亚敏半导体陶瓷及其应用.docVIP

亚敏半导体陶瓷及其应用 由电压敏半导体（简称亚敏）半导体材料制成的亚敏电阻器，在电子敏感器件中占有很重要的地位。所谓亚敏电阻器，是一类电阻值随加于其上的电压而灵敏变化的电阻器。其工作原理基于所用亚敏电阻材料的特殊的非线性伏安特性。具有这种特殊非线性特性的材料包括硅、锗等单晶半导体及SiC、TiO2、BeTiO3、SrTiO3、ZnO半导体陶瓷等。其中以ZnO半导瓷的特性最佳。由ZnO半导瓷制成的亚敏电阻器，从1968年首先由日本松下电气公司开发应用以来，发展极为迅速。据统计，从1968～1988年的20年间，ZnO亚敏电阻器的生产总量高达约34亿只；所发表的有关研究论文和报告多达约700篇；所开发应用软件的产品品种不胜枚举，包括从超小型的（尺寸不到1mm2）到巨型的（其中单个高能ZnO磁片即重达数公斤）；通流量从几安的到10万安以上的；浪涌吸收能量从焦耳级到高达几百千焦；工作电压从几伏到几十万伏都有。由此开拓的应用领域从电力（交、直流输配电）系统扩及通信、交通、工业保护、消费电子学及军事电子学等各个系统。因此，以ZnO半导瓷为基的亚敏电阻器不仅是所有的亚敏电阻元件重，也是所有敏感元件中研究得最多，发展得最快、应用得最广者之一。基于此，本章将以ZnO半导瓷及ZnO亚敏电阻器为主要对象展开讨论。 §5－1半导体材料中的非线性伏安特性 在一般的电阻材料（如金属电阻丝及其它各种固体电阻器材料）中，其U-I特性具有如图5－1中曲线所示的线性特性。但在许多半导体（包括元素半导体，化合物半导体；单晶半导体及陶瓷半导体）中，由于其特殊的导电机制，其U-I特性不遵从欧姆定律，而在一定的电压于电流区域内表现出强烈的非线性特性，如图5－1所示2、3、4曲线。当这种外加电压增加到某一临界值之后，流过材料的电流急剧增大，或其电阻率急剧减小的非线性效应，一般称为亚敏电阻效应。显然，由这些材料制成的器件，其电阻值是随外加电压而变化的。因此，得名为亚敏电阻器。但在一些文献中，也常有变阻器、非线性电阻器或非欧姆电阻器之称。 正如后面将要讨论的，亚敏电阻器具有很大的实用价值和应用范围。但是，所有这些应用的现实性，主要取决于其U-I特性曲线的形状及稳定性。因此，需要对这种非线性的U-I特性先作一些解析分析。 对于作为亚敏电阻元件用的半导瓷材料（如SiC和ZnO），从实验中发现，如将其U-I特性改用双对数坐标表示，即将其曲线改而描绘成lgU-lgI曲线，则该曲线均在电压超过某一临界值之后，在一个相当宽的U和I 范围内呈现为一直线，如图5－2所示。 从图5－2（b）可见，这些直线可以用如下的数学分析式表示： lgI=α(lgU-lgC) 或 I=(U/C) α 式中，I为流过亚敏电阻器的电流；U为加于亚敏电阻器上的断电压；C是量纲为欧姆的材料系数；α为表示电阻值随电压增加而下降的程度的指数，称为非线性系数。 从式（5－1）和（5－2）可见，α及C是决定亚敏电阻材料与器件工作特性的两个重要参数。因此，需要进一步来讨论它们的物理含义。 非线性系数α α系数实际上可以定义为在给定的外加电压作用下，U-I特性曲线上某点的静态电阻Rs（等于U/I）与动态电阻Rd（等于du/dI）之比，即 α=Rs/Rd=(U/I)/(du/dI)=(dI/I)/(dU/U) 或 dI/I=α(dU/U) 积分后可得：lnI=αlnU + C′=α(lnU-lnC) 从而可得I=(U/C) α 这与实验所得的式（5－2）是一致的。 当U-I特性曲线为一直线，即不存在非线性时，因而Rs=Rd,故α＝1；当lgU-lgI为一直线（如图5－2（b））时，则α为一恒大于1的值。然而，对于任何一个种实际的亚敏电阻器来说，其完整的U-I特性不可能用一个统一的数学式来表示。尤其是在很小的U和I值区段，因其U-I特性曲线在此区段几近线性，故α值很小；而在很大的U和I值区段，由于U-I曲线上翘，其α值也不一样。不过，在实用的亚敏电阻器中，在电压高于某一临界值的很宽的电流区域中，大都具有近于直线型lgU-lgI关系。因此，在此特性区段中的α值近于一个常数。一般亚敏电阻器所给出的α值，即指此工作区段的α值。 为了测量α值，可以利用式（5－1），分别在外加电压U1和U2两点上测量流过亚敏电阻器的电流I1和I2值，从 lgI1=α(lgU1-lgC) 及lgI2=α(lgU2-lgC) 可得：lgI2 -lgI1=α(lgU2-lgU1) 则 α=lg(I2 /I1)/lg(U2 /U1) 为了测量计算方便起见，通常将测量在I2=10I1条件下进行。这样，式（5－7）将简化为： α=1/lg(U2 /U1), 或