压敏电阻的非线性系数资料

1、1 引言非线性系数是描述ZnO压敏电阻非线性强弱的电参数。通过实验建立起电流与电压的函数关系，计算出非 线性系数a值。文章综述了工作环境、添加物的种类、烧成因数、热处理、机械应力、润湿特性对非线性影响。2 非线性系数a2. 1非线性系数a定义非线性系数是描述ZnO压敏电阻非线性强弱的电参数。通过实验可以建立起电流与电压的函数关系，从电 流与电压的函数关系中可以看出这种非线性的强弱13。取一只ZnO压敏电阻，在其两端施加脉冲电压，脉冲的宽度应窄到不使压敏电阻发热，测出并记下各电压 值相对应的电流值，在双对数坐标上描点连线，得到的伏安特性曲线如图1所示。在图1中，在大于Ib的某一电流范围内，I-U

2、特性近于直线，其直线方程为lgI = algU-A(1)式中a-为该直线的斜率，a = lg0A 为该直线的截距。令A = algC，上式可写成(2)即(3)由式(3)知，压敏电阻在这一电流范围的I-U特性是由参数a和材料C值决定的。由a值的几何意义可知，a值越大，该直线越陡，非线性越强。故a又称非线性系数。2非线性系数a值要给出电流范围在很宽的电流范围内，a并不是一个常数。在小电流和大电流端，a值均有所下降；在曲线急剧上升区，a 值为最大，压敏电阻可充分发挥非线性的作用，a值可达60以上，因此在此区域中，压敏电阻的电阻值对 电压的变化是极其敏感的。由于a值与电流有关，故可在I-U曲线陡峻上升

3、区选定某一电流值范围，在此范围内取其a值对不同压敏 电阻进行非线性比较。不同压敏电阻进入陡峻区的电压也是不同的，一般说来，在一定几何形状下，电流在1mA附近时，ZnO压 敏电阻的a值可达最大，往往取与1mA电流相对应的电压作为I随U陡峻上升时电压大小的标志，并把此 电压称为压敏电压4。3计算非线性系数a值按照式(3)，根据测量结果可以计算a值。在需要测量的电流范围内，分别确定两个电流值I1和I2，并令I2 = 10I1。分别测出与I1和I2相对应的电压值U1和U2，然后按下面推出的公式(6)即可求出a值3。根据式(3)可得lgI1= lgU1-lgC(4)lgI2= lgU2-lgC(5)经整

4、理后可写出下式：(6)3 工作环境与非线性系数1非线性系数a随电流强度(翻转区)增加而降低图2示出了 a值随电流变化情况，由图看出，室温下的曲线在约10-3A处达最大值3, 4。这种a值与电流的关系是由I-U特性决定的，电流从10-10A/cm2到103A/cm2的I-U特性曲线示于图3。 图中I-U特性曲线分成三个区域。(1)预击穿区曲线在约10-6A/cm2以下是I-U特性陡峻上升前的区域，叫做预击穿区，该区的I-U特性呈现lgI - U1/2 的关系，因此，该区中lgI与U1/2之间的关系可用一直线表示，图4给出了实测的lgI与U1/2的关系曲 线。在预击穿区以下更小的电流范围内，ZnO

5、压敏电阻的I-U特性是欧姆性的，此时 a = 1。击穿区当图3中的电流从约10-5A/cm2至U 10A/cm2时，曲线呈现非线性特征，I-U特性可近似地以式(3)表示， 这个区域叫击穿区。翻转区在约10A/cm2以上的大电流区，由于晶粒上的压降I-U特性曲线出现回升，非线性又复减弱，当电流达 103A/cm2时，实测的a值等于1。3. 2非线性系数a随温度上升而下降在预击穿区，lgI对U1/2关系是一条直线，I-U特性曲线的温度相关性很大。当温度升高时，预击穿区的 I-U特性曲线向高电流方向移动。预击穿特性与电子的热发射相联系。对反向偏压区，向右流动的电子热激 活能是OB，可以用肖特基发射的

6、定律来描述这种热发射电流3, 4。(7)式中OB-晶界势垒高度，E 一电场强度，P-常数，(8)Jo 常数，k 波尔滋曼常数，T 绝对温度。在图2中可以看出77K时的amax高于298K时的amax，且温度下降时，出现amax的电流值也下降。 在使用ZnO压敏电阻时，应考虑到这种值随温度变化的情况。产生上述a值随温度变化的原因也是与I-U特性有关的，图5是ZnO压敏电阻在不同温度下的I-U特性曲 线。由图5知，在预击穿区中，I-U特性曲线随温度的变化较大，随着温度的上升，I-U特性向高电流值方向移 动。这是由预击穿区的肖特基型热发射所决定的。随着温度升高，热发射加剧，预击穿区I-U曲线上移，随

7、 着预击穿区I-U曲线的上移，进入击穿区的电流增高，由此引起图2所示的a值随温度变化的情况。在击穿区，由于导电机构取决于通过势垒的隧道效应，所以温度对I-U特特性的影响是极其微弱的。3. 3机械应力引起非线性变坏Bi2O3在ZnO压敏电阻的压敏特性方面起着重要作用。然而，Bi2O3引起的问题是，由于在烧结温度下它 是液相，可能使ZnO晶粒不规则生长；而且，由于Bi2O3的挥发使其电气性能发生变化。当在600800 C 温度范围再加热涂敷电极时，随着Bi2O3物相转变也引起非线性降低的现象。Bi2O3可能以a、p、6和丫 四种不同型物相存在。当Bi2O3相从p转变成 型时，由于ZnO晶粒边界产生

8、的微观体积变化而引起机械 应力，这种应力引起非线性变坏5(详见7 )。3. 4非线性系数a随能量吸收能力上升而下降ZnO压敏电阻施加大电流冲击时，能量吸收能力很大程度上决定烧结体的均匀性，还决定于非线性系数a。 图6所示出达到一定温度下，积蓄的能量与a的函数关系。假设压敏电阻中心区域的直径达10mm，不均 匀性 V1为5%，由图看出，非线性系数a扩大了不均匀性对能量分布的影响6。3. 5非线性系数a随老化现象变坏经过长期交、直流负荷或高浪涌负荷冲击后，I-U特性会出现老化现象。所谓老化现象是指压敏电阻经过上 述负荷后，压敏电压下降、I-U特性变坏，正、反向电压下的I-U特性曲线变得不再对称的一

9、种现象。产生 这种现象的原因是与正、反向偏置势垒两侧的离子迁移有关的，图7所示了直流负荷前后I-U特性曲线的 比较3。负荷电压：120V ；时间：60min ；温度：373K由图7知，经负荷后：预击穿区的I-U特性曲线向高电流方向移动，对同一电压值来说，反向I-U特性曲线比正向I-U特性曲线 的移动动变大些。即I-U特性变得与极性有关。在击穿区，由于I-U特性取决于电子的隧道效应，所以老化的程度比预击穿区要小得多，这说明老化现象主 要是对击穿区而言的。4 添加物种类与非线性系数4. 1添加物种类以ZnO添加Bi2O3的系统为基础，对其添加各种添加物，非线性系数a值因添加物种类的不同而发生显著

10、的变化。表1列出添加物的种类与压敏电阻特性的关系7。仅添加Bi2O3，a值为35左右；而添加Co和Mn的氧化物，则a值增加到25左右；为了提高a，这些 成分的添加是必不可少的。再添加Sb氧化物，可使值变得非常大，增加到45左右，并能改善作为压敏电 阻实用上的其他各种性能。单加Bi、Sb，a在10以下，而在Bi、Sb、Co和Mn的氧化物组合添加的情况 下，表现出显著的非线性。对该系数进一步添加Cr、Sn和Si等氧化物控制其特性，即可获得实用的压敏 电阻。图8所示以添加Bi、Sb、Co、Mn和Cr五种氧化物系系列为例，说明非线性与添加物剂量的关系。4. 2添加Al3+、Ga3 +和In3 +增加大电流区非线性由于非线性区的存在是由晶粒边界和晶粒的不同阻抗决定的，为增加翻转区的大电流非线性的措施，是选择 施主杂质来有效地降