1 引言
ZnO 压敏电阻是半导体电子陶瓷器件，主要功能是识别和限制瞬态过电压，反复使用而不损坏。它的电流（I）—电压（U）特性是非线性的，与稳压二极管相似。但与二极管不同，压敏电阻能限制的过电压在两个极性上相等，于是呈现的 I-U 特性很象两个背对背的二极管。压敏电阻能用于交流和直流电场，电压范围从几伏到几千伏，电流范围从毫安到几千安。压敏电阻还附加有高能量吸收能力的特性，范围从几焦耳到几千焦耳。它的通用性使得压敏电阻在半导体工业和电力工业都有应用。
ZnO 压敏电阻是用半导体 ZnO 粉末和其它氧化物粉末如：Bi、Sb、Co、Mn、Cr、Ni、Si 等经过混合、压型和烧结工艺而制成。得到的产品是具有晶界特性的多晶陶瓷，这一边界特性决定了压敏电阻的非线性 I-U 特性。
ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学特性、物理特性和化学特性。微观结构是体现这些性质的媒介，是 ZnO 压敏电阻的基础。
2 ZnO 压敏电阻的基本特性
2.1 ZnO 压敏电阻的电性质
ZnO 压敏电阻最重要的性质是它的非线性 I-U 特性，如图 1 所示。在功能上，在达到给定的击穿电压之前，压敏电阻的作用接近于绝缘体，此后它的作用相当于导体。对设计者关注的电学特性，是它在导电过程的非线或非欧姆特性，以及它作为电阻时，正常工作电压下的低泄漏电流（功率损耗）。这些特性能够用曲线的三段重要区域来说明。
2.1.1 小电流线性区
在这一范围内（<10-4A/cm2），I-U 特性是欧姆性的，定义为预击穿区。对于给定的工作电压，交流电比直流电流大约高二个数量级。这一差别被认为是交流电压应用时介电损耗的作用。全电流是由容抗电流（IC）和电阻电流（IR）合成，并且是由 ZnO 的晶粒边界决定的。
2.1.2 中间的非线性区域
中间电流非线性区，对于电压的一个小增量，压敏电阻传导一个格外大的电流。该非线性区可以在电流的 6~7 个数量级上扩展。正是这一在宽电流强度上的高非线性，使得 ZnO 压敏电阻与其它非线性器件有重大的差别，并使其应用于多种用途。这一区域的 I-U 曲线越陡，器件就越好。
发现添加 Bi2O3 基本上形成非欧姆特性。但是添加像 Co2O3 和 MnO2 过渡氧化物也能增强非线性。同样，像 Bi2O3、Sb2O3、Co3O4、MnO2 和 SiO2 等组合成多元掺杂剂能比用单一掺杂剂大大增加其非线性。同样，增加掺杂剂浓度至某一最佳量也显示出增加其非线性行为。
2.1.3 大电流翻转区
在大电流区域（>103A/cm2），I-U 特性又呈线性，与小电流区域相似，电压随电流的上升比非线性区块。该区域还称为翻转区。此区域受 ZnO 微结构中晶粒电阻的控制。于是添加已知能控制 ZnO 晶粒电阻的掺杂剂（如 Al、Ga 等），其结果对大电流翻转特性有很大影响。
为了表征 ZnO 压敏电阻，希望测定全部三个区的 I-U 特性。但由于所涉及的电流范围宽，对所有区域不可能使用相同的测试工艺。通常对小于 100mA/cm2 的 I-U 特性是用直流或 50Hz 的交流测定，对大于 1A/cm2 的 I-U 特性用具有上升峰值时间为 8μs 的典型波形和 20μs 的半峰值衰减时间的脉冲电流（即所说的 8×20μs 波形）测定。
2.2 ZnO 压敏电阻的物理特性
ZnO 压敏电阻的非线性是一种晶粒边界现象，即在相邻晶粒耗尽层中存在多数电荷载流子（电子）的势垒。认为肖特基势垒最像 ZnO 微结构中晶粒边界势垒。晶粒边界上的负表面电荷（电子捕获）是由晶界面两侧晶粒的耗尽层的正电荷来补偿的。热电子发射和隧道效应是主要的传输机制。
最近发展的压敏电阻势垒的晶粒边界缺陷模型在改进稳电压应力下，压敏电阻的稳定性上取得了很大进展。
2.3 ZnO 压敏电阻的化学特性
纯 ZnO 是具有线性 I-U 特性的非化学计量 n 型半导体。进入 ZnO 中的各种添加物使其具有非线性。这些氧化物中主要是 Bi2O3。这些氧化物的引入，在晶粒和晶粒边界处形成原子缺陷，施主或类施主缺陷支配着耗尽层，而受主和类受主缺陷支配着晶粒边界状态。相关的缺陷类型是锌空位（VZn'、VZn''）、氧空位（Vo.、Vo..）、填隙锌（Zni.、Zni..）和外来原子（DZn. 和 Di'），DZn. 和 Di' 分别代表所有外来的施主和受主原子（D 可以是 Bi、Sb 等）。
根据对 ZnO 中缺陷平衡的研究，证明了由缺陷向边界层不相等的迁移能够形成缺陷引起势垒。它表明一个高的施主杂质（DZn≈1018cm-3），当从烧结温度冷却时，晶粒边界变得富集锌空位[VZn]（受主）而缺少氧空位[Vo]（施主）（见图 2）。这种掺杂产生了晶粒边界处锌空位[VZn]过剩和氧空位[Vo]的不足，这种情况提高了势垒（势垒高度φ0.7eV），同时有效地消除了在晶粒边界处分离界面层的需要。
3 ZnO 压敏电阻的微观结构
3.1 多种的相组成
ZnO 压敏电阻的微观结构分析发现，形成的四个主要成分是 ZnO、尖晶石、焦绿石和一些富 Bi 相（图 3）。图中也指明了组分存在的部位，还存在一些用现有技术尚不易检测出来的其它次要相。
ZnO 压敏电阻的典型晶粒尺寸在 15 和 20μm 之间，并且也总是伴有双晶。SiO2 的存在抑制晶粒生长，而 TiO2 和 BaO 则加速晶粒长大。尖晶石和焦绿石相对晶粒长大有抑制作用。焦绿石相在低温时起作用，而尖晶石相在高温时有利。当用盐酸浸蚀晶粒时，中间相呈现出在电性上绝缘的三维网络。
烧结形成的 ZnO 晶粒是 ZnO 压敏电阻的基本构成单位。在烧结过程中，各种化学元素在微观结构中的分布，使得近晶粒边界区域具有高阻抗（ρgb≈1012 Ω·cm），而晶粒的中间具有高电导（ρo≈1~10 Ω·cm）。从图 1 给出的 I-U 曲线的斜率能估算这些阻抗特性。
3.2 微观结构和电特性
图 4 给出了微观结构和电特性略图。图 4(a) 给出了晶粒和晶界电阻的表观略图。从晶粒边界到晶粒的电位陡降[图4(b)]发生在≈50~100nm 的距离内，称为耗尽层。这样，在每个晶粒边界处都存在晶粒边界向两侧延展入相邻晶粒的耗尽层。晶粒间存在耗尽层提高了压敏电阻的作用。
晶粒边界两侧两个耗尽层的存在，使得 ZnO 压敏电阻对极性变化不敏感。在这一方面，压敏电阻像一个背对背的二极管。进一步说，由于晶粒边界附近区域的电子被耗尽，当施加外电压时，跨在晶粒边界上出现一电压降。这被称作势垒电势，一般是≈2~4V/（每晶粒边界）。
3.2.1 等效电路
在图 4(c) 所示的等效电路中，这一电路由一个电阻（R）和一个电容（C）分量组成。当在预击穿区给 ZnO 压敏电阻施加一电压时，流过器件的漏电流完全是起源于晶粒边界。在交流模式时，这个电流由电阻分量和电容分量组成。
3.2.2 微观结构和电特性关系
(1) 小电流击穿前线性区域（<10-4A/cm2），被验证是受晶粒边界电阻和电容控制。
(2) 在I-U曲线为一端，大电流线性区（<10-3A/cm2），被验证是受晶粒的电阻控制的。
(3) 对各种应用最重要的区域，中部非线性区，受晶粒边界和晶粒间的电阻差别的间接控制。
3.2.3 势垒电势与微观结构联系
ZnO 压敏电阻势垒电势（Ugb）
U=UgbNgt（V）（1）
E0.5=U/t（V/cm）(2)
式中 U— 非线性电压
Ng — 每厘米的晶粒数
t — 每厘米的边界厚度
这样，压敏电阻的晶粒（GS）
Ng≈（GS）-1
E0.5 是作为在 0.5mA/cm2 时记录的击穿电压的度量，是人为选择的（见图 1）。
由于晶粒边界处存在耗尽层，则表现出介电常数是受晶粒尺寸影响，其值随晶粒尺寸的增大而提高。表观晶粒边界电容为每晶粒边界 0.18μF/cm2。
4 结论
ZnO 压敏电阻具有特殊的非线性特性，是所有压敏电阻元件中，也是所有敏感元件中研究得最多，发展得最快应用得最广之一。ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学性质、物理特性和化学特性。微观结构是体现这些性质的媒介，决定了 ZnO 压敏电阻的许多性质，是 ZnO 压敏电阻的基础。微观结构分析给 ZnO 压敏电阻的特性分析提供依据，对改进配方、优选工艺、组织生产、分析质量将起到重要指导作用。

参考文献
[1] T.K Gupta. J. Amer. Ceram. Soc.， 1990，73(7)，1817~1840
[2] Jan Harloff， D. Bonnell. Physical Properties of Ceramics (Zinc Oxide Varistor)[doctoral thesis]. 1995
[3] Mattias Elfwing. Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 686， ACTA universities UPSALIENSIS UPPSALA 2002
[4] 莫以豪， 李标荣， 周国良. 半导体陶瓷及其敏感元件. 上海: 上海科学技术出版社1983年10月