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高宏观电性能如：通流能力、非线形系数、能量耐受能力和电压梯度等等。如：氧化锌压敏电阻中加入少量稀土氧化物改善电压梯度；研究Sb/Bi比例和氧分压等等对性能影响。德国西门子公司研制的用溶液蒸发分解技术(EDS)制备多组分的ZnO压敏电阻瓷料的新工艺。新兴的纳米材料学给许多交叉学科的发展提供了新的思路和方法，在纳米制备科学中纳米粉体的制备由于其显著的应用前景发展得较快，国内外从事压敏电阻研究的学者，为了获得均匀的前驱粉体，将这种新技术引入氧化锌压敏电阻器制造工艺中，并作了大量的研究工作。在如何提高器件通流能力方面，国内厂家也进行了积极探索，主要集中在二个方面：（l）原材料研究，如：稀土氧化物掺杂、添加MgO、化学均相共沉以及溶盐热分解等。（2）制备工艺探索，搅拌球磨和压滤机等。但相互协作研究相比而言较少，与科研机构合作也不是很多。 1.2.3 低压ZnO压敏电阻的用途

低压氧化锌压敏元件是指压敏电压在10V到80V的压敏元件，其主要用于家

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用电器以及集成电路上的过电压保护。特别是集成电路的过电压保护上，由于集成电路制造工艺复杂，价格一般较高，一旦受到浪涌电流的冲击很容易损坏，修复这类损坏的花费可能比购买一块新的集成电路更高。由于集成电路制造工艺的进步使得掌上智能系统成为可能，例如车载GPS导航仪和智能手机，以及数码相机等，如何保护这类电路成为应该考虑的实际问题。

低压压敏元器件大量用于计算机，移动电话，汽车电子产品以及其他浪涌电流抑制系统上。其中移动电话与汽车电子产品的市场需求量增长速度最快，而其应用其他场合的市场需求增长速度则较低。 1.3 ZnO压敏电阻的结构及性能参数 1.3.1 ZnO的结构

图1 晶胞结构 图2 能带结构

ZnO是六方晶系纤锌矿结构，晶胞结构如图1，其化学键处于离子键与共价键的中间键型状态，氧离子以六方密堆，锌离子占据一半的四面体空隙，锌和氧都是四面体配位。ZnO是相对开放的晶体结构，开放的结构对缺陷的性质及扩散机制有影响，所有的八面体间隙和一半的四面体间隙是空的，正负离子的配位数均为4，所以容易引入外部杂质，ZnO熔点为2248，密度为5.6g/cm3，纯净的ZnO晶体，其能带由02-的满的2p电子能级和Zn2+的空的4s能级组成，禁带宽度为3.2～3.4eV，因此，室温下，满足化学计量比的纯净ZnO应是绝缘体，而ZnO中最常见的缺陷是金属填隙原子，所以它是金属过剩(Zn1+xO)非化学计量比n型半导体，其能带结构如图2。Eda等认为，在本征缺陷中，填隙锌原子扩散最快，对压敏电阻稳定性有很大影响。 1.3.2 低压ZnO压敏电阻的显微结构

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低压ZnO压敏电阻的特性与晶界的结构状态有密切关系，关于压敏电阻的显微结构，人们也以Bi系ZnO压敏电阻为基础，建立了不同的模型进行研究，如微电阻模型，即将压敏电阻等效为包含在多晶材料中的分立的晶界，还有运用薄膜技术制造的单结等来模拟ZnO压敏陶瓷的显微结构ZnO压敏陶瓷显微结构如下图3：

图3 ZnO压敏陶瓷显微结构示意图

材料中主要的相是半导化的ZnO晶粒，许多ZnO晶粒直接接触，晶粒间没有其它相，形成了双ZnO-ZnO晶界(同质结)。由于Bi等大尺寸离子在晶界偏析，改变了晶界的结构，电流通过这些晶界，这些晶界称为电活性晶界，电活性晶界是决定压敏电阻性质的关键。在三个晶粒的交界处，有时在两个晶粒（可能有特殊取向）之间，存在粒间相，粒间相在导电过程中大多是电学非活性的。该相主要包括各种添加物形成的化合物。陶瓷材料中的所有成分都可以溶解在粒间相中，在烧结过程中，晶粒交界处可能形成尖晶石晶体，但是它们不参与导电过程。氧化物的改性添加可以改变晶粒电导或晶界的结构及化学状态，尤其是偏析于晶界的杂质对晶界活性有很大的影响，因而适当的掺杂选择对形成和改善非线性起着很重要的作用，而且晶界势垒是ZnO压敏陶瓷烧结时在高温冷却过程中形成的，烧结工艺直接影响杂质缺陷在晶界中的分布，从而影响晶界化学结构。另外，低压ZnO压敏电阻的晶粒尺寸要足够大，单位厚度的晶界数少，因此低压压敏电阻对显微结构的波动尤其敏感，工艺对低压压敏电阻压敏特性的作用也不可忽视。

1.3.3 ZnO压敏电阻的性能参数

ZnO压敏电阻器是一类电阻值与外加电压成显著的非线性关系的半导体陶 瓷，其U-I特性服从关系式: I=(U/C)α

ZnO压敏电阻器常用的性能参数有压敏电压漏电流、非线性系数、通流值、能量耐量、限制电压比等，其中压敏电压、漏电流、非线性系数表示了压敏电阻器的小电流特性，通流值、能量耐量、限制电压比则表示的是大电流特性。此外，表征压敏元件性能参数还有电压温度系数，固有电容等。 1.非线性系数α

压敏电阻器的非线性系数α，亦称电压指数，是指在给定的电压下，压敏电阻器U-I特性曲线上某点的静态电阻Rj与动态电阻Rd之比值，即：

??RjRd?I?U.dI (1) dUIdUdI4

U

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或

dIdU(2) ??IU积分后可得：lnI??(LnU?lnC)(3)

U或I?()?(4)

C 式中，U ：施加于压敏电阻器上的电压； I ：流过压敏电阻器的电流； C ：材料系数。

当α值和材料系数C值确定后，可得I?KU?(5)

材料系数C的量纲为欧姆，其数值等于流过压敏电阻器的电流为1A时的电压值。若己知压敏电阻器的C值，由式(3)、式(4)和式(5)就可以求出压敏电阻器任意电压下的电流值。

而对于实际的压敏电阻器，在整个U-I关系范围，α并不是一个常数。在预击穿区和回升区，α值都很小；在击穿区，α值很大，可以达到50以上。本文中提到的非线性系数α，是在I=1mA的条件下的α值。 2. 压敏电压U1mA

压敏电阻的线性向非线性转变的电压转变时，位于非线性的起点电压正好在I-V曲线的的拐点上，该电压确定为元件的启动电压，也称为压敏电压，是由阻性电流测试而得的。由于I-V曲线的转变点清晰度不明显，多数情况下是在通1mA电流时测量的，用U1mA来表示。对于一定尺寸规格的ZnO压敏电阻片，可通过调节配方和元件的几何尺寸来改变其压敏电压。亦有使用10mA电流测定的电压作为压敏电压者，以及使用标称电流测试者，标称电压定义为0.5mA/cm2，电流密度测定的电场强度E0.5表示，对于大多数压敏电阻器而言，这个值更接近非线性的起始点。 3. 漏电流IL

压敏电阻器进入击穿区之前在正常工作电压下所流过的电流，称为漏电流IL。漏电流主要由三部分贡献：元件的容性电流，元件的表面态电流和元件晶界电流。一般对漏电流的测量是将0.83倍U1mA的电压加于压敏电阻器两端，此时流过元件的电流即为漏电流。根据压敏电阻器在预击穿区的导电机理，漏电流的大小明显地受到环境温度的影响。当环境温度较高时，漏电流较大；反之，漏电流较小。可以通过配方的调整及制造工艺的改善来减小压敏电阻器的漏电流。 研究低压元件的漏电流来源是很重要的，为了促进ZnO晶粒的长大，低压元件中通常会添加大量的TiO2，过量掺杂造成压敏元件漏电流增大[6]～[9]，在元件性能测试时容易引入假象，例如压敏电压和启动电压偏离较大。测试元件的非线性时，我们希望漏电流以通过晶界的电流为主。但低压元件普遍存在吸潮现象，初烧成的低压元件漏电流可以保持在4～20μA内，放置8～24h后，元件的漏电流可以增大到200μA。这样的元件的晶界非线性并没有被破坏，但却表现出非线性低，压敏电压也稍有降低的表象。

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4．通流值

通流能力是衡量压敏电阻工作区的好坏的指标。按技术标准，通流值为压敏电阻器允许通过的最大电流值。采用二次冲击测试，以8/20μs波形脉冲电流作二次最大电流冲击，需保证压敏电压变化率小于10%。压敏电阻器的通流能力与材料的化学成分、制造工艺及其几何尺寸等因素有关，应合理设计材料的配方和工艺制度，以获得性能优良的压敏电阻器。

通流能力的提高，对于提高ZnO压敏电阻器的性能非常重要，它显示出了ZnO压敏电阻器能够承受多大电流冲击和大电流冲击后性能的稳定性。因此，提高ZnO压敏电阻器的通流能力是很有意义的。 5．限制电压比

限制电压比是指在通流能力实验中通过特定电流时加在压敏电阻器两端的电压Up与压敏电压U1mA的比值。它体现了压敏电阻器在大电流通过时的非线性特性，限制电压比越小，越能起到保护电路的作用。通流值和限制电压比一同反映了压敏电阻工作特性的好坏，即是压敏电阻通流值越大越能吸收浪涌电流，限制电压比越小，分流作用就越明显，保护特性就越好。 6．能量耐量

能量耐量是指ZnO压敏电阻器所承受的最大单次脉冲能量。其中脉冲波形为10/1000μs或2ms方波波形。通过电流、峰值电压与时间的乘积即为能量耐量值(单位：J)。能量耐量是衡量元件“疲劳”特性的参数，能够经受雷电流冲击的元件未必能够经受长时间方波形小电流的冲击，而在实际使用环境中，被保护电路中最常出现的是方波形小电流冲击，这通常是由于电源系统的不稳定和电磁干扰导致的。ZnO压敏元件的通流能力和能量耐量具有矛盾性，欲提高能量耐量，则须牺牲一定的通流能力。通过改进工艺能够一定程度上改变这种情况。 一个严格意义上的低压压敏元件应该是低启动电压压敏电阻器。从漏电流来源的分析结论可知，使用仪器测试的压敏电压结果与元件的启动电压是不同的，这主要是由于低压元件的漏电流中表面漏电流分量不可忽略的原因导致的。压敏电压参数和漏电流参数应该同时标明，这样才有意义，对于高压元件中不必这样做,但对于一个低压元件而言,这样做是有必要的。 1.4 ZnO压敏电阻的工作原理及导电机理 1.4.1 ZnO压敏电阻的工作原理

压敏陶瓷用来对 IC 及其它设备的电路进行过电压保护，防止由于静电、放电、浪涌、雷击及其它瞬态电流等而造成对这些设备的破坏。在使用的过程中，为了防止电压瞬间急速增大，只需要将压敏陶瓷并联在被保护的 IC 或设备电路上，当电压瞬间高于某一临界值时，压敏陶瓷的阻值会急剧减小，近乎导体，导通大电流，从而保护 IC 或电路设备；当电压低于压敏陶瓷的工作电压时，压敏陶瓷的阻值非常高，几乎为绝缘体，近乎于开路，因而不会影响元件或设备的正常工作。

作为电子材料的ZnO压敏电阻，其最重要的特性是非线性的I-V特性，其特性曲线,如图4和图5所示，

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