ZnO-BiO-TiO-NiO-SnO系低压ZnO压敏陶瓷的研究

摘要

ZnO压敏陶瓷是一种臭有优良非线性伏安特征和高能量吸收能力的半导体器件，因而广泛应用于各种电子电路、设备、电力系统的过压保护。目前随着微电子技术和集成电路的发展，越来越多的低压ZnO压敏陶瓷被用于汽车电子和半导体电子中，ZnO压敏陶瓷的低压化、小型化、集成化已经成为研究的热点和发展方向。本文综合研究ZnO-Bi2O3-TiO2-NiO-SnO2系低压ZnO压敏陶瓷的电性能测试方法和电路设计、掺杂氧化物的配方优化以及劣化失效模型和机理，主要内容及结果如下： 设计了“电压波控制积分法”的电路，用于低压ZnO压敏陶瓷的电阻性交流漏电流测试，设计的电路具有简单、合理的特点，实现了低压ZnO压敏陶瓷漏电流的在线检测。在低压ZnO压敏陶瓷的交流漏电流测试中，当测试电压的加压比不大于88％时，漏电流主要是电容性的；当加压比大于90％后，漏电流主要是电阻性的，尖脉冲的峰点与电压波的峰点在同一时刻。低压ZnO压敏陶瓷的限制电压测试中，实际测得的波形是压敏陶瓷限制电压和一个与电流微分成比例电压分量的叠加波形，后者是8/20μs冲击电流在测量环路(由试样，分压器，以及试样与分压器的连结线所围成)产生的干扰电压，通过减小测量环路面积和分压器的正确摆放等方法来排除这种干扰电压，测得了低压ZnO压敏陶瓷的正确限制电压波形。 ZnO-Bi2O3-TiO2-NiO-SnO2系低压ZnO压敏陶瓷由ZnO主晶相、Zn2TiO4尖晶石相和富β-Bi2O3目组成。研究氧化物掺杂总量、Bi2O3、TiO22、Co2O3、MnCO3掺杂对低压ZnO压敏陶瓷的电性能和微观结构的影响。得出性能最佳配方为：95.95％ZnO+0.75％Bi2O3+0.8％TiO2+0.5％NiO+1.0％Co2O3+0.5％MnCO3+0.5％SnO2(mol％)，使低压ZnO压敏陶瓷的压敏电压降低为约68V/mm。 通过掺杂微量稀土氧化物Nd2O3的改性研究，低压ZnO压敏陶瓷电性能可大大提高，随着Nd2O3含量的增加，低压ZnO压敏陶瓷的压敏电压V1mA增大，漏电流IL减少，非线性系数α增大，在0.06％-0.12％(摩尔分数)的掺杂范围内，漏电流IL和非线性系数α的变化不大，当掺杂0.12％Nd2O3时，压敏陶瓷显示了最好的非线性特性，非线性系数α和漏电流IL分别为52.3、5.2μA。同时，掺杂了稀土氧化物Nd2O3的低压ZnO压敏陶瓷，限制电压比Up/v1mA逐渐减小和吸收能量E逐渐增大，在交流电压应力作用下的稳定性和电流冲击稳定性也得到了很大的提高，其中掺杂0.03％Nd2O3的低压ZnO压敏陶瓷电稳定性最好，其各项电性能指标都优于德国SIMENS公司的同类产品。 在低压ZnO压敏陶瓷的加速寿命试验(1.15V1mA/150℃/24h)中，少数样品在电压应力下发生早期穿孔失效现象，这是由陶瓷内部微观不均匀的结构缺陷而引起，在陶瓷体中的缺陷区，电压应力下的劣化速度相当快，提高温度能进一步加快劣化的进程，劣化的趋势是电流-电压特性的线性化，结果使得经过缺陷区路径上的电流密度增大。穿孔失效的低压ZnO压敏陶瓷电阻值多数在(1-30)KΩ，远远大于100Ω的短路电阻，而且这些样品的非线性系数α都小于2，因此可把穿孔失效定义为线性化失效。 低压ZnO压敏陶瓷在潮湿的环境中，会引起严重的劣化现象，非线性系数和压敏电压降低，漏电流增大，但受潮劣化的低压ZnO压敏陶瓷，施加110％最大连续工作电压120h后，电性能参数(非线性系数α、压敏电压V1mA、漏电流IL)都有一定程度的恢复，没有产生热失效，最后漏电流趋于稳定，这是因为流过受潮的低压ZnO压敏陶瓷电流有两部分组成，一是流过压敏陶瓷内部的电流(Iv)，二是由于陶瓷表面的水分子电离，在压敏陶瓷内部的表面也有电流流过(Is)，这两部分电流是并联的，所以即使漏电流很大，也不会产生热失效。同时，低压ZnO压敏陶瓷的受潮劣化并不影响它的耐大电流冲击能力，仍可在电路系统中继续使用。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文原创性声明及版权使用授权书

第一章绪论

第二章低压ZnO压敏陶瓷电性能的测试和电路设计

第三章低压ZnO压敏陶瓷的配方设计研究

第四章低压ZnO压敏陶瓷的改性研究

第五章低压ZnO压敏陶瓷劣化失效模式和机理

第六章全文总结与创新点

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢