氧化锌压敏电阻的老化机理Word文档格式.docx
- 文档编号:22026520
- 上传时间:2023-02-02
- 格式:DOCX
- 页数:27
- 大小:27.20KB
氧化锌压敏电阻的老化机理Word文档格式.docx
《氧化锌压敏电阻的老化机理Word文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《氧化锌压敏电阻的老化机理Word文档格式.docx(27页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
2.2功率损耗和阻性电流的增加
在直流电压作用下对氧化锌压敏电阻进行加速老化试验,试验结果表明,与交流电压作用下
压敏电阻一样,氧化锌压敏电阻的功率损耗和阻性电流在老化试验过程中明显增加[1,4,
5]
。
2.2.1功率损耗增加
对压敏电阻试品在加速老化后,在室温下测量其功率损耗与电压的关系曲线。
图
2表示试
品在老化试验前后测试的结果。
加速老化试验时的温度为
135℃,施加直流的荷电率为
0.85,试验时间为100h。
和老化试验前的功耗特性曲线相比,试验后的功耗有明显增加,即试验后功率损耗与电压的关系曲线发生了向左的移动。
2.2.2阻性电流增加
老化试验后阻性电流增加,以及压敏电阻整体电阻率逐渐下降。
图3表示不同老化试验过程中交流电压和直流电压作用下,压敏电阻的电流增加的典型曲线。
图4表示进行老化试验前后氧化锌压敏电阻在低电场区的电阻率随温度变化的情况。
从图中可以看出,老化试验后氧化锌压敏电阻的电阻率明显减小。
2.3
氧化锌压敏电阻电介质特性的变化
2.3.1
介电常数的变化
介电常数的变化将导致压敏电阻电容值的变化
[1,4,5]。
图5
所示为氧化锌压敏电阻在
95V/mm
的直流电压及有效值为65Vrms/mm
交流电
压时,进行加速老化试验前后压敏电阻电容随频率的变化曲线,试验时温度为
70℃,加压
时间为500h。
从图中可以看出,老化试验后,电容随频率的变化曲线发生了移动,
电容值
比加压老化试验前有所减小。
图6
所示为氧化锌压敏电阻经
的直流电压,温度70℃,110h
老化试验后,
压敏电阻电容值随施加电压的变化曲线。
从图中看出,电容随电压的增加而减小,
而且老化
试验后曲线向下移动,即电容值有较大下降。
2.3.2
介质损耗变化
图7所示为与图5相同的老化试验条件下,在进行直流和交流老化试验前后测量得到的
压敏电阻介质损耗因数tanδ随频率的变化曲线[1,4,5]。
在对氧化锌压敏电阻进行
交流或直流老化试验后,介质损耗在频率0.1MHz以下时都比试验前有所增加。
试验表明,随着老化试验时间、试验时的温度及施加电压幅值的增加,氧化锌压敏电阻电容
的减小和介质损耗的增加都将进一步加剧。
3氧化锌压敏电阻的老化原因
3.1热激发电流
测量热激发电流
是常用于研究连续电压作用下电介质老化机理的一种方法。
在连续电
压作用下,介质内部积累了电荷,试验时,当温度升高,这些电荷因受热而释放出来,便形
成热激发电流
[1
,
4]
3.1.1热激发电流的测定
当对经施加直流电压老化后的压敏电阻,用石英管通过以
0.333K/s
一定的速率加温时
(不加偏压),可以观察到并测定出热激发电流TSC,热激发电流是在非平衡状态下的迁
移离子向平衡状态的过渡中产生的。
通过一定速率的加热,界面附近积累的离子通过扩散又恢复到起始分布状态,而这种扩散是定向的,因而产生热激发电流,所以当压敏电阻经热激发电流测试后,其U-I特性曲线会恢复到原来的状态,因此,热激发电流的大小也就正好
是老化程度的量度。
压敏电阻经过不同直流负荷时间的直流老化,测得的热激发电流如图
8所示。
由图
8可见,热激发电流
TSC
峰值随着老化时间的增长而增大,并且相应的峰值温度
Tm
向高温方向移动。
3.1.2热激发释放电荷与老化时间的关系
热激发释放的电荷QTSC与老化时间t的关系用下式表示
QTSC=Ktn
(1)
式中:
K—常数;
n—指数,约为0.6。
从上式可知,QTSC随时间的变化是缓慢和连续的。
考虑到老化可以在长达几百小时内连
续发生,要陷阱中的电子显出长达几百小时的响应时间是不可能的,
只有离子迁移可以说明
上述现象,这里的离子迁移发生在耗尽层区和
ZnO-ZnO
晶粒之间的晶界层区。
在95V/mm、343K、1h偏压后测定了经800℃热处理2h试验的热激发电流
图8实验结果用破折线表示。
热处理后试样的TSC约为未处理试样TSC的1/5
热处理后的试样比未热处理的U-I曲线变化显著地小,表现出良好的耐受偏压稳定性。
TSC。
说明
3.2离子扩散
在氧化锌压敏电阻耗尽层中,可能迁移的离子有填隙锌离子
()、格点上的锌离子
()格点
上的氧离子()和其他在锌格点上的替位(外来)离子(如Bi·
·
、Co·
和Mn·
等)。
Gupta等通过对交流电压作用下填隙锌扩散过程的研究,提出了填隙锌是占优势的迁移离
子的证据[1,2,4]。
根据承受交流电压作用的压敏电阻,其电流衰减方程和反向偏压一边的耗尽层中占优势的离
子,在电场作用下向晶界方向迁移的离子扩散方程,可以求出离子扩散系数
(2)
D—离子扩散系数;
L—
耗尽层宽度;
τ—电流衰减时间常数。
从测得的电流衰减曲线,可以求出时间常数
τ。
若耗尽层宽度
L=100nm
,温度在
100℃~170
℃范围内,则按式
(2)计算的扩散系数
D=10-12
~10-13(cm2/s)
表1列出了文献报导的离子扩散系数。
从表中的数据可以看出,按式
(2)计算的结果与
文献中报导的填隙锌离子的扩散系数十分接近。
表
1
文献报导的离子扩散系数与用式
(2)计算的
离子扩散系数的比较
扩散离子扩散系数(
cm2/s
)
格点上的锌离子
DZn(L)
10-42
格点上的氧离子
Do(L)
10-84
填隙锌离子
DZn(i)
10-10
~10-12
按式
(2)
计算
Di
10-12
~10-13
因此,可以认为填隙锌是氧化锌压敏电阻老化过程中起决定性作用的迁移离子。
3.3填隙锌离子的来源
氧化锌的非化学计量特性,当加热时,特别是在氧气氛下,它可形成过剩的
Zn
施主,寄
存在点阵的间隙位上,当冷却时在室温下
“冻结”。
填隙锌离子从锌颗粒内逐渐迁移到其边
界,在耗尽层中被捕获的冻结填隙离子对压敏电阻的稳定性是有害的,会引起压敏电阻老化
[2,7]。
基于这一概念,研究了压敏电阻的晶界缺陷模型(图10),与肖特基势垒能级
模型相似。
压敏电阻的不稳定性是由于电场促使填隙锌在耗尽层中的扩散,继而通过与晶粒边界缺陷产
生化学反应的过程,结果导致随着时间延长势垒高度降低,泄漏电流增加。
由两种势垒成分构成一耗尽层:
(1)空间固定的正电荷离子构成的稳定成分。
(2)由移动的正电荷的填隙锌离子构成的亚稳定成分。
热处理使填隙锌还原,提高了稳定性。
当耗尽层中的填隙锌通过加热退火处理永久性地扩散出来,表明压敏电阻的稳定性得以改
善。
3.4肖特基势垒的变化
压敏电阻经直流负荷后U-I特性曲线的老化归因于肖特基势垒的变化。
老化主要发生在预
击穿区,预击穿区的热激发方程(热发射电流)
[2
是
(3)
J
—热发射电流;
φB—电子热激活能;
E—电场强度;
B—常数;
Jo—常数;
K—波尔兹常数;
T—绝对温度。
特性曲线老化后一定电压下的电流增大。
由上式可知,这种电流增大归因于
φB
的减
小,所以上面所说肖特基势垒的变化就是指
的减小。
位于晶粒边界的肖特基势垒
φB:
(4)
e
—电子电荷;
Ns—表面态密度;
εo—真空介电常数;
Nd
—
ZnO
晶粒中的施主浓度。
由上式看出,Ns的减小或Nd的增加都可使φB下降,即晶界层或晶粒边界中负电荷
(Ns)的减少、或者是耗尽层中正电荷(Nd)的增加都会导致φB的下降,使J相对地
增大,从而造成U-I特性曲线的老化。
使Ns减少或使Nd增加的原因在于正、负离子
在晶界层与晶粒的界面两侧的积累和离散。
由式(3)可知,泄漏电流是与势垒高度、外施电压及温度有关的。
当外施电压和温度一定
时,泄漏电流增加意味着势垒高度的降低。
图9所示根据老化前后,不同温度下的电压一
电流特性求得的老化前后势垒高度随外施电压的变化。
从这些数据可以看出,老化后势垒高度确实降低,并且势垒高度降低的程度随着外施电压的
增加而增加。
因此,可以认为老化后,压敏电阻片泄漏电流的增加完全是由于肖特基础势垒
高度降低造成的。
下面用图10具体地说明由离子迁移而引起起的这种离子的积累和离散现象。
表2列出在直流负荷电压作用下,肖特基势垒的变化情况。
肖特基势垒高度的减小是由于Ns的减小或在界面的负电荷引起;
或者由于施主浓度的增
加或者耗尽层中的正电荷Nd的增加而引起的。
3.5晶界缺陷模型
氧化锌压敏电阻的晶界缺陷模型(图11)[1,2,6],由两种势垒成分构成一耗尽层:
a.空间位置固定的、正电荷离子形成的稳定成分。
这种离子是3价的置换(外来)离子,
称为施主离子,(D是Bi、Sb等)和本征氧空位及。
b.可移动的、正电荷的Zn填隙离子组成的亚稳定成分。
这一种离子是单电荷和双电荷本
征Zn填隙离子、。
这些正电荷施主从晶粒边界的两侧扩散到邻近晶粒,由晶粒边界处负电荷受主层来补偿,它
们基本上是本征Zn空位和。
认为氧填隙和在ZnO中不是主要的缺陷类型。
(1)为了满足电中性,晶界上的负电荷(、)是由相邻晶粒的耗尽层中的正电荷在两边平衡
的。
在耗尽层中电荷的重要特点是这些正离子的空间位置是不同的:
置换离子()和空位(,)
是位于点阵(子晶格)位置上,而Zn填隙离子(,)是位于ZnO(纤锌矿)结构的间隙
位上。
其结果,Zn填隙离子(,)可以迅速地在结构中经由这种间隙位置上迁移,而基质
点阵离子(,,)或其置换离子()必须通过被热力学定位的相邻空位来运动。
对所有的实
际用途来说,通常压敏电阻的工作温度下这些离子在空间上是固定的。
(2)这一模型的另一个特点是晶界表现出它好像是一个被“畸变”的层。
这个畸变层有两个
特点:
a.提供了一个负离子(氧)的迅速扩散通道;
b.起着中性空位Vx的无限的来源和吸收剂的作用。
这个模型表征地解释了压敏电阻负载情况下的不稳定性。
3.6缺陷间的化学反应
在压敏电阻老化缺陷型研究中,最重要的是解释离子迁移的驱动力[2]。
该模型以为在负荷
期间压敏电阻是被“激发”了,它可提供带正电荷填隙离子向带负电荷晶界面迁移所必需的
驱动力。
在交界面处,由于缺陷的化学反应:
(5)
—带正电荷的填隙锌;
—带负电荷的锌空位;
—中性填隙锌;
—中性锌空位。
这些带电缺陷被转换为中性缺陷。
有两种中性缺陷,在晶界吸收剂中消失(消失于“无序层
陷阱”),留在晶界处。
压敏电阻随着电应力的持续,中性的
持续聚集在界面。
如图
12所示,由于从邻近储存
的正和负的电荷继续消耗相反的电荷,
这种电荷的损耗引起势垒电势和势垒高度降低,
因此
导致漏电流增大。
正如图12(b)所示,准确的对立物反应是发生在电场去除(压敏电阻去激励)和势垒电势与势垒高度恢复时。
虽然扩散和化学反应都发生在压敏电阻的“激励”和“去激励”期间,但缓慢的扩散现象是
一个速率控制台阶。
这样一来,图11中所描述的时间相关不稳定现象,就可以直接与填
隙Zn离子的扩散有关。
利用氧空位VO作为扩散空间难以说明加载引起的不稳定现象和特性的改变。
4氧化锌压敏电阻的老化机理
4.1直流老化机理
分析表明,老化是由于压敏电阻的肖特基势垒的畸变引起的,而肖特基势垒的畸变又是由晶
界区域的离子迁移造成的,根据分析迁移离子主要是填隙锌离子[1,4,9]。
在直流电压长期作用下,压敏电阻的U-I特性曲线发生不对称的改变,原因是反向肖特基
势垒高度比正向肖特基势垒高度降低更多,即肖特基势垒出现了不对称的畸变(见图13)。
由于直流电压极性不变,离子一直在向晶界势垒单向迁移,导致反向偏压侧肖特基势垒不断
降低。
图13(a)和(b)为直流电压作用前后ZnO晶粒边界区的能带图,表明正偏压侧
的反向肖特基势垒逐渐下降,从而导致泄漏电流密度随时间的增加。
肖特基势垒的下降导致泄漏电流和功率损耗的增加;
由于势垒的不对称变化,又导致U-I
特性曲线的不对称变化。
泄漏电流密度随时间增加可表示为:
J=Aexp(Btn)
(6)
A、B、n
为常数。
4.2交流老化机理
在交流电压在作用下,在预击穿区,压敏电阻的阻性电流密度可以采用下式表示
,4,6]
(7)
β为常数;
(8)
ε为介电常数;
E为电场强度;
Φo—肖特基势垒高度;
T—温度;
K—波尔兹曼常数。
4.2.1交流正半波电压作用
在交流正半波电压作用下,假设右侧施加正偏压,则左侧为正向肖特基势垒,右侧为反向肖特基势垒,如图14(a)所示。
这时在晶界层及反向肖特基势垒侧的耗尽层都发生离子迁移。
反向偏压侧肖特基势垒耗尽层中的填隙锌离子向晶界层迁移,即离子往左方向迁移,与右侧
界面上的负电荷的锌空位生成中性离子,导致右边反向肖特基势垒高度降低。
4.2.2交流负半波电压作用
当所加的极性改,
即在交流的半波作用下,
左正偏下反向肖特基
,右正向肖特基。
左耗尽中的填隙离子向晶界迁移,
与在左界面上
的荷的空位生成中性离子,致左反向肖特基降低,如
14(b)所示。
交流作用下极性改,晶界的离子一会往左,一会往右,
左右运的距离相等,
晶界的离子迁移的来保持位置不,
相当于没有生迁移。
然而在耗尽中的离子迁
移不能忽略。
因当反向肖特基,
在其上施加一个高,
而当正向肖特基
,在其上只施加一个小的。
在不断改极性,
耗尽的填隙离子一会往晶
界的方向迁移,一会往反方向迁移,但左右两运的距离不相等,
最正填隙离子迁
移到达肖特基的界面,
与空位生反生成中性离子。
种情况致氧化晶粒—晶
界—氧化晶粒的界面形成的两个肖特基生称畸,两高度均有所降低,
如14(c)所示。
和直流老化相似,交流作用下阻性流的增加是由于高度的降低引起的。
4.3冲流作用的老化机理
在冲荷,敏阻受着大流的冲作用,然脉冲度很窄(数十
μs
到
2ms),但是敏阻局部的温升是相当高的。
冲老化的机理主要是老化
[1,4,9]。
冲流作用下,在短内将大量的能量注
入敏阻。
如果不考散,将敏阻吸收冲能量的升温程近似看作温升,
测
吸收冲能量Wi后,敏阻的温升:
(9)
T—温升;
ρ—阻率;
cp—定比。
敏阻吸收能量升温之后,高的温度在敏阻内部生大的激活能。
在极性的
冲作用下,一方面晶界的Bi⋯等正离子向反向偏肖特基的晶界迁移;
另一
方面在反向肖特基耗尽内的正离子也向晶界方向迁移。
但所有离子迁移速度明高于
低区直流作用的迁移速度。
两方面的作用将引起肖特基的大的畸,最
生重的极性老化。
冲老化与冲流的幅和波形、作用次数以及境温度有关。
4.4冲流与工作同作用的复合老化
在用中,敏阻是在期承受直流或交流工作的作用,只隙性地承受冲
流的作用,即冲老化是与交流老化或直流老化同行的[9]。
如果敏阻期承受直流作用,同极性的冲流作用将使老化加速。
若直流作用
所加冲的极性相反,或在交流作用叠加冲,冲流作用下出的老化一段
以后能得到一定的恢复。
冲和交流叠加,冲使晶界的正离子向一的迁移,但接下去的交流作用又使正
离子向两的均匀散,使偏向一离子又被拉来迁移到另一,从而使冲的老化
程度降低,即交流和冲叠加造成的老化具有相减性。
4.5压敏电阻老化的预防
4.5.1热处理改善稳定性
已经表明,利用热处理退火可以将耗尽层中的填隙锌离子永久地扩散出去,
改善压敏电阻的
稳定性。
当不稳定的压敏电阻在氧化气氛中退火几小时,最好
600℃~800
℃,压敏电阻
变得相对时间稳定。
600℃退火样品,显示出阻性电流
IR
的上升可以忽略。
利用晶粒内
Bi2O3
相从初始的
β/δ向γ相转变时压敏电阻也变得稳定
2]
(1)空气中热处理时,氧分子通过各种方式扩散进入晶界,与位于晶界的中性氧空位发生化
学反应,在晶界处生成中性的氧晶格
[见图15(a)
、(b)]。
(10)
中性的氧晶格
立即从晶界处带负电荷的锌空位上捕获一个电子
(因为它们之间有很强
的亲和力),在界面形成中性的锌空位和带负电荷的氧晶格上离子。
(11)
虽然
湮灭在晶粒边界吸收层中了,
但氧晶格上带负电荷的保留在界面上了
(见图15(c))。
填隙锌Zni
从晶粒内到边界区向外扩散。
由被激活扩散到界面的正填隙锌离子
与锌
空位
反应,湮灭而形成晶格上出现带正电荷的锌离子和中性填隙空位
[见图15(d)、
(e)]
(12)
两种带相反电荷的离子,带正电荷的锌晶格
与晶格上带负电荷的氧离子反应,
即在晶
界形成中性的氧化锌晶格
ZnO(见图15(f))。
(13)
从而消除了耗尽层中的填隙锌离子。
以上说明,通过热处理使氧分子扩散进入晶界形成氧原子,
减少了造成晶界势垒降低的填隙
锌离子Zni,使压敏电阻的性能得到改善。
3列出氧化锌压敏电阻的退火效果。
表3
氧化锌压敏电阻的退火效果
序号
参数效果
曲线在击穿前区产生永久性变化
2
E0.5(RT)
因退火下降
3
IR(RT)
因退火而增加
4
E0.5随t的变化退过火的器件随时间不产生变化,
未退火器件随时间而降低
5IR随t的变化退火器件不随时间变化,
未退火器件随时间增加。
6界态面态密度退火时降低
7陷阱密度因退火降低
8非线性系数α因退火而降低
9过载稳定性因退火而增加
10
矩形波稳定性
11
能量吸收因退火而增加
4.5.2化学法改善稳定性
最近报道,引入像
Na
和K
那样的两性掺杂剂到
ZnO点阵中去,两性掺杂具有能占据
点阵位置和填隙位置两者的能力
[2,10]
利用占据填隙位置,掺杂剂首先将在可能位置
上的Zn填隙离子骨架分割成块,然后阻止Zn
填隙利用可用位置的迁移。
进一步,Na
离
子在填隙位置起受主的作用,而在点阵位置的
Na离子起施主的作用。
这一模式表明,必须存在一个填隙密度大大降低的掺杂区域(见图
16),于是就产生了强
化稳定性的前景,在图
16中,中性区域
Ⅲ就是这样一个希望的掺杂区。
当这一掺杂效果实现时,
随t
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 氧化锌 压敏电阻 老化 机理