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ZnO 压敏陶瓷晶界势垒与肖特基的研究 姓名：马绪辉 班级：材料物理10-2 学号 日期：2012年12月4号 组员：王洪兵、冯文超、臧鹏 摘 要: 通过测量商用 ZnO 压敏陶瓷材料的泄漏电流 I 与绝对温度 T , 并利用场助热激发电流的表达式计算了势垒高度 ( 活化能) , 发现它低于平衡状态时的势垒高度。在深入分析在电场作用下晶界区域中电子传导过程的基础上, 认为这是在电导过程中通过正偏势垒向晶界界面层中注入了大量电子, 这些电子不仅填充了在平衡状态下尚未填充的电子陷阱 ( 即表面态) , 而且还会在界面层形成自由电子空间电荷, 这些自由电子在越过反偏 Schottky 势垒时需要克服的就不是平衡状态时的势垒高度, 显然应低于平衡状态时的势垒高度, 即导带底 E C 的最高点与费米能级 E f 的差值 ( 通常势垒高度的定义) 。另外, 根据场助热激发电流的表达式, 提出了新的 Scottky 势垒宽度的计算公式, 不仅求得了高场强和低场强时的势垒宽度, 而且得到了势垒宽度随温度的变化规律, 发现了在 320K～ 350K 温度范围内势垒宽度下降速度最快, 结合介电温谱测量, 证实了在此温度区间势垒宽度的快速下降是松弛过程引起的。 关键词: ZnO 压敏陶瓷; 势垒高度; 势垒宽度 1 引言 ZnO 压敏陶瓷材料优异的对称非线性伏安特性来源于晶界区域的背靠背双 Scho t tky 势垒, 并在此基础上提出了多种导电模型但是对电子在晶界界面层中的传输过程缺乏详细的研究, 不能对电子在整个晶界区域的传输过程形成统一的图象。电容2直流偏压特性 ( 即 C 2 特性) 计算得出的势垒高度往往高于由泄漏电流 I 与温度 T 的关系( I 2T 特性) 拟合计算得出的 Scho t tky 势垒高度 ( 或活化能) , 有的甚至高达 7142eV [ 5 ]。M 1A 1A lim 等人测量了 ZnO 压敏陶瓷材料的介电响应特性,研究了这种势垒的复杂特性, 但是难以应用和理解,因此有必要进行进一步的研究, 弄清势垒高度 ( 或活化能) 的物理意义, 进而更好地理解场助热激发电流和隧道击穿电流在整个晶界区域的传输过程。ZnO 晶粒间的晶界区域的耗尽层宽度可以通过 C 2或 I 2T 特性[ 9, 10, 11 ] 测量加以估计, 但是 C 2V特性只能得出外施电压为零时的耗尽层宽度。笔者通过测量商??? ZnO 压敏陶瓷材料的泄漏电流 I 与温度 T 的关系, 利用场助热激发电流的表达式计算了势垒高度 ( 活化能) , 结合在电场作用下电子传导过程深入分析了该势垒高度的物理意义,认为该势垒虽然来自于反偏 Scho t tky 势垒, 但是低于平衡状态时的势垒高度; 研究了高场强和低场强时的势垒宽度及其随温度的变化规律, 结合介电温谱测量, 研究了势垒区域的松驰损耗过程, 以便更好地理解 ZnO 压敏陶瓷材料的非线性电导过程。 压敏半导体陶瓷是指电阻值与外加电压成显著的非线性关系的半导体陶瓷。使用时加上电极后包封即成为压敏电阻器。其工作原理是基于压敏陶瓷所具有的伏安(I—V)非线性特性．即当电压低于某一临界值时，压敏电阻的阻值非常高，相当于绝缘体，当电压超过这一临界值时，电阻急剧减小．接近于导体。因为这种效应的存在，压敏电阻器被广泛应用于过压保护和稳压方面。 目前，制造压敏电阻器的半导体材料主要有两大类：SiC和ZnO。这两类压敏电阻器的I—V非线性特性都来源于陶瓷体中的晶界势垒。在ZnO压敏电阻出现以前，SiC一直是制备压敏电阻器的重要材料。相对于SiC压敏电阻器而言，ZnO压敏电阻器具有非线性系数大、响应时间短、残压低、电压温度系数小、漏电流小等独特的优良性能，因而，在电子线路、家用电器和电力系统的稳压和过压保护领域，ZnO压敏电阻器的开发与应用起着举足轻重的作用。 ZnO压敏电阻的性能取决于它的微观结构和产品的尺寸，其微观结构往往是由加入掺杂剂 的种类、加入量，粉体制备工艺所引起的粉体大小、尺寸分布、形状、均匀性等的不同，以及烧结工艺、煅烧温度、煅烧时间、升温及降温速度等因素决定的。通过对这些因素的优化，可提高ZnO压敏电阻的性能。 氧化锌压敏电阻器根据其应用环境，可分为低压、高压两大类。其中低压压敏电阻器主要应用于微电子设备、电话交换机中的集成电路模块以及晶体管的浪涌等领域；高压压敏电阻器主要应用于高压、超高压输电系统、大型设备的操作保护、大气过压保护等领域。高压ZnO压敏电阻的优点是电压梯度高、大电流特性好，但能量容量小，容易损坏。解决这一问题的有效方法是开发高压高能型压敏电阻．即提高压敏电阻