半導(dǎo)體壓敏電阻器

半導(dǎo)體壓敏電阻器陳志武前言半導(dǎo)體壓敏電阻器是指在特定的電壓范圍內(nèi)，阻值隨電壓的增加而急劇減小的電子元件，這種電阻器的伏安特性呈非線性，故也稱非線性電阻器或變阻器。品種很多按材料不同分：碳化硅硅（或）鍺氧化鋅其他金屬氧化物按物理機(jī)構(gòu)分：體形結(jié)型按伏安特性分：對稱型非對稱型應(yīng)用電力系統(tǒng)電子線路家用電器尤其在過壓保護(hù)、高壓穩(wěn)定以及高能浪涌吸收等方面更突出一、壓敏電阻的特性參數(shù)1.1、主要特性1.1.1伏安特性壓敏電阻器的伏安特性曲線，一般用比較直觀的直角坐標(biāo)方法來表示，如圖1就是幾種常用壓敏電阻器的伏安特性曲線。可見，當(dāng)加于壓敏電阻器上的電壓超過某一特定數(shù)值時(shí)，通過電阻器的電流就急劇增大，呈現(xiàn)伏安特性的非線性關(guān)系。圖圖1幾種電阻器的伏安特性曲線①碳化硅壓敏電阻②穩(wěn)壓二極管③④氧化鋅壓敏電阻⑤一般線性電阻器定義在給定的外加電壓作用下，壓敏電阻器伏安特性曲線上某點(diǎn):

動(dòng)態(tài)電阻Rd(dV/dI）和靜態(tài)電阻Rj(Rj=V/I)的比值，稱作壓敏電阻的電流指數(shù)β

靜態(tài)電阻Rj與動(dòng)態(tài)電阻Rd的比值，稱作壓敏電阻器的電壓指數(shù)α式中：I為伏安特性曲線某點(diǎn)電流（A）

V為伏安特性曲線某點(diǎn)電壓（V）變化積分

V為施加在壓敏電阻器上的電壓

I為流經(jīng)壓敏電阻器的電流

C、K均為常數(shù)，并且

電流指數(shù)β電壓指數(shù)α

通稱非線性系數(shù)，是描述壓敏電阻器伏安特性非線性強(qiáng)弱的重要參數(shù)，β小于1，而α大于1。α或β的大小就可以說明壓敏電阻伏安特性偏離歐姆定律的程度，若β越小，α越大，表示非線性越大，伏安特性曲線上升越顯著。在一個(gè)很窄的電壓、電流范圍內(nèi):在生產(chǎn)和應(yīng)用壓敏電阻時(shí)，通常是分別確定兩電流值I1和I2,并令I(lǐng)2=10I1,分別測得I1和I2相對應(yīng)的電壓值V1和V2，然后按下式求出a

值。1.1.2C值當(dāng)電流I＝1A時(shí)，則因：a不等于1，所以C=V,或C=V1A即C值在數(shù)值上等于流經(jīng)壓敏電阻器的電流為1A時(shí)的電壓值，C值與作用電壓有一定的對應(yīng)關(guān)系，C值越大，一定電流下所對應(yīng)的電壓越高n個(gè)電阻器串聯(lián)式中C’為串聯(lián)后壓敏電阻器的C值，由于串聯(lián)前后的電流相同，則有即C’＝nC,說明n個(gè)特性相同的電阻串聯(lián)后，C增加n倍，且V1mA值也按n倍增加為提高使用電壓，可用伏安特性相同或接近的壓敏電阻器串聯(lián)使用，而從制造工藝上，可以調(diào)整產(chǎn)品厚度的方法得到不同的壓敏電壓值。n個(gè)電阻器并聯(lián)說明利用壓敏電阻器的并聯(lián)來降低C值的效果不大，但可以提高壓敏電阻的通流能力，使其在通過較大的電流時(shí)不致失效。1.1.3電阻特性壓敏電阻器的阻值在某規(guī)定范圍內(nèi)隨電壓的增加而急劇減小，若施加電壓V，流過電流為I，則阻值為：可見，壓敏電阻器當(dāng)施加電壓變化5倍，阻值則變化了千萬倍，說明壓敏電阻器對電壓是相當(dāng)敏感的。但阻值的減小不是無限的，在高壓端：流過元件的電流超出規(guī)定范圍，則伏安特性偏離原來的非線性，而接近線性低壓端：由于漏電流的存在，使壓敏電阻的伏安特性同樣出現(xiàn)非線性偏離1.1.4功率特性消耗功率：在選用壓敏電阻器時(shí)，其連續(xù)使用電壓必須在給定的允許電壓范圍內(nèi)1.1.5溫度特性隨著溫度的上升，壓敏電壓下降，一般以電壓溫度系數(shù)來表征這種溫度特性，定義:在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時(shí)，零功率條件下測得的壓敏電壓的相對變化率，可用下式表示：上節(jié)課半導(dǎo)體壓敏電阻器是指在特定的電壓范圍內(nèi)，阻值隨電壓的增加而急劇減小的電子元件，這種電阻器的伏安特性呈非線性。動(dòng)態(tài)電阻Rd和靜態(tài)電阻Rj的比值，稱作壓敏電阻的電流指數(shù)β

靜態(tài)電阻Rj與動(dòng)態(tài)電阻Rd的比值，稱作壓敏電阻器的電壓指數(shù)α

C=V1A電阻串聯(lián)C’＝nC,說明n個(gè)特性相同的電阻串聯(lián)后，C增加n倍,而并聯(lián)后參數(shù)：

1.壓敏電壓在正常環(huán)境條件下，壓敏電阻器流過規(guī)定的電流（通常是1mA直流）時(shí)的端電壓，稱壓敏電阻器的壓敏電壓，記做V1mA,通常標(biāo)記在元件上，故也叫標(biāo)稱壓敏電壓。是使用和制造壓敏電阻器的一個(gè)重要參數(shù)，幾乎所有考核壓敏電阻器特性的實(shí)驗(yàn)都是以壓敏電壓的變化率來評價(jià)2漏電流漏電流是指壓敏電阻器的線路、設(shè)備及儀器正常工作時(shí)，在規(guī)定的溫度和最大直流電壓下，流過壓敏電阻器的電流，它不但與電壓有關(guān)，而且與溫度具有強(qiáng)烈相關(guān)性，電壓和溫度的增高都會(huì)使漏電流加大，因此使用壓敏電阻器，必須考慮溫度極限漏電流增大情況，同時(shí)必須根據(jù)工作電壓正確選擇壓敏電壓。第一式可作為工作電壓選壓敏電阻器的參考第二式是已知壓敏電壓時(shí)，可作為選取工作電壓的參考（1）（2）壓敏電壓和工作電壓的經(jīng)驗(yàn)公式：3通流容量通流容量（或耐浪涌能力）是指按技術(shù)條件的規(guī)定施加規(guī)定波形的沖擊電流，沖擊后壓敏電阻器的壓敏電壓的變化率小于或等于技術(shù)條件所規(guī)定值時(shí)所通過的最大電流它是衡量壓敏電阻器耐受高浪涌電流沖擊能力的重要參數(shù)，主要取決于：材料組分，制造工藝，產(chǎn)品幾何尺寸，也與電脈沖波形，持續(xù)時(shí)間的脈沖間隔有關(guān)。4固有電容由于材料和結(jié)構(gòu)的原因，各種壓敏電阻器都程度不同的存在著一定的分布電容，這種分布電容稱為壓敏電阻器的固有電容。它的數(shù)值是在正常環(huán)境條件下（溫度15~35oC,相對濕度40~80%，大氣壓650~800mmHg）,用電容測試儀直接讀出，在各種不同的作用場合，對元件固有電容有著不同的要求，如固有電容大的壓敏電阻器不宜于在高頻電路中作用，但用于過電壓保護(hù)則又是有利的。二、壓敏電阻器的主要類型2.1SiC壓敏電阻器

SiC壓敏電阻器俗稱SiC變阻器，是最早出現(xiàn)的非線性元件，雖然其非線性系數(shù)較小，但具有工藝簡單、成本低、固有電容小和耐浪涌能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)目前仍是過壓保護(hù)，穩(wěn)壓、調(diào)幅、非線性補(bǔ)償和消除電感回路接點(diǎn)火花等不可缺少的壓敏電阻器。2.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理SiC壓敏電阻器主要是由SiC晶體所構(gòu)成，主要原料:石英砂和焦碳摻入少量的添加物，在氧化氣氛中，從2300～2600℃的溫度冶煉而成的高溫合成的SiC晶體經(jīng)破碎，除鐵、清洗等一系列工序獲得粉狀的原料.制得原料后，然后按一定的比例加入粘土，長石等粘合劑，對于低壓電阻還要加入少量的石墨粉，隨之按陶瓷工藝制成基體，再在1000～1300℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，最后在表面燒制電極，裝配成變阻器，如圖2所示

圖2

SiC壓敏電阻器結(jié)構(gòu)示意圖對于小功率的SiC壓敏電阻器可做面圓片狀，棒狀和墊圈狀，而大功率的SiC壓敏電阻器可做成圓盤串并組合而成，為了提高額定功率，還可以裝散熱器等。研究證明，在合成SiC時(shí)加入少量的鋁和硼，可以提高非線性系數(shù)a值因?yàn)樵谝睙扴iC晶體時(shí)，氣氛中的氮取代SiC晶體的C而形成施主能級使SiC晶體呈n型特性.加入少量的Al或B等受主雜質(zhì)，并隨著其含量的增加，SiC晶體由n型向P型轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)變點(diǎn)上，電阻率最大，制成的壓敏電阻器的非線性系數(shù)也最大.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在SiC晶體中，Al的含量在0.01~0.05wt%或B的含量在0.003~0.06wt%范圍內(nèi)，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，均可使a值達(dá)到8左右2.1.2主要特性參數(shù)一般SiC壓敏電阻器單個(gè)元件的電壓范圍較寬，可以1到數(shù)千伏，a值較小，只在2～3之間，片狀的容許耐浪涌電壓為200伏/毫米，容許耐浪涌電流為2安／厘米2。2.1.2主要特性參數(shù)SiC壓敏電阻器可在100℃溫度下連續(xù)工作，短時(shí)間可在150℃下工作，電壓溫度系數(shù)為-0.1～0.3％/℃，電流溫度系數(shù)為+0.6～+0.8%／℃。2.2硅壓敏電阻器2.2.1結(jié)構(gòu)硅壓敏電阻器是用單晶硅經(jīng)雜質(zhì)擴(kuò)散、化學(xué)鍍鎳，芯片分割和焊接組裝等工藝而成的結(jié)型器件。實(shí)際上，硅壓敏電阻器是利用在單晶硅中形成的pn結(jié)的非線性特性所制成的特殊穩(wěn)壓二極管。

PN結(jié)（PNjunction）。采用不同的摻雜工藝，通過擴(kuò)散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。一塊單晶半導(dǎo)體中，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導(dǎo)體時(shí)，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面附近的過渡區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)兩種。用同一種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)叫同質(zhì)結(jié)，由禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)叫異質(zhì)結(jié)。

P型半導(dǎo)體（P指positive，帶正電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的三價(jià)元素組成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶正電的空穴；N型半導(dǎo)體（N指negative，帶負(fù)電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的五價(jià)元素組成，會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶負(fù)電的自由電子。

在P型半導(dǎo)體中有許多帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷的電離雜質(zhì)（離子）。N型半導(dǎo)體中有許多可動(dòng)的負(fù)電子和固定的正離子。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在界面附近空穴從P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散，電子從N型半導(dǎo)體向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散?？昭ê碗娮酉嘤龆鴱?fù)合，載流子消失。因此在界面附近的結(jié)區(qū)中有一段距離缺少載流子，卻有分布在空間的帶電的固定離子，稱為空間電荷區(qū)。P型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是負(fù)離子，N型半導(dǎo)體一邊的空間電荷是正離子。正負(fù)離子在界面附近產(chǎn)生電場，這電場阻止載流子進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡。在PN結(jié)上外加一電壓，如果P型一邊接正極，N型一邊接負(fù)極，電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過。如果N型一邊接外加電壓的正極，P型一邊接負(fù)極，則空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

2.2硅壓敏電阻器

硅壓敏電阻器與普通硅二極管不同的地方，就是通流能力大，同時(shí)通過管芯的串并聯(lián)組合以擴(kuò)大使用電壓和獲得對稱的伏安特性。

壓敏電阻器的伏安特性有對稱型（D）和非對稱型（F）兩種。兩管芯作反向串聯(lián)或反向并聯(lián)都可取得對稱的伏安特性，反向串聯(lián)是利用其反向特性，而反向并聯(lián)則是利用其正向特性。2.2.2主要特點(diǎn)硅壓敏電阻器的主要特點(diǎn):

體積小工作電壓低，約為0.55V和它的整數(shù)倍，這是目前其他類型的壓敏電阻器無法做到的電壓非線性指數(shù)為20左右電壓溫度系數(shù)－30mV％/℃

耐浪涌能力有幾十安培，因此它廣泛地應(yīng)用在低壓和晶體管電路中。2.3膜式壓敏電阻器

膜式壓敏電阻器，用懸浮液沉淀法，氣相淀積法，真空蒸發(fā)法和絲網(wǎng)印刷等方法制成懸浮液沉淀法：是將已制備了電極的基片放入含有硫化鋁或氧化亞錫顆粒并且有快速揮發(fā)的懸浮液中，待溶液揮發(fā)顆粒沉淀在基片上后，再放入含有固化劑的環(huán)氧樹脂溶液，等樹脂固化后再敷設(shè)上另一電極。汽相沉積法：是先在基片上形成金屬層，并使其氧化，再在金屬氧化膜上氣相沉積一層半絕緣的硫化鋁，最后制備電極。真空蒸發(fā)法：是通過多次蒸發(fā)和氧化而形成多層薄膜結(jié)構(gòu)，如鋁／氧化鋁／錳／氧化錳／鉛的五層結(jié)構(gòu)，根據(jù)使用要求，可制成具有正反對稱的伏安特性。絲網(wǎng)印刷法：是用具有半導(dǎo)性質(zhì)的粉料（ZnO、Bi2O3等混合物）與玻璃粉，粘結(jié)劑等混合后用絲網(wǎng)印刷技術(shù)均勻地涂在絕緣基片上燒成，用這種方法制成的壓敏電阻器也稱作厚膜壓敏電阻器。其額定功率為5～10mw／mm2，電壓范圍5～10000V，a約3～40。2.4單顆粒層壓敏電阻器單顆粒層壓敏電阻器是將碳化硅、硅等半導(dǎo)體顆粒單層排列在一個(gè)平面上，顆粒之間用絕緣層連結(jié)，兩顆粒的上下兩面都凸出于絕緣層之外，并與電極相接觸，它的非線性特性是由顆粒和金屬電極之間所形成的肖特基勢壘形成的，具有較好的非線性和重復(fù)性。2.5金屬氧化物壓敏電阻器金屬氧化物壓敏電阻器，是近期迅速發(fā)展的新型敏感元件，如以ZnO、Fe2O3、TiO2、

SnO2、BaTiO3、SrTiO3等為基而制成的結(jié)型和體型壓敏器件。品種很多，用途廣泛。下面就以七十年代以來發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的ZnO壓敏電阻器為典型，進(jìn)行詳細(xì)的討論。三、ZnO壓敏電阻器

氧化鋅壓敏電阻器是以ZnO為主體材料，再加入適量的摻雜物（如Bi2O3、CoO、MnO2等），采用陶瓷工藝制備而成.三、ZnO壓敏電阻器

氧化鋅壓敏電阻器具有對稱和非對稱的伏安特性，電壓非線性指數(shù)大，耐浪涌能力強(qiáng)，電壓范圍寬，溫度特性好，響應(yīng)速度快，工藝簡便，成本低廉，具有極為廣闊的應(yīng)用前景，特別是在高壓和特高壓電路的穩(wěn)壓和過壓保護(hù)方面更顯示其無以比擬的特性3.1ZnO壓敏電阻器的型號(hào)命名ZnO壓敏電阻器的型號(hào)命名第一部分：主稱以M表示；第二部分：類別以Y表示；第三部分：用途和特征，以拼音字母表示；第四部分：序號(hào)用數(shù)字表示。ZnO壓敏電阻器在命名中使用的各種字母及其所代表的意義如表（4-4）所示。ZnO壓敏電阻器的型號(hào)命名方法主稱

類別用途或表征全稱符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義M敏感元件Y壓敏電阻器WGPNKL…穩(wěn)壓用高壓保護(hù)高頻高能高可靠性防雷用穩(wěn)壓壓敏電阻器高壓保護(hù)壓敏電阻高頻壓敏電阻器高能壓敏電阻器高可靠性壓敏電阻防雷壓敏電阻器

Y

W

I穩(wěn)壓型壓敏電阻器命名示例3.2ZnO壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)類型1、結(jié)型結(jié)型氧化鋅壓敏電阻器伏安特性的非線性是依靠氧化鋅電阻體與金屬電極接觸勢壘的整流特性形成的，它可分為兩種：當(dāng)以一電極與電阻體形成接觸勢壘，而另一個(gè)電極則形成歐姆接觸，它的伏安特性是不對稱的，利用其正向特性工作，一般壓敏電壓小于1伏，電壓非線性指數(shù)為12～20，電壓溫度系數(shù)為－0.3%／℃。

當(dāng)二個(gè)電極與阻體都形成接觸勢壘，它的伏安特性是對稱的，相當(dāng)于一個(gè)整流結(jié)的正向特性和另一個(gè)整流結(jié)的反向特性的迭加。由于整流結(jié)的反向特性可以通過氧化鋅電阻體的摻雜，電極成分以及燒銀工藝來改變，因此可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)這種電阻器的工作電壓，一般V1mA＜6V，a＞15，aV約等于-0.2%/℃

。2、體型

體型氧化鋅壓敏電阻器的兩個(gè)電極與電阻體都是歐姆接觸的，伏安特性的非線性是由電阻體內(nèi)大量ZnO半導(dǎo)體晶粒界層形成。這種體型壓敏電阻器，可以通過對電阻體成分、工藝、結(jié)構(gòu)的控制和設(shè)計(jì)，達(dá)到取得所需的性能要求目前已組裝到1200KV，a＞110，而浪涌能力為300-3000A/cm2，aV

在-0.05%/℃以下的壓敏電阻器。圖3是體型氧化鋅壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)示意圖圖

3ZnO壓敏電阻器結(jié)構(gòu)3.3ZnO陶瓷半導(dǎo)體的組成和工藝ZnO陶瓷半導(dǎo)體在制造過程中的一個(gè)特點(diǎn)就是配方組成及工藝條件對其性能并不十分敏感，例如，添加的金屬氧化物可以有多種，其含量為1～10mol％時(shí)，燒結(jié)溫度在1350℃，只要相互配合適當(dāng)，還是可能燒制成a值較高，其它性能也較好的產(chǎn)品來。但由于對ZnO陶瓷半導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理的認(rèn)識(shí)，加上各種因素的影響，要求制品的所有性能都達(dá)到理想的高水平也是十分不容易的，還是需要通過不斷的試驗(yàn)實(shí)踐來確定配方和工藝.下面討論配方組成及工藝對性能的影響。3.3.1組分及其作用ZnO壓敏電阻器的性能主要取決于阻體材料，自一九六八年日本松下電器公司發(fā)表多元氧化鋅以來，人們對材料開展了大量的研究工作，取得有實(shí)用性材料配方幾百個(gè)，已被使用就有包括過渡金屬和稀土金屬在內(nèi)的數(shù)十種元素，這都為設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)壓敏電阻器提供了方便。目前我國使用最多的是以ZnO為基的多元摻雜的配方，其典型組成為：

x改變，同一工藝條件制得的產(chǎn)品的性能就有所不同。下表給出了產(chǎn)品a、c值隨x變化的情況

x＝3時(shí)，a值最高，下面就此配方為例，分述各組成的作用。添加物含量x非線性系數(shù)a非線性電阻c(v/mm)0.10.31.03.06.010.015.01430504842370.0014080150180225310(1)ZnO是基本成分，在瓷體中主晶相是含有Zn填隙和少量Co或Mn替位的n型半導(dǎo)體，它構(gòu)成電阻體的主體，并且提供導(dǎo)電電子的來源(2)Bi2O3在ZnO陶瓷半導(dǎo)體中形成Bi2Zn4/3Sb2/3O6的焦綠石以及一系列富鉍相（如溶有Zn和Sb的12Bi2O3?Cr2O3,13Bi2O3?Cr2O3,14Bi2O3?Cr2O3及β-Bi2O3,α-Bi2O3等），在燒結(jié)的相變過程中部分Bi被吸附到ZnO晶粒邊界以內(nèi)形成厚度約為20?的富Bi層，產(chǎn)生晶面電荷而形成耗盡層和界面勢壘，因此Bi2O3的添加對產(chǎn)生非線性有重要的作用，事實(shí)上多元ZnO陶瓷半導(dǎo)體絕大部分是含鉍的，因Bi2O3在高溫?zé)Y(jié)時(shí)會(huì)形成液相，有降低燒結(jié)溫度以及防止二次粒長的作用，但Bi2O3在高溫?zé)Y(jié)時(shí)也容易揮發(fā)，可在配方時(shí)適當(dāng)增加其含量。（3）MnO2在ZnO及尖晶石相和焦綠石相中易于形成Mn2＋替位離子。實(shí)驗(yàn)表明，添加MnO2對非線性有強(qiáng)烈的影響，如圖4所示。

因?yàn)镸nO2在晶粒邊界處形成界面態(tài)或電子陷阱，使肖特基勢壘高度增加，伏安特性曲線變陡，從圖可見，當(dāng)MnO2含量在0.1mol%以下時(shí)，MnO2含量對非線性的影響是很顯著的，但超過0.1mol%以后，影響就不那么顯著了，而達(dá)到0.5mol％以后，界面態(tài)密度已達(dá)到飽和值，非線性的變化不大，因此繼續(xù)增加MnO2含量意義就不大了。(4)Co2O3:在添加稀土金屬氧化物的ZnO陶瓷半導(dǎo)體中如沒有Co2O3則電阻率可降低為為1～5Ω?cm，并且其阻值不隨電壓而變化，而當(dāng)添加Co2O3后，則電阻率可增至103～109Ω?cm，且a值可達(dá)30～40，由此推測，其中的Co2＋離子在ZnO禁帶中產(chǎn)生深能級，有助于在ZnO晶面形成界面態(tài)，增強(qiáng)非線性，其作用機(jī)理與Mn2+相似。(5）Sb2O3、Cr2O3是形成Zn(Zn4/3Sb2/3)

O6尖石相的關(guān)鍵成分，由于尖晶石相有抑制晶粒長大的作用，故添加Sb2O3后ZnO晶粒小，C值高，添加Cr2O3也有抑制晶長的作用，但效果沒有Sb2O3那么顯著。相反，如果用TiO2代替Sb2O3則可以促進(jìn)晶粒的成長，從而得到C值較低的產(chǎn)品。

應(yīng)該指出，上面的分析還是不很成熟的，特別是幾種添加物同時(shí)引入時(shí)，會(huì)互相產(chǎn)生影響，不能簡單對待，在實(shí)際工作中，必須綜合考慮各種影響因素并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇和調(diào)整配方成分才能取得應(yīng)有的效果。表1復(fù)合添加物對ZnO陶瓷半導(dǎo)體性能的影響表3ZnO壓敏電阻材料特性材料2是較成熟的五元配方，3，4，5是在五元基礎(chǔ)上的多元摻雜，使V1mA可從900-9000變化表3ZnO壓敏電阻材料特性6，7是多種金屬氧化物為主成分，使a可提高到110以上，通流能力達(dá)到4900A/cm2，并經(jīng)功率1w、70oC,500小時(shí)壽命試驗(yàn)后，a的變化僅為-（0.2~0.9）%，是一種優(yōu)良的壓敏電阻器。8,9是低壓敏電壓配方3.3.2器件制造(1)工藝過程壓敏電阻器工藝過程與一般電子陶瓷元件相似，如圖5所示，首先將各種氧化物按要求純度和配比稱量，放入有橡膠襯底的料斗或磨瓶，以料：球（瑪瑙）：水約為1：1：1的比例振磨或溫磨，經(jīng)充分細(xì)化混合，混合粉料在空氧中預(yù)燒，溫度約750—800℃保溫2小時(shí)，預(yù)燒后粉料再經(jīng)混磨、烘干、過篩、造粒后，壓制成所需尺寸瓷坯。燒結(jié)在空氣中進(jìn)行，燒成制度視不同產(chǎn)品而定，一般為1200℃，保溫2小時(shí)后隨爐冷卻至室溫，瓷片燒成后，在上下兩面被燒銀電極，經(jīng)測量分選，即可焊引線或組裝，然后包封，打標(biāo)志、包裝入庫。圖

5ZnO壓敏電阻器制備工藝（1）工藝要點(diǎn)

①燒成溫度

上面已提到，ZnO陶瓷半導(dǎo)體一般是在1200～1350℃間于空氣中燒成，如何根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，選擇最佳的燒成溫度，主要是靠反復(fù)的試驗(yàn)實(shí)踐來確定.圖6是五元配方的ZnO電阻體的燒成溫度與C和a的關(guān)系?？梢?，隨燒成溫度的提高，ZnO晶粒增大，晶界減少，C值下降。據(jù)報(bào)導(dǎo)，a值的峰值關(guān)系與不同溫度下富Bi相的轉(zhuǎn)變有關(guān)。ac圖6五元配方的ZnO電阻體的燒成溫度與C和a的關(guān)系

在1350℃以下，隨著溫度的升高，富Bi相逐漸由14Bi2O3?Cr2O3的四方相轉(zhuǎn)變成β-Bi2O3四方相和δ-Bi2O3立方相，a值逐漸增大，而當(dāng)燒成溫度超過1350℃時(shí)，由于富Bi相的消失，a值急劇下降，實(shí)用時(shí)，如希望a值大C值小，可選取1300～1350℃較高的燒溫，如果要求提高C值，a值又可以低些，則可選1200～1300℃為燒結(jié)溫度。②?；幚頌榱烁纳芞nO瓷體的壓敏性能，在制備過程中，往往把燒成后的瓷體再在800～1000℃的溫度下進(jìn)行?；幚?。即在ZnO瓷體表面上涂覆上Bi2O3或Bi2O3和MnO的混合物，然后在800～1000℃下進(jìn)行熱處理，使涂覆的氧化物沿ZnO瓷體的氣孔和晶界擴(kuò)散到體內(nèi)，進(jìn)一步

提高邊界層的特性，經(jīng)過這樣玻化處理的ZnO瓷體，不僅可以改變工作電壓，而且使電阻器在一定溫度，濕度和負(fù)載條件下的穩(wěn)定性得到了顯著的提高，即使是呈線性特性的ZnO瓷體，進(jìn)行?；幚砗螅部梢赞D(zhuǎn)變成具有良好非線性的壓敏半導(dǎo)體。③電極ZnO壓敏電阻器的電極一般是用銀、鋁、銅等制成的，為了降低成本，除有的改為噴鋁或銅代替燒銀電極外，最近還出現(xiàn)一種更加廉價(jià)的組裝工藝。它是將燒結(jié)好的電阻基體放在濃度為10～35％的鹽酸中，以除去基片表面金屬氧化物中的氧離子，使其表面上留有Zn、Bi等純金屬混合物，可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

ZnO＋2HCIZnCl2ZnCl2Zn十Cl2

Bi2O3＋6HCI2BiCl3+3H2O2BiCl32Bi＋3Cl2

這些反應(yīng)使得基片表面形成一層很薄的Zn和Bi金屬層，然后用鋁一錫一鉍焊料直接焊在基片上，或者直接借助焊料將二個(gè)散熱片粘附在基片二側(cè)。④引線

壓敏電阻器用于浪涌保護(hù)時(shí)，引線（和連接線）應(yīng)盡量選擇短些，因?yàn)橐€（和連接線）越長，寄生電感便越大，當(dāng)浪涌電流通過寄生電感時(shí)將產(chǎn)生越大的附加電壓。3.4ZnO陶瓷半導(dǎo)體的顯微結(jié)構(gòu)

ZnO陶瓷半導(dǎo)體的顯微結(jié)構(gòu)主要是指其相組成和相分布，從上述的討論可知，ZnO陶瓷半導(dǎo)體是一種由ZnO和其它金屬氧化物添劑所形成的多相結(jié)構(gòu)體，隨著添加物含量及燒成溫度的不同，這種多相組成會(huì)有較大的差異，下面就以五元配方在1350℃溫度下燒結(jié)形成的相組成和分布為例進(jìn)行討論：

3.4.1相組成

關(guān)于ZnO陶瓷半導(dǎo)體的多相結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為是由下面四種相所組成的：（1）n型ZnO主晶相：

溶解有少量Co的ZnO相，具有纖鋅礦型，晶格常數(shù)a＝3.24?，c＝5.19?，c/a=1.60，ZnO晶相構(gòu)成瓷體的主晶相，且由于Zn的填隙或Co的溶入取代，使它具有n型導(dǎo)電的特性。

據(jù)報(bào)導(dǎo)，施主電離能對在Zn填隙時(shí)為0.05eV，而在摻Co時(shí)為0.036eV,所得的電阻率約為0.2～2Ω·cm。

實(shí)驗(yàn)證明，這一相在任何燒結(jié)溫度下都存在，但是約在900℃時(shí)，由于部分ZnO轉(zhuǎn)變成其它相而顯著減少，且若當(dāng)其它添加物的含量達(dá)到30％以上時(shí)，則ZnO相就消失了。（2）摻雜的立方焦綠石相：

溶解有Co、Mn和Cr的Bi2（Zn3/4Sb2/3）O6的立方焦綠石相，其晶格常數(shù)a＝10.45?。這一相處于晶粒邊界，對瓷體的壓敏特性不起直接作用，但在高溫與ZnO作用生成富Bi相。立方焦綠相在700～900℃的溫度下形成，在約850℃時(shí)達(dá)到最大值，并于約950℃消失，但是在緩慢冷卻過程中，若無Cr存在，尖晶石相又會(huì)與Bi2O3作用重新生成焦綠石相。

Bi2(Zn3/4Sb2/3)O6+ZnOZn(Zn3/4Sb2/3)O4+Bi2O3

過渡相，溫度升高就消失。在燒結(jié)過程中阻礙ZnO主晶相的生長，間接影響a。（3）摻雜立方尖晶石相

溶解有Co、Mn和Cr的Zn(Zn3/4Sb2/3)O4的立方尖晶石相，其晶格常數(shù)a＝8.32?。這一相呈微粒狀，同樣處于晶界處，對ZnO瓷體的壓敏特性不起直接作用，但燒結(jié)時(shí)由于它的存在會(huì)阻礙ZnO晶粒邊界的移動(dòng)而抑制晶粒長大。立方尖晶石相在850℃開始形成．并隨燒成溫度的上升而逐漸增加，因?yàn)闇囟壬仙龝r(shí)，焦綠石相按下式轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩啵?/p>

Bi2(Zn3/4Sb2/3)O6+ZnOZn(Zn3/4Sb2/3)O4+Bi2O3

上式表明，焦綠石相中的Bi2O3全部為ZnO所取代，而尖晶石相與焦綠石相的濃度比隨溫度的升高而增加，當(dāng)高溫淬火時(shí)，形成的尖晶石相會(huì)被保留下來，另外，若尖晶石相中溶有Cr,而因?yàn)镃r有穩(wěn)定尖晶石的作用，使它在冷卻過程中不與Bi2O3作用生成焦綠石相，故即使緩慢冷卻，尖晶石相也能存在。在燒結(jié)過程中阻礙ZnO主晶相的生長，主要影響C，間接影響a。（4）富Bi相

富Bi相含有D相和B’相，其中

D相是在Bi2O3-ZnO-Sb2O3

系統(tǒng)中形成的β-Bi2O3四角相，其晶格常數(shù)a=10.93?，c=5.62?。

B’相是在Bi2O3-ZnO-Sb2O3系統(tǒng)中形成的δ-Bi2O3立方相，其晶格常數(shù)a＝5.48?。由于富Bi相溶有大量的ZnO和少量的Sb2O3,有利于液相燒結(jié)成瓷；又由于富Bi相溶有少量的Co和Mn而存在晶界內(nèi)，故有產(chǎn)生高a值的作用。

燒結(jié)過程中，富Bi相約在750℃時(shí)形成13Bi2O3?Cr2O3并逐漸參與形成焦綠石相，至850℃繼續(xù)升溫，Bi2O3又從焦綠石相中分離出來，生成含有Cr的富Bi液相，隨著溫度的升高，約至1250℃

。液相中的Cr全部移入尖晶石相。β-Bi2O3相就是這種無Cr富Bi液相在冷卻過程中形成的。3.4.2相分布

ZnO陶瓷半導(dǎo)體的相分布問題，不同研究者有著不同的看法，歸納起來，前后大致可分如下面兩種觀點(diǎn)。（1）晶界相的連續(xù)分布圖象這一觀點(diǎn)認(rèn)為，ZnO晶粒構(gòu)成陶瓷半導(dǎo)體的主晶相，而富Bi相則形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)，完全包裹ZnO晶粒，尖晶石相和焦綠石相相繼地分布在富Bi相中，這樣，富Bi相、尖晶石相和焦綠石相一起構(gòu)成一連續(xù)的晶界

層，其厚度約在200～2000?之間，這從富Bi液相完全潤濕了ZnO晶粒，從而促進(jìn)燒結(jié)的角度看，這種連續(xù)分布圖象符合上述各相組成的作用，但隨著新的顯微技術(shù)和分析手段的發(fā)展與應(yīng)用，這種分布圖象已不斷為實(shí)驗(yàn)結(jié)果所否認(rèn)。（2）晶界相的非連續(xù)分布圖象通過俄歇電子頻譜分析和高分辨力電子顯微鏡的觀測，大多數(shù)ZnO晶粒并沒有晶界相存在。上述各相組成主要分布在3～4個(gè)晶粒的交角處，并沒有完全包裹ZnO晶粒。

多數(shù)晶粒是自相接觸，它們僅被晶粒邊界所分隔，觀測到的這種晶粒邊界的寬度在20?左右，這樣窄的晶界是不足以形成分離相的，它們只起了表面態(tài)的作用，由此就造成這樣的一種分布圖象，晶界相主要分布在3～4個(gè)晶粒的交接處，因此是不連續(xù)的；富Bi層處于大多數(shù)ZnO晶粒之間，對非線性特性起著重要的作用。3.5ZnO壓敏電阻器的性能特點(diǎn)1．具有優(yōu)良的非線性特性

ZnO壓敏電阻器伏安特性的非線性指數(shù)大，a值可達(dá)到50以上。因此在標(biāo)稱電壓以下的低壓范圍幾乎沒有漏電流形成，其絕緣電阻可以高達(dá)1010Ω以上，在大電流范圍使用時(shí)，常用V100A/V1mA來衡量抑制過電壓的效果，其電壓比為1.8~2.2,因此這種壓敏元件的抑制電壓低，保護(hù)效果好。

此外，ZnO壓敏電阻器的I—V特性還具有很好的一致性，如在100A的大電流下使用，元件約有15％的分散性，而ZnO元件只有5％（

2.5％）的分散性，再經(jīng)篩選后V1mA的分散性可以控制在1％以內(nèi)，這不僅可以保證避雷器等長期可靠性，而且還會(huì)給元件生產(chǎn)帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)效益。2使用電壓范圍寬

這種壓敏元件可以制成幾伏到上千伏的單個(gè)元件，也可以通過串聯(lián)組合制成更高電壓的器件，如至一九七八年3.3～500KV的無間隙避雷器已完成了系列化，現(xiàn)正向1000KV高壓發(fā)展，是目前世界上能在幾萬伏高壓電路作穩(wěn)壓和過壓保護(hù)的唯一固體元件。3通流能力大

ZnO壓敏電阻器的通流能力可達(dá)2500～3000A/cm2。且經(jīng)受大電流的沖擊后，其放電電壓和壓敏電壓具有較高的穩(wěn)定性，也就保證了器件長期使用的可靠性。4伏安特性具有很好的對稱性

ZnO壓敏電阻器在直流電路，交流電路和脈沖電路中都可以使用，并且由于無方向性而便于安裝使用。3.6壓敏電阻器的應(yīng)用

如前所述，半導(dǎo)體壓敏電阻器在電力系統(tǒng)，電子線路和家用電器都可以得到廣泛的應(yīng)用，如在各種直、交流電路中作過壓保護(hù)、火花熄滅、穩(wěn)壓、分壓、補(bǔ)償和自動(dòng)控制等壓敏器件。

ZnO壓敏電阻器的應(yīng)用采用如圖7所示的ZnO壓敏電阻器。從圖7中可以看到壓敏電阻器與被保護(hù)的電器設(shè)備或元器件并聯(lián)。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過電壓或瞬態(tài)操作過電壓Vs時(shí)，壓敏電阻器和被保護(hù)的設(shè)備、元器件同時(shí)承受Vs。由于壓敏電阻器響應(yīng)速度很快，它以納秒級時(shí)間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良的非線性導(dǎo)電特性，此時(shí)壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vs，這樣被保護(hù)的設(shè)備、元器件上實(shí)際承受的電壓遠(yuǎn)低于過電壓Vs，從而該設(shè)備、元器件免遭過電壓的沖擊。當(dāng)壓敏電阻器用于家用電器等電子線路的過電壓防護(hù)時(shí)，由于電源已經(jīng)經(jīng)過幾級防護(hù)，過電壓幅值不是很大，壓敏電阻器可將大部分過電壓能量吸收。當(dāng)過壓能力能量不很大時(shí)，壓敏電阻器能夠承受這部分能量而不損壞，過電壓消失后，壓敏電阻電阻器仍舊能夠恢復(fù)到最初的特性，即壓敏電阻器具有可恢復(fù)性；當(dāng)過電壓幅值很高、能量很大時(shí)，壓敏電阻器因不能承受如此大的能量沖擊而發(fā)生劣化甚至熱擊穿，此時(shí)壓敏電阻器仍然將過電壓限制在較低的水平上，使被保護(hù)電器設(shè)備免遭過電壓損壞，但這時(shí)壓敏電阻器必須更換。當(dāng)壓敏電阻器用于電力線路的過電壓防護(hù)時(shí)，由于電力線路上的過電壓幅值很高、能量很大，壓敏電阻器在動(dòng)作時(shí)吸收的能量很有限，因此通過將過電壓轉(zhuǎn)化為大電流對接地電阻進(jìn)行釋放來保護(hù)的。不論壓敏電阻器應(yīng)用于電力線路或電子線路，若各種類型的過電壓頻繁出現(xiàn)，那么壓敏電阻器就會(huì)頻繁動(dòng)作來抑制過電壓幅值和吸收釋放浪涌能量來保護(hù)電氣設(shè)備及元器件，這勢必導(dǎo)致壓敏電阻器的性能劣化直到失效。此時(shí)，該壓敏電阻器必須立即更換才能保證電氣設(shè)備及元器件的正常工作。2壓敏電阻器的參數(shù)選擇

根據(jù)被保護(hù)電源電壓選擇壓敏電阻器在規(guī)定電流下的電壓，即壓敏電壓V1mA值。一般選擇原則為

(1)對于直流回路：V1mA標(biāo)稱值≈1.5V_(電源電壓)。

(2)對于交流回路V1mA標(biāo)稱值≈2.2V~(有效值)

其中考慮交流電壓的波動(dòng)上限為15％，ZnO壓敏電阻器V1mA標(biāo)稱值的下限為標(biāo)稱值的90％，另外，由于溫度、存放、多次沖擊等因素使組件老化，取老化系數(shù)為0.85。對于電源保護(hù)用的防雷型壓敏電阻器，其通流量可選擇的電流等級為：3kA、5kA、10kA、15kA、20kA、40kA、60kA、100kA，根據(jù)所需保護(hù)電源可能遭受到的雷電流大小及場合來選擇通流量；對一般的用戶電源，由于已進(jìn)行過初級保護(hù)，而且是戶內(nèi)使用，其遭受到的雷擊電流較小，因此可選擇通流量為3～10kA的產(chǎn)品。

對于家電設(shè)備已經(jīng)到電源系統(tǒng)的四級保護(hù)，家電中的操作過電壓也較小，一般采用通用型壓敏電阻器來保護(hù)，其電流等級為200A、600A、1250A、2500A、4500A五種，根據(jù)家用電器中實(shí)際呵能出現(xiàn)的過電壓引起的沖擊電流值可選擇Φ10以上產(chǎn)品。家用電器回路中經(jīng)常出現(xiàn)操作過電壓引起的浪涌能量，需要壓敏電阻來吸收。一般的，一定配方的壓敏電阻器的吸能本領(lǐng)與瓷片體積有關(guān)，要提高吸收浪涌能量能力．需要增大其瓷片尺寸，即要選擇直徑較大型號(hào)的產(chǎn)品。對于具體線路過電壓保護(hù)用壓敏電阻器參數(shù)選擇必須按照該電路中可能出現(xiàn)的過電壓(雷電過電壓、操作過電壓)幅值、沖擊電流的大小、過電壓持續(xù)時(shí)間、被保護(hù)元器件的絕緣耐壓水平進(jìn)行具體計(jì)算來選擇。如果電器設(shè)備耐壓水平V0較低，而能量耐量又需要較大，則可將V1mA選擇較低，片徑選大；如果V0較高，則可將V1mA選高。這樣既可以保護(hù)電器設(shè)備，又可以延長壓敏電阻使用壽命。具體參數(shù)選擇可參照相關(guān)產(chǎn)品樣本。3壓敏電阻器的使用方法

壓敏電阻器是一種無極性過電壓保護(hù)組件，無論是交流還是直流電路，只需將壓敏電阻器與被保護(hù)電器設(shè)備或元器件并聯(lián)即可達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的(如圖8所示)．圖8

串聯(lián)熔斷器F的設(shè)備接線圖當(dāng)過電壓幅值高于規(guī)定電流下的電壓，過電流幅值小于壓敏電阻器的最大峰值電流時(shí)(若無壓敏電阻器足以使設(shè)備元器件破壞)，壓敏電阻器處于擊穿區(qū)，可將過電壓瞬時(shí)限制在很低的幅值上，此時(shí)通過壓敏電阻器的浪涌電流幅值不大(<100A●cm2)，不足以對壓敏電阻器產(chǎn)生劣化；當(dāng)過電壓幅值很高時(shí)，壓敏電阻器將過電壓限制在較低的水平上(小于設(shè)備的耐壓水平)，同時(shí)通過壓敏電阻器的沖擊電流很大，使壓敏電阻器性能劣化即將失效，這時(shí)通過熔斷器的電流很大，熔斷器斷開，這樣既使電器設(shè)備、元器件免受過電壓沖擊，也可避免由于壓敏電阻器的劣化擊穿造成線路L-N、L-PE之間短路。電阻器的損壞方式有三種情況：(1)劣化：表現(xiàn)為漏電流增大，壓敏電壓顯著下降，直至為零；(2)炸裂：若過電壓引起的浪涌能量太大，壓敏電阻器無法承受，致使壓敏電阻器在抑制過電壓的同時(shí)瓷片擊穿炸裂；(3)穿孔：若過電壓峰值特別高，導(dǎo)致壓敏電阻器瓷片瞬問發(fā)生電擊穿，表現(xiàn)為穿孔。這三種情況下都是由于壓敏電阻器對過電壓抑制，對浪涌能量吸收或釋放造成自身劣化失效，使電路中被保護(hù)元器件免受破壞。因此，當(dāng)電器設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)于壓敏電阻器可作以下維修：(1)若壓敏電阻器發(fā)生失效時(shí)，首先應(yīng)檢查線路保