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ZnO-Bi2O3基压敏电阻器研究进展
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ZnO-Bi2O3基压敏电阻器研究进展

2021-01-11 10:11:09 来源:半导体器件应用网

【大比特导读】ZnO-Bi2O3基压敏电阻器具有优异的压敏性能,是目前研究最多的压敏电阻体系,广泛应用在电路的过压保护和浪涌电流吸收方面。

氧化锌(ZnO)晶体室温下的禁带宽度为3.37eV[1],是一种非化学计量比化合物,其主要点缺陷是间隙Zn离子,间隙Zn离子电离后能给导带提供自由电子,所以,ZnO晶体是一种典型的n型半导体。ZnO因具有特殊的电学、光学等性能,在压电、气敏、催化、透明导电薄膜等领域具有广泛应用[2-4]。ZnO压敏电阻器是一种以ZnO为主体,掺杂多种金属氧化物改性的多晶半导体,由于ZnO压敏电阻具有非线性系数高、浪涌吸收能力强、性能稳定、制备工艺简单等诸多突出优点,被广泛应用于电力、交通、通讯、仪表、家电等各个行业作为浪涌吸收、过压保护、过电压抑制和稳电压等器件[5-10]。衡量ZnO压敏电阻性能的主要参数包括非线性系数a、压敏电压E1mA和漏电流IL等,a值越大压敏电阻对浪涌的反应速度越快,合适的E1mA可以有效控制压敏电阻的阈值电压,IL值越小则压敏电阻在工作过程中的热损耗越低。避雷器是ZnO在电力系统内外部高压防护中应用的主要产品形式,高电压梯度,大通流容量,低残压比和优异的老化性能,不仅能减小避雷器本身的体积和重量,降低被保护设备的绝缘水平和造价,而且还能为电力设备提供更加安全可靠的防护[11-15]

以氧化锌为基体的压敏电阻中,ZnO-Bi2O3基压敏电阻是研究最早,也是目前研究最多的压敏电阻体系,已广泛应用在电力系统和电子集成电路的过压保护、雷电和浪涌电流的防护中。其中低压ZnO-Bi2O3基压敏电阻可广泛应用于汽车工业、通讯设备、铁路信号、微型电机及各种电子器件的保护,市场前景非常广阔。该体系主要是以ZnO为主,以氧化铋(Bi2O3)、氧化锑(Sb2O3)、氧化钴(Co2O3)、氧化锰(MnO2)、氧化铬(Cr2O3)等为基本添加物,掺杂其他氧化物添加剂以便得到不同性能的压敏电阻。从微观结构上看,ZnO构成主晶相,以10-20mm大小晶粒存在,富Bi2O3相构成晶界层,连续分布在晶粒周围,其它氧化物同时分布在晶界和晶粒中[16-18]

其中,Bi2O3是最核心的添加剂,熔点较低,主要存在于晶界处构成绝缘晶界层,起到提高晶界势垒并提升其非线性的目的[19],参与反应形成焦绿石(Zn2Bi3Sb3O14)和尖晶石相(Zn7Sb2O12),阻止晶粒异型长大,在高温时形成富铋液相Bi2O3(Sb,Zn),可以传递氧离子,并渗透到附近的氧化锑和氧化锌[20];Sb2O3主要以尖晶石的形式,可以减小Bi2O3的挥发,提高非线性和稳定性;Co2O3和Cr2O3的加入能形成氧空位并聚集于晶界,从而提高晶界势垒高度并减小漏电流;掺杂SiO2能在基体中引入玻璃相,抑制晶粒生长,有效提高电位梯度[15]。综上可知,选择合适的掺杂氧化物,合理优化配比,控制掺杂成分在主体材料中的分布,是进一步提高ZnO-Bi2O3基压敏电阻综合性能的关键。通过添加各种金属氧化物提高ZnO压敏电阻器的综合电学性能,具有重要的经济和社会意义。本文从掺杂改性和制备工艺两方面对ZnO-Bi2O3基压敏电阻器的研究进展进行了综述。

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