摘要：氧化锌压敏电阻因为其自身的一些物理和化学性质，使得其在电路保护及相关系统保护中应用较为广泛。现阶段氧化锌压敏电阻已经在电子设备保护、通讯系统保护、电力及工业系统保护中取得了较好的应用。
关键词：氧化锌压敏电阻；结构；特征；伏安特性
由于雷电电压和操作电压等瞬间高电压会导致电子系统遭到破坏，并且这种破坏通常会导致整个系统的瘫痪，进而产生较大的经济损失。为此各国均在对这种高压对电路系统的破坏防护进行研究，这种背景下氧化锌压敏电阻由于其对限制过电压的优异性能，其特性也非常受到研究界的关注，通过对其特性的研究分析出更加方便的保护系统。现阶段氧化锌压敏电阻已经取得了很好的应用，在电力系统和电子系统的过压保护中发挥着重要的作用，但是在其使用过程中还存在着一些问题有待解决，比如老化劣化的判定标准不够精确，内部容易受潮导致性能下降，受过电压冲击时瓷套因制造工艺不高而产生爆炸等。为此笔者对氧化锌压敏电阻的结构特征，电气特性等方面进行深入细致的研究具有重要的意义。
1、氧化锌结构特征
1.1氧化锌晶体的结构
研究氧化锌压敏电阻特性，首先要对氧化锌晶体进行研究。氧化锌晶体是利用红锌矿为原料制作的金属氧化物，这种氧化物中既包括化学键又包括离子键，属于中间键型，结构的基础是氧离子以六角密堆积的方式排列，氧离子紧密排列所形成的四面体空隙中半数由锌离子填充，而氧离子密堆所形成的八面体空隙则是全空的。氧化锌晶体常见的结构有三种，分别为六角纤锌矿结构、立方闪锌矿结构和立方岩盐矿结构。上述三种结构受温度以及压力等因素的影响可以互相转变，其相变的过程会导致极性效应的产生，而极性效应则直接影响着氧化锌晶体的电气特性。
1.2氧化锌晶体的能带结构
纯净的氧化锌晶体，其能带由氧离子的电子能级和锌离子电子能级组成。价带和导带之间的禁带宽度为3.2~3.4eV。因此，在室温下，满足化学计量比的纯净的氧化锌晶体应该是绝缘体。然而，实际上氧化锌晶体却是一种典型的型半导体。导致氧化锌晶体型化的主要原因是晶体中存在过量的锌离子。
1.3 氧化锌晶体结构的缺陷
氧化锌晶体的物理性质中电性质主要是因为其晶体结构的缺陷，氧化锌晶体实际上是一种金属过剩型的非化学计量比的氧化物，由于氧化锌晶体的纤锌矿结构中存有大量的易于容纳填隙锌离子的相当大尺寸的空隙，锌离子在氧化锌晶体中的扩散系数远比氧离子的扩散系数高等原因，一般认为其锌过剩是填隙锌离子过剩。在氧化锌晶体中，除了固有原子点缺陷外，还有由于掺杂而引入的缺陷。杂质和固有原子点在晶体中可以起到很多作用，比如某些深能级杂质可以长时间俘获电子或空穴，从而成为陷阱；晶体中的带电中心，可以成为载流子的散射中心，从而影响载流子的迁移率。
2、氧化锌压敏电阻的结构
氧化锌压敏电阻
氧化锌压敏电阻是一种多组分的多晶陶瓷半导体，典型的氧化锌压敏电阻的显微结构可以视为是由氧化锌晶粒一高阻晶界层一氧化锌晶粒组成的不规则立方网状结构，包括四部分：氧化锌主体：由电阻率为，直径为的氧化锌晶粒组成，固溶有微量的、等元素。晶界层：由多种添加物组成，是添加剂的富集区，其厚度非常薄。晶界层的存在是半导体陶瓷不同于单晶半导体的最主要特征之一。尖晶石晶粒：它是氧化锌与氧化锑的复合氧化物，此外还含有杂质，粒径约为几个微米左右。孔隙：分布于氧化锌晶粒和晶界层内。在实际的研究过程中，往往将其微观结构假设成图和所示的二相和三相理想结构模型。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3、氧化锌压敏电阻的非线性伏安特性
氧化锌压敏电阻的非线性伏安特性是一个晶界现象，这一特性受压敏电阻材料微观结构的影响，如晶粒的大小、晶粒的均匀性、气孔多少和分布情况及晶间相的结构及分布等。而渗杂试剂的种类、糁杂试剂的含量、制备工艺及烧结工艺等都会影响晶体的微观结构，不同的生产厂家及研究机构在研制生产氧化锌压敏电阻使用的添加物成分不完全相同，当添加物的含量超过时，氧化锌压敏电阻开始呈现非线性伏安特性。氧化锌压敏电阻的非线性伏安特性是它在作为限压元件的实际应用中最为重要的性能。
当作用在氧化锌压敏电阻上的电压值低于压敏电压时，氧化锌压敏电阻上流过的电流密度很小，一般小于1uA，电压与电流接近线性关系，此时其电阻值可达几百兆欧以上，近似于绝缘体，氧化锌压敏电阻进入截止状态；当电压高于压敏电压时，氧化锌压敏电阻的电阻值便急剧下降，可减小到欧姆级甚至于毫欧姆级，进而成为一个导体，电流随电压的增加而急剧增大，电压与电流呈现出强非对称性关系—，氧化锌压敏电阻进入导通状态。
一般来讲，压敏电压是指电流密度为1uA时作用在氧化锌压敏电阻上的电压。这里的所谓击穿不同于一般介质的击穿破坏，而是指氧化锌压敏电阻的非线性伏安特性曲线中，当作用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，这种击穿是可以恢复的，去掉作用电压，其非线性性能基本上可以恢复到起始状态。
在氧化锌微观结构中，其晶粒本身的电阻率为0.001欧姆每米至0.1欧姆每米，而晶界层的电阻率一般大于10^8欧姆每米，因此当施加在氧化锌压敏电阻上的电压较小时，基本上所有电压都作用在晶界层上。氧化锌压敏电阻的压敏电压，一般以达到这个电压时作用在氧化锌非线性电阻的能带结构中每个晶界势垒上的电压来表示。分析表明，压敏电阻对氧化锌非线性电阻的添加成分、烧结时详细的加温和冷却程序以及处理步骤等方面非常敏感。
根据作用在氧化锌压敏电阻上的电场强度的大小，可以将其伏安特性分为三个区域：
预击穿区，在此区域，氧化锌压敏电阻呈现出高阻抗的特点，其电阻值可以达到几百兆欧，近似于绝缘体。电压与电流之间的关系基本是线性的。在该区域，氧化锌压敏电阻的伏安特性主要受电子的热激活发射效应控制，流过的电流具有饱和的高电阻特性。在外界电压作用下，经过压敏电阻的泄漏电流数值很小，一般小于1uA并直接由施加电压和环境温度控制，其阻值具有负温度系数特征。
击穿区，外加电压增大到一定数值后，伏安特性从预击穿区进入击穿区。此区域为氧化锌压敏电阻的工作区域，此时热激电流已基本不起作用，在这个区域电压电流呈现很强的非线性关系，电流对电压值的变化非常敏感，电压有很小的增力口，就会引起电流的急剧增大，其增幅甚至可以达到几个数量级。
回升区，当通过氧化锌压敏电阻的电流密度进一步增大时，其伏安特性将进入回升区。在这一区域，非线性指数急剧降低，氧化锌压敏电阻伏安特性的非线性关系迅速减弱，非线性很快消失，其性能相当于一个低阻值的线性电阻。
4、结语
本文对氧化锌压敏电阻的结构特性和伏安特性进行分析，通常情况下氧化锌压敏电阻的使用性能主要是其在化学方面的稳定性和在物理方面的非线性伏安特性、限压特性、热性能、机械性能。目前已经有使用氧化锌压敏电阻制作的限压器、浪涌保护器，这两种保护装置可以较好的对超高电压（雷电电压、操作高压）等进行吸收，保护电路系统不被瞬时高压破坏。
参考文献：
[1]毛峰, 桂前进, 江千军, 等. 氧化锌压敏电阻多脉冲试验与仿真[J]. 电瓷避雷器,2018(2):73-76.
[2]孙丹峰, 季幼章. 氧化锌压敏电阻的寿命特性[J]. 电源界,2017(12):35-38.
论文作者:谭智昭,王洋
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/24
标签：氧化锌论文; 压敏电阻论文; 电压论文; 晶体论文; 结构论文; 特性论文; 电流论文; 《电力设备》2018年第32期论文;