氧化锌压敏电阻器的高温特性
2010-09-10 11:49:52
来源：《半导体器件应用》2010年9月刊
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1 引言
氧化锌压敏电阻器自松下公司发明以来，目前最成熟和普遍认可的击穿区导电机理是隧道电流说[1][2]，该理论认为击穿区的非线性来源于晶界的隧道击穿，其 V-A 特性几乎不受温度的影响，压敏电压、限制电压随温度几乎不变，而且报道的温度特性均在 150℃ 以下，没有资料表明大于 150℃ 以上后压敏电阻器的温度特性。本文就是针对氧化锌压敏电阻器的高温特性作探索性研究。
2 实验
2.1 压敏电压随温度的变化试验
14D471 产品任取 10 只，放入马弗炉中缓慢升温，保温 5 分钟，在不同的温度测量压敏电阻器的压敏电压和压比，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
430/φ56 被小面积φ10 银面取 10 只，放入马弗炉中缓慢升温，保温 5 分钟，在不同的温度测量压敏电阻器的压敏电压和压比，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
430/φ56 被小面积φ10 银面取 10 只，在电炉上加热，在不同的温度测量压敏电阻器的压敏电压和压比，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
20D511 银片取 1/4，在电炉上加热，在不同的温度测量压敏电阻器的压敏电压和压比，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
2.2 高温电流冲击试验
取 10D471 成品 10pcs，在电炉上加热，以 8/20μs，2000A 大电流冲击，记录试验温度、冲击电流和限制电压。
取 430/φ56 被小面积φ10 银面取 10 只，在电炉上加热，在不同的温度测量 8/20μs ，30A 时的限制电压，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
3 试验数据
表 1~表 5 列出试品的电压温度特性，图 1~图 4 给出试品的电压温度特性曲线。
4 试验结果与讨论
4.1 压敏电压和压比受温度的影响
从表 1 ~表 3 和图 2 ~ 图 4 可以看出，在小于 180℃ 的温度下，压敏电压随温度变化很小，变化率不超过 5%，这和以前资料[1][2] 对压敏电压温度特性的介绍是相符合的，如图 1 所示，从室温至 188℃，1mA 的电流密度时压敏电压几乎不受温度的影响，这一现象能够很好地符合压敏电阻器击穿区隧道效应的导电理论。
温度超过 200℃ 以后，压敏电压和非线性明显地受温度的影响，随着温度升高，压敏电压呈抛物线形降低，电压比呈抛物线形上升（非线性降低），约在 280℃ 时，压敏电压变化率在 50%~70%，电压比变成了 10 左右，非线性指数变成了 1，V-A 特性接近线性。温度超过 300℃ 后，压敏电压变化更快，每上升 10℃ 压敏电压降低一半。
根据相关压敏电阻器导电机理的理论[1][2]，预击穿区肖特基势垒热激发电流起决定作用，击穿区隧道电流起决定作用。这种变化趋势和热激发电流受温度的影响很相似，可以理解为，在 180℃ 以下，击穿区热激发电流相对隧道电流来说微不足道，导电机理受隧道电流主导和支配，但在 200℃ 以上，随着温度升高，击穿区热激发电流增大而隧道电流不变，导至热激发电流压敏电阻 1mA DC 电流中已经可以和隧道电流相比拟了，温度对压敏电压的影响就是热激发电流引起的。
另外，根据势垒高度[1][2] 的计算式(1)，由于温度的升高，耗尽层中的热激发自由电子增多，相当于施主浓度增加，相应地势垒高度在高温时降低，同样会引起压敏电压降低。
φ0=e2Ns2/(2ε0εr Nd2) (1)
其中： e 为电子电量；
ε0 为真空介电常数；
εr 为耗尽层相对介电常数；
Ns 为界面态密度；
Nd 耗尽层施主浓度。
压比的增大，非线线的降低可以同样用热激发电流的作用与势垒高度的降低来解释。
至于 280℃ 后非线性指数变成 1 也不可能是表面电导引起的，因为试验中为了避免这一影响采用了直径 D56 的瓷片被银面只有 φ10，结果和正常尺寸产品没有区别，不同电压产品在高温时的限制电压与压敏电压的依存性也排除表面漏导的影响。
280℃ 后线性化的原因有可能是测量误差。
4.2 击穿区限制电压受温度的影响
从表 5 和图 5 可以看出，200℃ 以下，压敏电阻器击穿区的限制电压不受温度的影响，200℃ 以上时，开始受温度的影响，400℃ 以后影响开始明显，500℃ 以后发生转折，限制电压随温度升高急剧下降同样热激发电流的作用和势垒降低也同样可以解释限制电压受温度影响的情况。
500℃以后，可能是表面态中束缚的电子受热变成了自由电子，有效表面态密度降低，根据式 (1)，势垒会明显降低，限制电压发生转折性急剧下降。
4.3 上升区限制电压受温度的影响
表 4 是 10D471 在 2000A 冲击电流下不同温度的试验数据，显见，200℃ 以下时上升区的限制电压不受温度的影响。说明这时隧道电流仍然起决定作用。
由热激发电流和势垒降低对压敏电压、非线性和击穿区限制电压的影响来看，在400℃ 以前，上升区的限制电压都不会受到温度影响。
因为上升区的限制电压受势垒和晶粒电阻的同时影响[3]，晶粒的半导体特性应是温度升高电阻率降低，其作用是限制电压降低，由 200℃ 以下时上升区的限制电压不受温度的影响的事实说明，在温度不是非常高时，温度对晶粒电阻是没有影响的，这应是其本征激发直至很高温度时都不能和杂质与缺陷激发的载流子相比拟，而杂质与缺陷在室温时已完全激发，所以晶粒电阻率在很高温时还维持稳定。
以 10D471 为例，计算产品最大峰值电流时引起的产品温升
ΔT = 0.84 IpVpτ／(πR2tρC)
= 0.84×3500×470×2.5×0.00002/(3.14×
0.25×0.22×5.6×0.5)=140℃
也就是说，从现在产品最大峰值电流冲击水平来看，整个冲击过程中晶粒温升都不会超过 200℃，所以冲击本身也不会引起晶粒电阻变化对限制电压的影响；计算波前对晶粒的加热也不会超过 30℃，冲击本身也不会引起晶粒电阻变化对限制电压的影响；10D471 连续两次冲击后温升超过 70℃，高低温中多次冲击的结果表明，限制电压也无变化，由此可以推断，在 300℃ 以下晶粒电阻不发生变化，不会因晶粒电阻引起上升区的限制电压的变化。
因此可以推断，不超过 300℃~400℃ 时，上升区的限制电压不受温度影响。
在 500 时的势垒突降可能会引起上升区限制电压的明显降低。
5 结论
由于温度高于 200℃ 以后热激发电流和晶界势垒降低受温度影响的作用，导致压敏电阻器的 VA 特性发生变化，温度升高时压敏电压降低、非线性变小、相同电流时限制降低；
参考资料
[1] 莫以豪等， 半导体陶瓷及其敏感元件， 上海科学技术出版社， 1983.
[2] 吴维韩等， 金属氧化物非线性电阻特性和应用， 清华大学出版社， 1998.
氧化锌压敏电阻器自松下公司发明以来，目前最成熟和普遍认可的击穿区导电机理是隧道电流说[1][2]，该理论认为击穿区的非线性来源于晶界的隧道击穿，其 V-A 特性几乎不受温度的影响，压敏电压、限制电压随温度几乎不变，而且报道的温度特性均在 150℃ 以下，没有资料表明大于 150℃ 以上后压敏电阻器的温度特性。本文就是针对氧化锌压敏电阻器的高温特性作探索性研究。
2 实验
2.1 压敏电压随温度的变化试验
14D471 产品任取 10 只，放入马弗炉中缓慢升温，保温 5 分钟，在不同的温度测量压敏电阻器的压敏电压和压比，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
430/φ56 被小面积φ10 银面取 10 只，放入马弗炉中缓慢升温，保温 5 分钟，在不同的温度测量压敏电阻器的压敏电压和压比，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
430/φ56 被小面积φ10 银面取 10 只，在电炉上加热，在不同的温度测量压敏电阻器的压敏电压和压比，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
20D511 银片取 1/4，在电炉上加热，在不同的温度测量压敏电阻器的压敏电压和压比，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
2.2 高温电流冲击试验
取 10D471 成品 10pcs，在电炉上加热，以 8/20μs，2000A 大电流冲击，记录试验温度、冲击电流和限制电压。
取 430/φ56 被小面积φ10 银面取 10 只，在电炉上加热，在不同的温度测量 8/20μs ，30A 时的限制电压，测温表贴于压敏电阻器的表面同时记录实际温度。
3 试验数据
表 1~表 5 列出试品的电压温度特性，图 1~图 4 给出试品的电压温度特性曲线。
4 试验结果与讨论
4.1 压敏电压和压比受温度的影响
从表 1 ~表 3 和图 2 ~ 图 4 可以看出，在小于 180℃ 的温度下，压敏电压随温度变化很小，变化率不超过 5%，这和以前资料[1][2] 对压敏电压温度特性的介绍是相符合的，如图 1 所示，从室温至 188℃，1mA 的电流密度时压敏电压几乎不受温度的影响，这一现象能够很好地符合压敏电阻器击穿区隧道效应的导电理论。
温度超过 200℃ 以后，压敏电压和非线性明显地受温度的影响，随着温度升高，压敏电压呈抛物线形降低，电压比呈抛物线形上升（非线性降低），约在 280℃ 时，压敏电压变化率在 50%~70%，电压比变成了 10 左右，非线性指数变成了 1，V-A 特性接近线性。温度超过 300℃ 后，压敏电压变化更快，每上升 10℃ 压敏电压降低一半。
根据相关压敏电阻器导电机理的理论[1][2]，预击穿区肖特基势垒热激发电流起决定作用，击穿区隧道电流起决定作用。这种变化趋势和热激发电流受温度的影响很相似，可以理解为，在 180℃ 以下，击穿区热激发电流相对隧道电流来说微不足道，导电机理受隧道电流主导和支配，但在 200℃ 以上，随着温度升高，击穿区热激发电流增大而隧道电流不变，导至热激发电流压敏电阻 1mA DC 电流中已经可以和隧道电流相比拟了，温度对压敏电压的影响就是热激发电流引起的。
另外，根据势垒高度[1][2] 的计算式(1)，由于温度的升高，耗尽层中的热激发自由电子增多，相当于施主浓度增加，相应地势垒高度在高温时降低，同样会引起压敏电压降低。
φ0=e2Ns2/(2ε0εr Nd2) (1)
其中： e 为电子电量；
ε0 为真空介电常数；
εr 为耗尽层相对介电常数；
Ns 为界面态密度；
Nd 耗尽层施主浓度。
压比的增大，非线线的降低可以同样用热激发电流的作用与势垒高度的降低来解释。
至于 280℃ 后非线性指数变成 1 也不可能是表面电导引起的，因为试验中为了避免这一影响采用了直径 D56 的瓷片被银面只有 φ10，结果和正常尺寸产品没有区别，不同电压产品在高温时的限制电压与压敏电压的依存性也排除表面漏导的影响。
280℃ 后线性化的原因有可能是测量误差。
4.2 击穿区限制电压受温度的影响
从表 5 和图 5 可以看出，200℃ 以下，压敏电阻器击穿区的限制电压不受温度的影响，200℃ 以上时，开始受温度的影响，400℃ 以后影响开始明显，500℃ 以后发生转折，限制电压随温度升高急剧下降同样热激发电流的作用和势垒降低也同样可以解释限制电压受温度影响的情况。
500℃以后，可能是表面态中束缚的电子受热变成了自由电子，有效表面态密度降低，根据式 (1)，势垒会明显降低，限制电压发生转折性急剧下降。
4.3 上升区限制电压受温度的影响
表 4 是 10D471 在 2000A 冲击电流下不同温度的试验数据，显见，200℃ 以下时上升区的限制电压不受温度的影响。说明这时隧道电流仍然起决定作用。
由热激发电流和势垒降低对压敏电压、非线性和击穿区限制电压的影响来看，在400℃ 以前，上升区的限制电压都不会受到温度影响。
因为上升区的限制电压受势垒和晶粒电阻的同时影响[3]，晶粒的半导体特性应是温度升高电阻率降低，其作用是限制电压降低，由 200℃ 以下时上升区的限制电压不受温度的影响的事实说明，在温度不是非常高时，温度对晶粒电阻是没有影响的，这应是其本征激发直至很高温度时都不能和杂质与缺陷激发的载流子相比拟，而杂质与缺陷在室温时已完全激发，所以晶粒电阻率在很高温时还维持稳定。
以 10D471 为例，计算产品最大峰值电流时引起的产品温升
ΔT = 0.84 IpVpτ／(πR2tρC)
= 0.84×3500×470×2.5×0.00002/(3.14×
0.25×0.22×5.6×0.5)=140℃
也就是说，从现在产品最大峰值电流冲击水平来看，整个冲击过程中晶粒温升都不会超过 200℃，所以冲击本身也不会引起晶粒电阻变化对限制电压的影响；计算波前对晶粒的加热也不会超过 30℃，冲击本身也不会引起晶粒电阻变化对限制电压的影响；10D471 连续两次冲击后温升超过 70℃，高低温中多次冲击的结果表明，限制电压也无变化，由此可以推断，在 300℃ 以下晶粒电阻不发生变化，不会因晶粒电阻引起上升区的限制电压的变化。
因此可以推断，不超过 300℃~400℃ 时，上升区的限制电压不受温度影响。
在 500 时的势垒突降可能会引起上升区限制电压的明显降低。
5 结论
由于温度高于 200℃ 以后热激发电流和晶界势垒降低受温度影响的作用，导致压敏电阻器的 VA 特性发生变化，温度升高时压敏电压降低、非线性变小、相同电流时限制降低；
参考资料
[1] 莫以豪等， 半导体陶瓷及其敏感元件， 上海科学技术出版社， 1983.
[2] 吴维韩等， 金属氧化物非线性电阻特性和应用， 清华大学出版社， 1998.
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