高压系ZnO压敏电阻设计及其性能研究

论文摘要

ZnO压敏电阻由于其优异的U-I非线性特性和浪涌电流耐受能力,被广泛地应用于电子、电力的保护电路中。为了提高压敏电阻的压敏电压和浪涌电流耐受能力,本文研究了sol-gel法制备的纳米ZnO粉体作为原材料制备压敏电阻;同时,本文还研究了几种添加物添加量及样品烧结温度对ZnO压敏电阻电性能的影响。此外还研究了实验制备的压敏材料样品的晶界势垒高度和电子松弛极化中的激活能。用正交试验法研究了添加物和烧结温度对ZnO压敏电阻的电性能的影响。以Bi2O3、Co3O4、Sb2O3三种添加物的添加量及烧结温度为变量,通过方案设计、试验和数据处理,得出了所研究四个变量在设定范围的优选值,以优选值制备了ZnO压敏电阻样品,性能指标达到:非线性系数α=49,压敏电压V1mA=178V/mm,漏电流IL=0.4μA,电容量C= 766pF。该样品用于本论文工作的后续研究工作。用sol-gel法制备的纳米ZnO粉体,并通过改变前躯体的焙烧温度得到四种不同的纳米ZnO粉体。分析ZnO粉体的SEM图可知,随着前躯体焙烧温度的升高,ZnO粉体的平均粒径和粒径大小分布范围逐渐增大,焙烧温度在500℃,ZnO粉体的平均粒径最小,约为40nm。对比分析用这四种不同纳米ZnO粉体制备的压敏电阻的电性能可知,随着前躯体焙烧温度的升高,压敏电压和漏电流逐渐下降,而非线性系数和残压比则逐渐升高。此外,本文还将sol-gel法制备的纳米ZnO压敏电阻与等离子法制备的亚微米级ZnO压敏电阻和商用微米级ZnO压敏电阻作性能比较,结果显示纳米ZnO压敏电阻的压敏电压和浪涌电流耐受能力更高。在肖特基势垒模型中,势垒高度对ZnO压敏电阻的电性能如非线性系数起着决定性作用。测量两种不同ZnO压敏电阻在不同温度下的泄漏电流,并分别通过电子热激活发射电流来估算它们的势垒高度。结果显示:有着更高非线性系数的亚微米级ZnO压敏电阻的势垒高度比纳米ZnO压敏电阻的势垒高度大。在原子缺陷模型中,耗尽层包含有两种原子缺陷:一种是稳态原子缺陷,包括位置固定的离子缺陷,例如: VO +、VO 2+;另一种是亚稳态离子缺陷,包括易于迁移的填隙锌离子Zn i+、Zn i2+。通过测量分析ZnO压敏电阻在不同温度下的频谱特性得到:频谱特性曲线中的两个损耗峰,对应的离子激活能0.37eV和0.23eV分别是氧空位和锌填隙离子发生电子松弛效应时的离子激活能;不同的ZnO粉体制备的压敏电阻的离子激活能相差不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 ZnO 压敏电阻的微观结构特征
• 1.2.1 ZnO 晶粒
• 1.2.2 晶界层
• 1.2.3 尖晶石相
• 1.3 ZnO 压敏电阻的导电机理
• 1.3.1 压敏电阻的非线性U-I 特性
• 1.3.2 ZnO 压敏电阻在低电场区的导电机理
• 1.3.3 ZnO 压敏电阻在中电场区的导电机理
• 1.3.4 ZnO 压敏电阻在高电场区的导电机理
• 1.4 ZnO 压敏电阻的冲击破坏和蜕化机理
• 1.4.1 ZnO 压敏电阻的冲击破坏机理
• 1.4.1.1 破裂破坏机理
• 1.4.1.2 穿孔破坏机理
• 1.4.2 ZnO 压敏电阻的蜕化机理
• 1.5 ZnO 压敏电阻的电性能参数
• 1.5.1 压敏电压V1mA
• 1.5.2 非线性指数α
• 1.5.3 漏电流IL
• 1.5.4 大冲击电流下的通流容量和能量耐量
• 1.5.5 残压与残压比
• 1.5.6 介电特性
• 1.6 论文的主要研究内容
• 第二章 制备ZnO压敏电阻的正交实验分析
• 2.1 前言
• 2.2 实验过程及测试方法
• 2.2.1 正交试验设计
• 2.2.2 样品制备
• 2.2.3 测试与表征
• 2.3 实验结果分析
• 2.3.1 对正交试验结果进行极差分析
• i2O₃的含量对ZnO 压敏性能的影响'>2.3.2 添加剂B_i2O₃的含量对ZnO 压敏性能的影响
• 3O₄对ZnO 压敏电阻的性能影响'>2.3.3 添加剂Co₃O₄对ZnO 压敏电阻的性能影响
• 2O₃的含量对ZnO 压敏电阻片性能的影响'>2.3.4 添加剂Sb₂O₃的含量对ZnO 压敏电阻片性能的影响
• 2.3.5 烧结温度对ZnO 压敏电阻性能的影响
• 2.3.6 优化试验
• 2.4 本章小结
• 第三章 溶胶-凝胶法制备纳米ZnO及其对压敏电阻性能的影响
• 3.1 前言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 实验设计
• 3.2.2 实验试剂及仪器
• 3.2.3 Sol-gel 法制备纳米ZnO 粉体的实验过程
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 ZnO 粉体颗粒形貌
• 3.3.2 不同ZnO 制备的压敏电阻小电流特性比较
• 3.3.3 制备的压敏电阻的大电流特性比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 ZnO压敏电阻的势垒高度
• 4.1 前言
• 4.2 U-I 特性测试过程
• 4.3 势垒高度推导和计算过程
• 4.4 本章小结
• 第五章 压敏电阻的离子激活能研究
• 5.1 前言
• 5.2 介电频谱特性测试过程
• 5.3 离子缺陷能分析计算
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件