ZPYSCC-nSiO2復(fù)合壓敏電阻性能研究

摘要：在燒結(jié)溫度為1 100 ℃條件下，研究了SiO2摻雜濃度對(duì)ZPYSCC-nSiO2復(fù)合壓敏電阻物相和壓敏性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著SiO2摻雜濃度增大，三強(qiáng)峰的衍射角逐漸減小;當(dāng)SiO2摻雜濃度為0.01 mol時(shí)，非線性系數(shù)達(dá)到最大值68，此時(shí)壓敏電壓約為370 V/mm。

關(guān)鍵詞：復(fù)合壓敏電阻;SiO2摻雜;微觀結(jié)構(gòu);壓敏性能

0 引言

隨著外加電壓變化，通過(guò)的電流能夠發(fā)生顯著變化的電阻稱為電壓敏感電阻，簡(jiǎn)稱壓敏電阻[1]。氧化鋅（ZnO）是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，應(yīng)用十分廣泛[2]，通常用作壓敏電阻的制作材料。ZnO壓敏電阻能夠有效吸收電力電子系統(tǒng)中的過(guò)電壓，保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3]。ZnO壓敏電阻是由氧化鋅和各種添加劑按照一定比例，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的制備工藝制備而成。本文在相同的壓敏電阻制備工藝條件下，研究了SiO2摻雜濃度對(duì)ZnO-Pr2O3-Y2O3-Sb2O3-Co2O3-Cr2O3（ZPYSCC）-nSiO2復(fù)合壓敏電阻性能的影響，包括物相分析、壓敏性能分析和機(jī)理分析。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

按照一定比例稱取原材料：Pr2O30.02 mol、Y2O30.005 mol、Sb2O30.005 mol、Co2O30.005 mol、Cr2O30.005 mol、SiO2n mol和ZnO （1-n）mol，SiO2的摻雜量n分別取0、0.005、0.01和0.015。按照傳統(tǒng)電子陶瓷制備工藝制備樣品，其燒結(jié)溫度為1 100 ℃。樣品的物相采用X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行分析，樣品的微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，復(fù)合壓敏電阻的壓敏性能用高壓源表測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 ? ?物相分析

物相分析結(jié)果如圖1所示，表明了n為不同值時(shí)ZPYSCC-

nSiO2復(fù)合壓敏電阻的XRD圖譜及部分放大結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，復(fù)合電阻的主晶相為鉛鋅礦結(jié)構(gòu)，同時(shí)還含有ZnCr2O4、ZnCo2O4、Zn7SbO12等新物相。新物相是在高溫條件下通過(guò)固相反應(yīng)形成的，形成陶瓷后這些新物相會(huì)偏析于晶界，對(duì)電阻的壓敏性能產(chǎn)生影響。

同時(shí)，從圖1可以看出，隨著SiO2的摻雜濃度增大，ZPYSCC-

nSiO2復(fù)合壓敏電阻的三強(qiáng)衍射峰也會(huì)發(fā)生一定的位移，衍射角逐漸減?。ㄈ龔?qiáng)衍射峰向左偏移）。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因與SiO2的摻入有關(guān)，SiO2可以促進(jìn)陶瓷燒結(jié)過(guò)程中液相的形成，在液相環(huán)境下離子的傳輸速度增大，使晶粒生長(zhǎng)的速度增大，因此平均晶粒尺寸增大，衍射角向低角度偏移。

2.2 ? ?壓敏性能分析

圖2為n為不同值時(shí)ZPYSCC-nSiO2復(fù)合壓敏電阻的伏安特性曲線，即E-J特性關(guān)系曲線，其中復(fù)合壓敏電阻的壓敏電壓隨著SiO2的摻雜濃度增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這與平均晶粒尺寸的先減小后增大的趨勢(shì)相反。由于施加到每一個(gè)晶粒上的電壓與晶粒的總數(shù)目相關(guān)，晶粒數(shù)目越多，平均晶粒尺寸越小，每個(gè)晶粒上的電壓越大，即壓敏電壓越大。當(dāng)SiO2的摻雜濃度為0.01 mol時(shí)，高壓源表測(cè)得復(fù)合壓敏電阻的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為370 V/mm，此時(shí)非線性系數(shù)達(dá)到最大值68。

3 燒結(jié)機(jī)理分析

在高溫環(huán)境下，氧化鋅和各種添加劑會(huì)發(fā)生十分復(fù)雜的燒結(jié)反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中添加劑離子會(huì)在氧化鋅晶格中進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)晶粒生長(zhǎng)溶入到氧化鋅晶粒中，同時(shí)會(huì)有一部分離子運(yùn)動(dòng)到晶界，形成復(fù)雜的晶界相物質(zhì)。在氧化鋅晶格中同時(shí)存在Cr和Bi兩種離子，但是這兩種離子和晶格本身的Zn和O離子的差別較大，因此在燒結(jié)過(guò)程中，這兩種離子的運(yùn)動(dòng)形式是截然不同的。

Bi離子的半徑較大，和ZnO晶格的差別也較大，其電負(fù)性也和O離子有很大差別，因此在燒結(jié)過(guò)程中Bi離子會(huì)向能量較低的晶界處運(yùn)動(dòng)，形成晶界相，例如，晶界的氧化鉍層就是通過(guò)這種方式形成的。Cr離子的半徑較小，且和Zn離子的半徑差別很小，其電負(fù)性也與Zn原子接近，在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)被溶入到氧化鋅晶格中，對(duì)氧化鋅的晶格參數(shù)產(chǎn)生影響，XRD測(cè)試中復(fù)合壓敏電阻的衍射峰發(fā)生偏移就是由此產(chǎn)生。因此，在制備復(fù)合壓敏電阻陶瓷時(shí)必須選擇合適的添加劑，既要優(yōu)化晶界，又要優(yōu)化晶粒及其均勻性，這樣才能得到性能較好的壓敏電阻。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了SiO2摻雜濃度對(duì)ZPYSCC-nSiO2復(fù)合壓敏電阻物相和壓敏性能的影響。隨著SiO2濃度增大，復(fù)合壓敏電阻的衍射角逐漸減小，當(dāng)SiO2摻雜濃度為0.01 mol時(shí)，非線性系數(shù)達(dá)到最大值68，擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為370 V/mm。根據(jù)燒結(jié)機(jī)理分析可知，復(fù)合壓敏電阻的壓敏性能主要由其微觀結(jié)構(gòu)決定，微觀結(jié)構(gòu)越均勻、晶界越清晰的電阻通常具有較好的壓敏參數(shù)。以上性能參數(shù)的產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上是陶瓷燒結(jié)過(guò)程中離子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，不同離子的運(yùn)動(dòng)形式不同。與原晶格半徑、電負(fù)性差別較大的離子通常會(huì)運(yùn)動(dòng)到晶界處，對(duì)晶界的均勻性產(chǎn)生影響，與原晶格、電負(fù)性差別較小的離子通常會(huì)溶入原晶格內(nèi)部，對(duì)原晶格的晶格參數(shù)產(chǎn)生影響，使其衍射峰發(fā)生偏移。

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收稿日期：2020-09-07

作者簡(jiǎn)介：陳永佳（1991—），男，陜西西安人，助教，從事半導(dǎo)體電子器件的研究工作。