ZnO 阀片的非线性 U-I特性

EAK氧化锌阀片的非线性电压-电流(U-I)特性是它在作为限压元件的实际应用中最为重要的性能。

U-I特性曲线中有一个明显的转折点,即拐点。当作用在阀片上的电压低于拐点电压时,流过阀片的电流密度很小，一般小于1μA/cm”,电压与电流接近线性关系;当电压高于拐点电压时,电流随电压的增加而急剧增大,电压与电流呈强非线性关系,这时虽电压增加较小，而电流可以增加几个数量级。在很多研究ZnO非线性电阻的导电机理的文献中,一般将拐点电乐称为“击穿电压”这里的所谓“击穿”不同于一般介质的击穿破坏,而是指氧化锌非线性电阻的非线性U-特性曲线中,当电压超过这一电压时电流明显增大,电阻值急剧下降的现象。“击穿电压”一般指电流密度为1 mA/cmn'时作用在非线性电阻上的电压。这种所谓的“击穿”是可恢复的,去掉作用电压,其ZnO非线性性能基本上可以恢复到起始状态。在ZnO微观结构中,其晶粒本身的电阳率为0.001Ω·m~0.1众·m，而晶界层的电阻率大于10Ω·m,因此施加的电压较小时,基本上所有电压都作用在晶界层上。氧化锌非线性电阻的拐点电压,一般以达到这个电压时作用在氧化锌非线性电阻能带结构中每个晶界势垒上的电压来代表。分析表明,ZnO非线性电阳的拐点电压大致为每晶界层3V~3.5V。拐点电压对ZnO非线性电阻的添加成分、烧结时详细的加温和冷却程序及处理步骤等都非常敏感。在添加物中无BiO:的ZnO非线性电阻的击穿电压为每晶界层 3.5 V[]。

根据作用在ZnO非线性电阻上的电场强度的大小,可以将ZnO非线性电阻的电流-电压特性分为三个区域:预击穿区域;② 击穿区域;③ 回升区域。这三个区域在电工技术和工程应用中相应被称为:①低电场区;②中电场区;③高电场区,如图2.4所示,这里分别以作用在ZnO非线性电阻上的电场强度和通过的电流密度J表示。

在低电场区施加的电压低,在拐点电压以下,为强非线性现象发生前的区域,ZnO电阻呈现高阻值,该区域的电压与电流的关系接近线性关系,泄漏电流为微安级以下。中电场区域具有很高的非线性指数，其电流密度变化在10-'A/cm'~10A/cm',上升8个数量级,而电场强度仅上升到2倍左右。对于SiC非线性电阻同样情况下电场强度要上升到8倍左右，这表明ZnO电阻具有更优良的非线性。低电场区及中电场区的特性是受晶界特性决定的。在高电场区,非线性逐渐变小,直至最后消失,进入低阻状态,ZnO晶粒的电阻将起主要作用。