1、压敏电阻的工作原理摘要：本文通过在不同温度下微波烧结 ZnO 压敏电阻，并与传统方法烧结的样品比较，得到微波烧结ZnO 压敏电阻的最佳工艺，并总结出 ZnO 压敏电阻电性能随烧结温度变化的规律。对锡焊前后 ZnO 压敏电阻的电性能进行对比，证明微波烧结会使空气中敞开烧结的样品表面大量挥发形成孔隙，使电性能强烈恶化。而密闭烧结能大大减少挥发，改善电性能。 关键词：氧化锌压敏电阻，电性能，微波烧结，锡焊1 压敏电阻的工作原理1.1 机构简介氧化锌非线性电阻片是以氧化锌为主要材料的基础上、掺以微量的氧化铋、氧化钴、氧化锰等添加物经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。它的微观结构如图1所示。
2、，氧化锌又包括氧化锌晶粒和晶粒周围的晶界层，氧化锌晶粒的电阻率很低，而晶界层电阻率很高，相接触的两个晶粒之间形成一个相当于齐纳二极管的势垒，成为一个压敏电阻单元，许多单元通过串联，并联组成压敏电阻器基体。图 1 压敏电阻片的微观结构一个压敏电阻片可以看成是许许多多微型的PN结串联而形成，因此增加压敏电阻器的轴向长度可以提高压敏电阻器的击穿电压；增加压敏电阻器的半径，等价于增加PN结的数目，从而可以提高压敏电阻器的通流量。1.2 电气特性12.1 伏安特性为了能在很大范围内较为完整地考察压敏电阻的非线性特征，压敏电阻的伏安特性常用指数横坐标来绘制。图 2 给出了一条典型压敏电阻片的伏安特性，它在
3、 的8410A电流范围内大致可划分为三个区间。第一个区间称为泄漏区间，在这个区间内，压敏电阻中电流很小，呈现出近似开路状态。第二个区间称为箝位工作区间，在这一区间内，压敏电阻对过电压发挥箝位限压作用，其电流大，动态电阻很小。第三个区间称为过载区间，在这一区间内，压敏电阻严重过载，箝位功能恶化。从整个伏安特性上看，特性曲线在这三个区间内具有相互区别的非线性特征，以下将分别对这三个区间加以讨论。 电压/Vi=cun泄 漏 区 箱 位 工 作 区 过 载 区103-3105-8724462图 2 压敏电阻片的伏安特性1.2.2 等值电路模型压敏电阻的等值电路模型可采用图 3 来表示，该图中的 C 为
4、晶界层的固有电容，R l为泄漏电阻，R n为晶界层电阻，R b为氧化锌晶粒的体电阻，L 0为压敏电阻器引头寄生电感。在压敏电阻伏安特性的三个区间内，其等值电路将有不同的简化形式。1、泄漏区间在泄漏区间，压敏电阻中仅流过很小的泄漏电流，它具有很高的电阻值 。在这一段伏安l特性上近似呈现出线性特征，对于图 3 来说，由于现在的电流密度很小，晶界层电阻 不nR起作用。另外，又由于泄漏电阻很 大(约 )，氧化锌晶粒体电阻 (约几欧姆)可lR910b忽略不计，于是图 3 可简化为图 4 所示电路。在该电路中，晶界层固有电容 C 一般可近似看作是常数，因为 C 在不大于 lOOkHz 的频率范围内基本上不
5、随频率变化。温度对的影响也不明显，在 20时测出的 C 值，当温度从40变化到 125时，其值变化不超过土10，但是当压敏电阻上外加电压接近于箝位工作区电压下限时，C 将会迅速减小。温度对压敏电阻泄漏区伏安特性的影响是颇为可观的，图 3-5 给出了一组在不同温度下测出的伏安特性，其中纵坐标电压百分比的基值是在 20时压敏电阻中流过 lmA 电流所对应的电压，由该图可见，在泄漏区内，伏安特性随温度变化的效应是相当明显的。泄漏电流与温度的关系可近似用下式表示：/0lVBTIe上式中 为泄漏电流， 为拟合常数，T 为温度， 为波耳茨曼常数, 。由上lI0I 0.9bVe式可知，温度能影响泄漏电流，改
6、变泄漏区内伏安特性的斜率，因此能改变泄漏电阻的数值。泄漏电阻虽然受温度影响，但压敏电阻在泄漏区仍能维持高阻状态。通常，高阻值的泄漏电阻 随频率变化，它与频率，厂之间的关系可以近似表示为：lR lkRf上式中沦为常数，可由试验确定。L0Rnb1C图 3 压敏电阻的等值电路模型 10图 4 泄漏区简化电路 10-23-4105-6710-89230456810压敏电阻电压百分比%52图 4-5 不同温度下泄漏区的伏安特性温度对压敏电阻伏安特性的影响可以用温度系数曲线加以描述，图 4-6 给出了两种不同型号压敏电阻试品的电压温度系数(dudT)随电流变化的曲线。从该图可以看出，当电流小于 lmA 时
7、，温度系数呈现出明显的负值，其绝对值随电流增大而减小。当电流大于lmA 且小于 0.01A 时，电流增大对温度系数的影响逐渐减小。当电流再增大到大于 1A 且小于 100A 时，即进入箝位工作区间，温度系数变为零，这就意味着在箝位工作区间内，电流变化对温度系数无影响。103210-10-543220.1泄 漏 区 钳 位工 作 区温度系数/(%)电 流 /A图 4-6 电压温度系数与电流的关系2、箝位工作区间在箝位工作区间内，压敏电阻的伏安特性常采用下式来表示：(41)aicu上式中 和 均为常数，可由实测伏安特性数据来确定，压敏电阻的伏安特性非线性程c度主要由常数。来表征。对于一条给定的压敏
8、电阻伏安特性，从特性上的合适位置选两点，设这两点的坐标为( ， )和( ， )，按式(41)可将 表示为下式：1ui2i21lg(/)iuRnL0图 4-7 箝位工作区简化电路在箝位工作区间内，压敏电阻呈现出低阻导通状态，其晶界层电阻月。要比泄漏电阻凡和固有电容 C 的容抗小好几个数量级，因此 和 C 均可忽略，且只。又比氧化锌晶粒体lR电阻 A6 大得多，R6 也可忽略。于是，压敏电阻在箝位工作区间内的等值电路可简化为图4-7 所示串联支路。由于在箝位工作区间内压敏电阻处于低阻导通状态，当电流变化几个数量级时，压敏电阻两端的电压近似维持不变，则压敏电阻的非线性电阻仅随电流变化，这一点将反映在
9、压敏电阻的静态和动态电阻上。压敏电阻的静态电阻定义为：nuRi压敏电阻的动态电阻定义为：nduRi图 48 分别给出一个典型压敏电阻的静态和动态电阻随电流变化的曲线，其中两条曲线的纵坐标均以压敏电阻上单位有效值电压下的欧姆数给出的。图 4-8 静态和动态电阻随电流变化的曲线静态电阻/ 峰 值 电 流 /A501.05110.105峰 值 电 流 /A静态电阻图 4-8 静态和动态电阻电流变化的曲线3、过载区间在图 42 中，当压敏电阻中的电流很大时，其伏安特性从原来的箝位工作区间的平坦状态陡然上翅，动态电阻迅速增大，进入过载区间。在过载区间，压敏电阻中电流密度非常大，氧化锌晶粒体电阻开始起支配
10、作用，使非线性特性变坏。压敏电阻在过载区间的等值电路见图 4-9，此时由于电流很大，R n很小，压敏电阻的等值电路再次呈现为一串联支路。 bL0图 4-9 过载区简化电路1.3：温度特性在不同的电流区，其 I-V 随温度的变化规律是不同的，图 3 展示出 I-V 特性随温度的变化特征。可以看出，在不同区域显示完全不同的规律。小电流区的 I-V 特性与温度密切相关，其电阻-温度系数为负值，即在相同电压下电流随温度升高而增大；中电流区与温度没有明显的关系，其电阻-温度系数为微小的负值；大电流区的电阻-温度系数为正值，即在相同电压下的电流随温度升高而减小。10234上/(V.cm-)-8-6104-
11、2/(A.cm)104上图 3 电场强度与电流密度特性随温度的变化特征1.4：响应现象ZnO 压敏电阻的导电机理与其他半导体元件相似，故其导通极其迅速，没有明显的延时，相应速度可等于或小于 1ns。由于受测量中接线电感等因素的制约，掩盖了其本征的响应速度，通常测量的响应速度为 50ns。在实用中最感兴趣的是，冲击电流波形对电阻片残压的影响。在冲击电流幅值相同的条件下，波头持续时间越短，则残压越高；在冲击电流波头时间相同的条件下，冲击电流越高，则残压也越高。定义残压升高倍数为在相同峰值电流下某一波形的最大残压与波头时间为 8/20 冲击电流时的冲击残压之比。采用同一规格的电阻片，改变冲击电流波形s进行测试的结果如图 4 所示。0.891.0.2.10.51.5810上上/SZnOSiC上10KA4KA6810图 4 ZnO 压敏电阻片对冲击电流的电压响应特性当峰值电流一定时，残压随波头时间的减少而升高的现象，称为过冲效应。比如，电流为 10kA 时，当波头时间减小到 1 时，残压将升高 6%。由图 4 可见，电流增加，残压也随之增加。但是，SiC 阀片的响应特性很陡，而 ZnO 压敏电阻片的响应则平缓得多。
