氧化鋅壓敏電阻空間電荷與非線性特性的關系_圖文

1、 中國科學: 技術科學 2011 年 第 41 卷 第8期 電子因熱激活被界面能級釋放越過勢壘流入反偏壓 側 ZnO 晶粒產生的電流密度為 JEM: 流過的總電流密 度 J 正比于被界面能級俘獲的電子數(shù)與從界面能級 釋放的電子數(shù)之差 . 由于從界面能級釋放的電子數(shù) 可以忽略 , 被界面能級俘獲的電子實際上就是界面 電荷 , 也就是空間電荷的量 . 因此 , 也可以說 , 流過 的總電流密度 J 正比于空間電荷量. 從測試得到的電 流密度與空間電荷的關系來看 , 在小電流區(qū)空間電 荷與電流密度呈線性增長關系 , 理論分析與試驗結 果相符合. 由上述分析可將小電流區(qū)空間電荷與 ZnO 的導 電機理

2、的關系總結如下: 在小電流區(qū), ZnO 壓敏電阻的伏安特性, 空間電 荷與場強及電流密度的關系均呈線性 ; 而晶界左右 兩側決定電子熱激活能的肖特基勢壘高度隨外施電 壓也呈線性變化 . 隨外加電壓 (場強 增加 , 左側正偏 肖特基勢壘減小 , 更多電子被晶界層的表面態(tài)捕獲 , 導致晶界表面態(tài)濃度降低, 界面電荷增加. 上述這一 過程在試驗中主要體現(xiàn)在由電子運動形成的電流與 外加電壓呈線性關系 , 這與空間電荷與外加電壓的 關系是一致的. 本文認為此時的電流是由熱激活發(fā)射產生的電 流和隧道效應產生的電流共同構成 , 這可以與試驗 現(xiàn)象相對應 . 空間電荷隨場強的線性增加證明熱激 活產生的電流存

3、在 , 而電流隨場強的激增表明有隧 道電流出現(xiàn). 因此此時電荷傳輸分為兩步, 即電子從 ZnO 晶粒到晶界層界面為第一步 , 通過界面到達另 一個晶粒為第二步. 隨著外施電壓的增加, 當電場接 近擊穿場強, 即接近中場強區(qū)時, 反偏壓的右側勢壘 變窄, 電子從晶界層進入反偏壓的右側晶粒時, 不再 全部是因熱激活發(fā)射引起 , 有部分電子由于隧道效 應通過較窄的勢壘, 電場越接近擊穿場強, 因隧道效 應進入右側的電子就越多. 過渡區(qū)的非線性特性與空間電荷的關系總結如 下 : 空間電荷隨場強的變化與伏安特性不具有一致 性, 當晶界層表面態(tài)較多時, 空間電荷隨著場強的線 性增加證明了熱電子激活產生的電

4、流 , 而電流隨場 強的激增證明了隧道電流的存在 , 兩種不同產生機 制電流的共存, 證明了過渡區(qū)的存在, 此時空間電荷 隨電流的變化仍與伏安特性一致 , 都由線性向非線 性轉變. 3.3 中電流區(qū)非線性特性與空間電荷的關系 3.2 過渡區(qū)非線性特性與空間電荷的關系 當由小電流區(qū)向中電流區(qū)過渡時, 試樣 A, B, C 和 D 的空間電荷與電流密度的關系都由線性變成非 線性, 與伏安特性相一致. 而空間電荷與電場的關系 則表現(xiàn)出不同的趨勢, 試樣 A 的空間電荷與電場的 關系出現(xiàn)非線性; 而試樣 B, C 和 D, 當伏安特性表現(xiàn) 出非線性時 , 空間電荷仍然隨著場強的增加而線性 增加, 這種

5、不一致性證明了過渡區(qū)的存在. 試樣 A 的空間電荷與電場呈非線性可認為是晶 界層的表面態(tài)已經基本被充滿, 因此電場的增加不會 引起界面電荷的增加, 即空間電荷表現(xiàn)出飽和現(xiàn)象. 分析試樣 B, C 和 D 的測試結果, 空間電荷仍隨 場強的增加而線性增加 , 表明這時晶界層表面仍然 有足夠的表面態(tài)存在 , 場強對勢壘的影響仍呈線性 , 由電子熱激活發(fā)射到晶界層引起的界面電荷增加仍 呈線性. 同時由伏安特性表現(xiàn)出的非線性, 說明電流 已經不與空間電荷呈成正比變化 , 從測試結果也可 以看到電流與空間電荷呈非線性關系. 可見, 此時的 電流不是只由熱電子激活發(fā)射構成 , 而是有新的機 制發(fā)生. 由于

6、試驗條件限制, 本文實際所測得的 ZnO 電 流最大為 10 mA, 由測試結果看, 試樣 A 和 B 才剛剛 進入中電流區(qū), 試樣 C 和 D 可能還沒進入中電流區(qū), 因此中電流區(qū)的非線性特性與空間電荷的關系是由 試驗結果推導的, 還有待于進一步的試驗驗證. 取 1 mA 電流下的電壓(拐點電壓, 假設 4 種試 樣的晶粒都是均勻分布的 , 則可以計算出對應的每 個晶界的拐點電壓. 以 A 為例: n= U D 1360 mm -1 = - 1 » 32; U = 1 mA » 1.74 V, d n 40.4 mm 其中 n 為晶界層個數(shù), U1 mA 為 A 試樣的

7、1 mA 電流對 應的電壓, U 為每個晶界的拐點電壓. 同樣, 可以計算出 B, C 和 D 試樣的晶界拐點電 壓分別為 3.12, 3.24 和 1.93 V. 當作用于試樣 A 的晶界電壓為 1.74 V 時, 電子 就可以獲得足夠的能量撞擊價帶產生空穴 . 如圖 10 所示 , 當電子束由于隧道效應從晶界進入反偏壓側 的導帶時 , 一些電子將獲得足夠的能量 , 撞擊價帶 , 在反偏壓側靠近界面處的價帶形成電子 - 空穴對 , 即 增大施加的電壓使反偏壓側的導帶 E C R 低于同側 1133 王倩等: 氧化鋅壓敏電阻空間電荷與非線性特性的關系 量卻呈飽和的趨勢. 因此, 當施加電壓超過

8、某一數(shù)值, 晶界界面能級中俘獲的電子基本上不再依靠熱激活 而穿越勢壘形成傳導電流. 4 結論 本文從空間電荷的角度對 ZnO 壓敏電阻的導電 圖 10 擊穿區(qū)勢壘模型18 特性進行了研究, 得到以下結論. 1 空間電荷和電流密度之間的關系與伏安特性 曲線具有一致性, 可以反映非線性特性. 2 在小電流區(qū) , 空間電荷與場強 , 電流密度的 關系是呈線性增長的 , 空間電荷的增加反映了晶界 層表面態(tài)的減少和肖特基勢壘的變化. 3 從小電流區(qū)接近向中電流區(qū)時 , 當晶界層表 面態(tài)充足時, 空間電荷隨場強的變化仍線性增長的關 系 , 與伏安特性表現(xiàn)不一致 , 說明存在過渡區(qū) , 而且 過渡區(qū)的電流是

9、由熱電子激活和隧道電流共同構成. 4 在中電流區(qū) , 由測試結果推導 , 隨著電流的 增大, 空間電荷會呈減小趨勢, 當耗盡層減小為零時, 空間電荷會基本消失. 晶界勢壘的價帶 EVR 頂部的位置時, 就會在該價帶頂 部附近生成空穴. 因為空穴具有正電荷 , 所以能中和界面能級的 負電荷, 使右側耗盡層的寬度急劇減小, 使來自界面 能級的隧道電流進一步增大 , 引起非線性指數(shù)的增 加, 可以達到 50100. 由測試結果來看, 空間電荷在 中電流區(qū)略有減少, 這是由于沒有深入中電流區(qū), 所 以空間電荷的減少還不是很明顯, 可以推測, 隨著電 流的增大, 空間電荷會呈減小趨勢, 當耗盡層減小為

10、零時, 空間電荷會基本消失. 進入中電場區(qū) (擊穿區(qū) , 電流急劇增大 , 而電荷 參考文獻 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Hu J, He J L, Chen Q H. High voltage gradient ZnO nonlinear resistor doped with rare-earth oxide. In: 8th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Bali, 2006. 963966 Da

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