际工作中，生影响，不能简单对待，在实际工作中，必须综合考虑

41、各种影响因素并结合实验数必须综合考虑各种影响因素并结合实验数据，选择和调整配方成分才能取得应有的据，选择和调整配方成分才能取得应有的效果。效果。3.3.2 器件制造v(1) 工艺过程工艺过程v压敏电阻器工艺过程与一般电子陶瓷元件相似，如压敏电阻器工艺过程与一般电子陶瓷元件相似，如图图410所示，首先将各种氧化物按要求纯度和配所示，首先将各种氧化物按要求纯度和配比称量，放入有橡胶衬底的料斗或磨瓶，以料：球比称量，放入有橡胶衬底的料斗或磨瓶，以料：球（玛瑙）：水约为（玛瑙）：水约为1：1：1的比例振磨或温磨，经的比例振磨或温磨，经充分细化混合，混合粉料在空氧中预烧，温度约充分细化混合，混合粉料在空

42、氧中预烧，温度约750800保温保温2小时，预烧后粉料再经混磨、烘小时，预烧后粉料再经混磨、烘干、过筛、造粒后，压制成所需尺寸瓷坯。干、过筛、造粒后，压制成所需尺寸瓷坯。v烧结在空气中进行，烧成制度视不同产品烧结在空气中进行，烧成制度视不同产品而定，一般为而定，一般为1200，保温，保温2小时后随炉冷小时后随炉冷却至室温，瓷片烧成后，在上下两面被烧却至室温，瓷片烧成后，在上下两面被烧银电极，经测量分选，即可焊引线或组装，银电极，经测量分选，即可焊引线或组装，然后包封，打标志、包装入库。然后包封，打标志、包装入库。（1）工艺要点）工艺要点 烧成温度烧成温度 上面已提到，上面已提到，ZnO陶瓷半导

43、体一般是在陶瓷半导体一般是在12001350间于空气中烧成，如何根据产品间于空气中烧成，如何根据产品的性能要求，选择最佳的烧成温度，主要是靠的性能要求，选择最佳的烧成温度，主要是靠反复的试验实践来确定反复的试验实践来确定.图图4-10 是五元配方的是五元配方的ZnO电阻体的烧成温度与电阻体的烧成温度与C和和a的关系。可见，的关系。可见，随烧成温度的提高，随烧成温度的提高， ZnO晶粒增大，晶界减少，晶粒增大，晶界减少，C值下降。据报导，值下降。据报导，a值的峰值关系与不同温度值的峰值关系与不同温度下富下富Bi相的转变有关。相的转变有关。ac图图4-11五元配方的五元配方的ZnO电阻体的烧成温度

44、与电阻体的烧成温度与C和和a的关系的关系 在在1350以下，随着温度的升高，富以下，随着温度的升高，富Bi相相逐渐由逐渐由14Bi2O3Cr2O3的四方相转变成的四方相转变成-Bi2O3四方相和四方相和-Bi2O3立方相，立方相，a值逐渐增值逐渐增大，而当烧成温度超过大，而当烧成温度超过1350时，由于富时，由于富Bi相的消失，相的消失， a值急剧下降，实用时，如希望值急剧下降，实用时，如希望a值大值大C值小，可选取值小，可选取13001350较高的较高的烧温，如果要求提高烧温，如果要求提高C值，值，a值又可以低些，值又可以低些，则可选则可选12001300为烧结温度。为烧结温度。3.3.2

45、器件制造v工艺过程工艺过程 压敏电阻器工艺过程与一般电子陶瓷元件相压敏电阻器工艺过程与一般电子陶瓷元件相似。似。 工艺要点：烧成温度：如希望工艺要点：烧成温度：如希望a值大值大C值值小，可选取小，可选取13001350较高的烧温，如果较高的烧温，如果要求提高要求提高C值，值，a值又可以低些，则可选值又可以低些，则可选12001300为烧结温度。为烧结温度。ac图图4-11五元配方的五元配方的ZnO电阻体的烧成温度与电阻体的烧成温度与C和和a的关系的关系 玻化处理v为了改善为了改善ZnO瓷体的压敏性能，在制备过程中，瓷体的压敏性能，在制备过程中，往往把烧成后的瓷体再在往往把烧成后的瓷体再在800

46、1000的温度的温度下进行玻化处理。即在下进行玻化处理。即在ZnO瓷体表面上涂复上瓷体表面上涂复上Bi2O3或或Bi2O3和和MnO的混合物，然后有的混合物，然后有8001000 下进行热处理，使涂覆的氧化物沿下进行热处理，使涂覆的氧化物沿ZnO瓷体的气孔和晶界扩散到体内，进一步瓷体的气孔和晶界扩散到体内，进一步 提高边界层的特性，经过这样玻化处理的提高边界层的特性，经过这样玻化处理的ZnO瓷体，不仅可以改变工作电压，而且使瓷体，不仅可以改变工作电压，而且使电阻器在一定温度，湿度和负载条件下的稳电阻器在一定温度，湿度和负载条件下的稳定性得到了显著的提高，即使是呈线性特性定性得到了显著的提高，即

47、使是呈线性特性的的ZnO瓷体，进行玻化处理后，也可以转变瓷体，进行玻化处理后，也可以转变成具有良好非线性的压敏半导体。成具有良好非线性的压敏半导体。电极 ZnO压敏电阻器的电极一般是用银、铝、铜等制成的，为了降低压敏电阻器的电极一般是用银、铝、铜等制成的，为了降低成本，除有的改为喷铝或铜代替烧银电极外，最近还出现一种更成本，除有的改为喷铝或铜代替烧银电极外，最近还出现一种更加廉价的组装工艺。它是将烧结好的电阻基体放在浓度为加廉价的组装工艺。它是将烧结好的电阻基体放在浓度为 10 35的盐酸中，以除去基片表面金属氧化物中的氧离子，使其表的盐酸中，以除去基片表面金属氧化物中的氧离子，使其表面上留有

48、面上留有 Zn、Bi等纯金属混合物，可能发的化学反应如下：等纯金属混合物，可能发的化学反应如下： ZnO 2HCI ZnCl2 ZnCl2 Zn十十Cl2 Bi2O3 6HCI 2BiCl3+3H2O ZBiCl3 2Bi 3Cl2 v这些反应使得基片表面形成一层很薄的这些反应使得基片表面形成一层很薄的Zn和和Bi金属层，然后用铝一锡一铋焊料直接焊在金属层，然后用铝一锡一铋焊料直接焊在基片上，或者直接借助焊料将二个散热片粘基片上，或者直接借助焊料将二个散热片粘附在基片二侧。附在基片二侧。引线 压敏电阻器用于浪涌保护时，引线（和压敏电阻器用于浪涌保护时，引线（和连接线）应尽量选择短些，因为引线（

49、和连连接线）应尽量选择短些，因为引线（和连接线）越长，寄生电感便越大，当浪涌电流接线）越长，寄生电感便越大，当浪涌电流通过寄生电感时将产生越大的附加电压。通过寄生电感时将产生越大的附加电压。v3.4 ZnO陶瓷半导体的显微结构陶瓷半导体的显微结构 ZnO陶瓷半导体的显微结构主要是指其陶瓷半导体的显微结构主要是指其相组成和相分布，从上述的讨论可知，相组成和相分布，从上述的讨论可知， ZnO陶瓷半导体是一种由陶瓷半导体是一种由ZnO和其它金属氧化物和其它金属氧化物添剂所形成的多相结构体，随着添加物含量添剂所形成的多相结构体，随着添加物含量及烧成温度的不同，这种多相组成会有较大及烧成温度的不同，这种

50、多相组成会有较大的差异，下面就以五元配方在的差异，下面就以五元配方在 1350 温度温度下烧结形成的相组成和分布为例进行讨论：下烧结形成的相组成和分布为例进行讨论： 3.4.1相组成相组成 关于关于ZnO陶瓷半导体的多相结构，一般认为陶瓷半导体的多相结构，一般认为是由下面四种相所组成的：是由下面四种相所组成的：（1）n型型ZnO主晶相主晶相： 溶解有少量溶解有少量Co的的ZnO相，具有纤锌矿型，相，具有纤锌矿型，晶格常数晶格常数 a3.24 ， C5.19，c/a=1.60，ZnO晶相构成瓷体的主晶相，且由于晶相构成瓷体的主晶相，且由于Zn的填隙的填隙或或Co的溶入取代，使它具有的溶入取代，使

51、它具有n型导电的特性型导电的特性。 据报导，施主电离能对在据报导，施主电离能对在Zn填隙时为填隙时为0.05eV，而在掺而在掺Co时为时为0.036eV,所得的电阻率约为所得的电阻率约为0.22cm。 实验证明，这一相在任何烧结温度下都存在，实验证明，这一相在任何烧结温度下都存在，但是约在但是约在 900时，由于部分时，由于部分ZnO转变成其它相转变成其它相而显著减少，且若当其它添加物的含量达到而显著减少，且若当其它添加物的含量达到30以上时，则以上时，则 ZnO相就消失了。相就消失了。（2）掺杂的立方焦绿石相：掺杂的立方焦绿石相： 溶解有溶解有Co、Mn和和Cr的的 Bi2（Zn3/4Sb2

52、/3）O6的立方焦绿石相，的立方焦绿石相，其晶格常数其晶格常数a10.45。这一相处于晶粒边界，对瓷体的压敏特。这一相处于晶粒边界，对瓷体的压敏特性不起直接作用，但在高温与性不起直接作用，但在高温与ZnO作用生成富作用生成富Bi相。相。 立方焦绿相在立方焦绿相在700900的温度下形成，在约的温度下形成，在约850时达到时达到最大值，并于约最大值，并于约950消失，但是在缓慢冷却过程中，若无消失，但是在缓慢冷却过程中，若无Cr存在，尖晶石相又会与存在，尖晶石相又会与Bi2O3作用重新生成焦绿石相。作用重新生成焦绿石相。 过渡相，温度升高就消失。在烧结过程中阻碍过渡相，温度升高就消失。在烧结过程

53、中阻碍ZnO主晶相的生主晶相的生长，间接影响长，间接影响a。（3）掺杂立方尖晶石相掺杂立方尖晶石相 溶解有溶解有Co、Mn和和Cr的的Zn(Zn3/4Sb2/3) O4的立方尖晶石相，的立方尖晶石相，其晶格常数其晶格常数a8.32。这一相呈微粒状，同样处于晶界处，对。这一相呈微粒状，同样处于晶界处，对ZnO瓷体的压敏特性不起直接作用，但烧结时由于它的存在会瓷体的压敏特性不起直接作用，但烧结时由于它的存在会阻碍阻碍ZnO晶粒边界的移动而抑制晶粒长大。晶粒边界的移动而抑制晶粒长大。 立方尖晶石相在立方尖晶石相在850开始形成并随烧成温度的上升而逐开始形成并随烧成温度的上升而逐渐增加，因为温度上升时

54、，焦绿石相按下式转变为尖晶石相：渐增加，因为温度上升时，焦绿石相按下式转变为尖晶石相： Bi2(Zn3/4Sb2/3)O6+ZnO Zn(Zn3/4Sb2/3) O4+ Bi2O3 上式表明，焦绿石相中的上式表明，焦绿石相中的Bi2O3全部为全部为ZnO所取所取代，而尖晶石相与焦绿石相的浓度比随温度的升高代，而尖晶石相与焦绿石相的浓度比随温度的升高而增加，当高温淬火时，形成的尖晶石相会被保留而增加，当高温淬火时，形成的尖晶石相会被保留下来，另外，若尖晶石相中溶有下来，另外，若尖晶石相中溶有Cr,而因为而因为Cr有稳定有稳定尖晶石的作用，使它在冷却过程中不与尖晶石的作用，使它在冷却过程中不与Bi

55、2O3作用生作用生成焦绿石相，故即使缓慢冷却，尖晶石相也能存在。成焦绿石相，故即使缓慢冷却，尖晶石相也能存在。 在烧结过程中阻碍在烧结过程中阻碍ZnO主晶相的生长，主要影响主晶相的生长，主要影响C，间接影响间接影响a。（4）富 Bi相 富富Bi相含有相含有 D相和相和 B相，其中相，其中 D相是在相是在Bi2O3-ZnO-Sb2O3 系统中形成的系统中形成的-Bi2O3四角相，其晶格四角相，其晶格常数常数a=10.93，C=5.62。 B相是在相是在Bi2O3-ZnO-Sb2O3系统中形成的系统中形成的-Bi2O3立方相，其晶格立方相，其晶格常数常数a5.48。 由于富由于富Bi相溶有大量的相

56、溶有大量的 ZnO和少量的和少量的Sb2O3,有利于液相烧结成瓷；有利于液相烧结成瓷；又由于富又由于富Bi相溶有少量的相溶有少量的Co和和Mn而存在晶界内，故有产生高而存在晶界内，故有产生高a值的作用。值的作用。 烧 结 过 程 中 ， 富烧 结 过 程 中 ， 富 B i 相 约 在相 约 在 7 5 0 时时 形 成形 成 13Bi2O3Cr2O3并逐渐参与形成焦绿石相，至并逐渐参与形成焦绿石相，至850继续继续升温，升温，Bi2O3又从焦绿石相中分离出来，生成含又从焦绿石相中分离出来，生成含有有Cr的富的富Bi液相，随着温度的升高，约至液相，随着温度的升高，约至1250 。液相中的液相中

57、的Cr全部移入尖晶石相。全部移入尖晶石相。 -Bi2O3相就是这种相就是这种无无Cr富富Bi液相在冷却过程中形成的。液相在冷却过程中形成的。 3.4.2相分布 ZnO陶瓷半导体的相分布问题，不同研究者有着不同的陶瓷半导体的相分布问题，不同研究者有着不同的看法，归纳起来，前后大致可分如下面两种观点。看法，归纳起来，前后大致可分如下面两种观点。 （1）晶界相的连续分布图象）晶界相的连续分布图象 这一观点认为，这一观点认为，ZnO晶粒构成陶瓷半导体的主晶相，而富晶粒构成陶瓷半导体的主晶相，而富Bi相则形成连续的三维网络，完全包裹相则形成连续的三维网络，完全包裹ZnO晶粒，尖晶石相晶粒，尖晶石相和焦绿

58、石相相继地分布在富和焦绿石相相继地分布在富Bi相中，这样，富相中，这样，富Bi相、尖晶石相、尖晶石相和焦绿石相一起构成一连续的晶界相和焦绿石相一起构成一连续的晶界 层，其厚度约在层，其厚度约在2002000之间，这从富之间，这从富Bi液相完全润湿了液相完全润湿了ZnO晶粒，从而促进烧结的角度看，这种连续分布图象符合上晶粒，从而促进烧结的角度看，这种连续分布图象符合上述各相组成的作用，但随着新的显微技术和分析手段的发展与述各相组成的作用，但随着新的显微技术和分析手段的发展与应用，这种分布图象已不断为实验结果所否认。应用，这种分布图象已不断为实验结果所否认。（2）晶界相的非连续分布图象）晶界相的非

59、连续分布图象 通过俄歇电子频谱分析和高分辨力电子显微镜的观测，大通过俄歇电子频谱分析和高分辨力电子显微镜的观测，大多数多数ZnO晶粒并没有晶界相存在。上述各相组成主要分布在晶粒并没有晶界相存在。上述各相组成主要分布在34个晶粒的交角处，并没有完全包裹个晶粒的交角处，并没有完全包裹ZnO晶粒。晶粒。 多数晶粒是自相接触，它们仅被晶粒边界所分隔，观多数晶粒是自相接触，它们仅被晶粒边界所分隔，观测到的这种晶粒边界的宽度在测到的这种晶粒边界的宽度在 20左右，这样窄的晶左右，这样窄的晶界是不足以形成分离相的，它们只起了表面态的作用，界是不足以形成分离相的，它们只起了表面态的作用，由此就造成这样的一种分

60、布图象，晶界相主要分布在由此就造成这样的一种分布图象，晶界相主要分布在34个晶粒的交接处，因此是不连续的；富个晶粒的交接处，因此是不连续的；富Bi层处于层处于大多数大多数ZnO晶粒之间，对非线性特性起着重要的作用。晶粒之间，对非线性特性起着重要的作用。3.5 ZnO压敏电阻器的性能特点1具有优良的非线性特性具有优良的非线性特性 ZnO压敏压敏电阻器伏安特性的非线性指数大，电阻器伏安特性的非线性指数大，a值可值可达到达到50以上。因此在标称电压以下的低压范围几乎以上。因此在标称电压以下的低压范围几乎没有漏电流形成，其绝缘电阻可以高达没有漏电流形成，其绝缘电阻可以高达1010以上，以上，在大电流范