ZnO压敏电阻的基本特性与微观结构.txt逆风的方向，更适合飞翔我不怕万人阻挡，只怕 自己投降你发怒一分钟，便失去 60分钟的幸福忙碌是一种幸福，让我们没时间体会痛苦; 奔波是一种快乐，让我们真实地感受生活;疲惫是一种享受，让我们无暇空虚生活就像"呼 吸""呼"是为出一口气， "吸"是为争一口气 本文由 blue_sailor 贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看ZnO 压敏电阻的基本特性与微观结构Basic characteristic and microstructure of ZnO varistors季幼章中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031摘 要： ZnO 压敏电阻是一种电阻值对外加电压敏感的半导体敏感元件，主要功 能是辨别和限制瞬态过电压，反复使用不损坏 ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学特性、物 理特性和化学特性微观结构是体现这些性质的媒介，是 ZnO 压敏电阻的基础 关键词： ZnO 压敏电阻；电学性质；物理特性；化学特性；微观结构1 引言ZnO 压敏电阻是半导体电子陶瓷器件，主要功能是 识别和限制瞬态过电压，反复 使用而不损坏。
它的电流（I）—电压（U）特性是非线性的，与稳压二极管相似但与 二极管不同，压敏电阻能限制的过电压在两个极性上 相等，于是呈现的 i—u 特性很 象两个背对背的二极管 压敏电阻能用于交流和直流电场，电压范围从几伏到几千 伏，电 流范围从毫安到几千安压敏电阻还附加有高能量 吸收能力的特性，范围从几焦耳到几千焦 耳它的通用性 使得压敏电阻在半导体工业和电力工业都有应用 ZnO 压敏电阻是用 半导体 ZnO 粉末和其它氧化物粉末女口： Bi、Sb、Co、Mn、Cr、Ni、Si 等经过混合、压型和烧 结工艺而制成得到的产品是具有晶界特性的多晶陶瓷， 这一边界 特性决定了压敏电阻的非线性 I—U 特性 ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学特 性、物理特性和 化学特性微观结构是体现这些性质的媒介，是 ZnO 压敏 电阻的基 础敏电阻的作用接近于绝缘体，此后它的作用相当于导体 对设计者关注的电学特性，是 它在导电过程的非线或非欧 姆特性，以及它作为电阻时，正常工作电压下的低泄漏电 流（功 率损耗）这些特性能够用曲线的三段重要区域来 说明图 1 在宽电流密度和电场范围上的典型 I—U 曲线2.1.1 小电流线性区2 ZnO 压敏电阻的基本特性2.1 ZnO 压敏电阻的电性质ZnO 压敏电阻最重要的性质是它的非线性 I—U 特性， 如图 1 所示。
在功 能上，在达到给定的击穿电压之前，压在这一范围内（V1 0—4A/cm 2），I—U 特性是欧姆性的，定义为预击穿 区对于给定的工作电压，交流电比直 流电流大约高二个数量级这一差别被认为是交流电 压应用时介电损耗的作用全电流是由容抗电流（IC）和电阻电流（IR）合成，并且 是由 ZnO 的晶粒边界决定的SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION2008 年 06 月1332.1.2 中间的非线性区域中间电流非线性区，对于电压的一个小增量，压敏电 阻传导一个格外大的电流该非线 性区可以在电流的6一7 个 数量级上扩展正是这一在宽电流强度上的高非线性，使得ZnO 压敏电阻与其它非线性器件有重大的差别，并使其应用 于多种用途这一区域的 I-U 曲线越陡，器件就越好发现添加 Bi 2 O 3 基本上形成非欧姆特性 但是添加像 Co2O3 和 Mn02 过渡氧化物也能增强非线性同样，像 Bi 2O3、Sb2O3、Co3O4、MnO2 和 Si02 等组合成多元掺杂剂能比用 单一掺杂剂大大增加其非线性同样，增加掺杂剂 浓度至某一最佳量也显示出增加其非线性 行为Zni、Zn i ）和外来原子（DZn和 Diz）, DZ n和 Diz 分别代 表所有外来的施主和受主原子（D 可以是 Bi、Sb 等）。
根据对 ZnO 中缺 陷平衡的研究，证明了由缺陷向边 界层不相等的迁移能够形成缺陷引起势垒它表明一个高 的施主杂质（DZn^lO 18cm -3）,当从烧结温度冷却时，晶粒边界变得富集锌 空位］VZn］（受主）而缺少氧空位［Vo］（施主）（见图2）这种掺杂产生了晶粒 边界处锌空位［VZn］过剩和氧空位［Vo］的不足，这种情况提高了势垒（势 垒高度 Q O.7eV）,同时有效地消除了在晶粒边界处分离 界面层的需要2.1.3 大电流翻转区在大电流区域（＞1O3A/cm 2），I-U 特性又呈线性，与小电流区域相似, 电压随电流的上升比非线性区块该 区域还称为翻转区此区域受 ZnO 微结构中晶 粒电阻的 控制于是添加已知能控制 ZnO 晶粒电阻的掺杂剂（如 Al、Ga 等），其结果对大电流翻转特性有很大影响 为了表征 ZnO 压敏电阻，希望测定全部 三个区的 I-U 特性但由于所涉及的电流范围宽，对所有区域不可能使 用相同的测 试工艺通常对小于 1OOmA/cm2 的 I—U 特性是用直流或 5OHz 的 交流测定,对大于1A/cm2的I—U 特性用 具有上升峰值时间为8p s的 典型波形和 2O p s的半峰值衰减时间的脉冲电流（即所说的8X2O p s波形） 测定。
2.2 ZnO 压敏电阻的物理特性ZnO 压敏电阻的非线性是一种晶粒边界现象，即在相 邻晶粒耗尽层中存在多数电荷 载流子（电子）的势垒认 为肖特基势垒最像 ZnO 微结构中晶粒边界势垒晶粒边界 上的负表面电荷（电子捕获）是由晶界面两侧晶粒的耗尽 层的正电荷来补偿的热电子发射 和隧道效应是主要的传 输机制最近发展的压敏电阻势垒的晶粒边界缺陷模型在改进 稳电 压应力下，压敏电阻的稳定性上取得了很大进展图 2 纯的和非本征掺杂 ZnO 晶粒边界区氧空 位和锌空位浓度部面3 ZnO 压敏电阻的微观结构3.1 多种的相组成ZnO 压敏电阻的微观结构分析发现，形成的四个主要成分是 ZnO、尖晶石、焦 绿石和一些富 Bi 相（图 3）图 中也指明了组分存在的部位，还存在一些用现有技 术尚不 易检测出来的其它次要相 ZnO 压敏电阻的典型晶粒尺寸在 15 和 2O p m 之间，并且也总是伴有双晶°SiO2 的存在抑制晶粒生长，而 TiO2 和 BaO 则加速晶粒长大尖晶石和焦绿石相对晶粒长大有抑制作用焦绿石相在低温时起 作用，而尖晶石相在高温 时有利当用盐酸浸蚀晶粒时，中间相呈现出在电性上绝 缘的三 维网络。
烧结形成的 ZnO 晶粒是 ZnO 压敏电阻的基本构成单2.3 ZnO 压敏电阻的化学特性纯 ZnO 是具有线性I—U 特性的非化学计量 n 型半导体进入 Zn O 中的各种添加物使其具有非线性这些氧化物中主要是 Bi 2O3这些氧化物 的引入，在晶粒和晶粒 边界处形成原子缺陷，施主或类施主缺陷支配着耗尽层， 而受主和 类受主缺陷支配着晶粒边界状态相关的缺陷类 型是锌空位(V Zn\ V Zn")、氧空 位(V o、Vo)、填隙锌134SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION2008 年 06 月受晶粒边界电阻和电容控制2) 在I—U曲线为一端，大电流线性区(V10 — 3A/cm2),被验证是受晶粒的电阻控制的3) 对各种应用最重要的区域， 中部 非线性区，受晶粒边界和晶粒间的电阻 差别的间接控制3.2.3 势垒电势与微观结构联系ZnO 压敏电阻势垒电势(Ugb) U^UgbNg t(V)(l) E0.5=U/t( V/cm) (2)式中 U— 非线性电压Ng — 每厘米的晶粒数t — 每厘 米的边界厚度 这样，压敏电阻的晶粒(GS)图 3 各种晶相组成的 ZnO 压敏电阻的微观结构成分Ng"(GS)—l位。
在烧结过程中，各种化学元素在微观结构中的分布， 使得近晶粒边界区域具有高阻 抗(p gb^l012 Q • cm),而晶粒的中间具有高电导(p o^l~10 Q • cm)从图1 给出的i—u 曲线的斜率能估算这些阻抗特性3.2 微观结构和电特性图4 给出了微观结构和电特性略图图4(a) 给出了晶 粒和晶界电阻的表观 略图从晶粒边界到晶粒的电位陡降［图4 (b)］发生在心5 0 — 1 0 0 nm 的距离内， 称为耗尽层这样， 在每个晶粒边界处都存在晶粒边界向两侧延展入相邻晶粒 的耗尽层 晶粒间存在耗尽层提高了压敏电阻的作用 晶粒边界两侧两个耗尽层的存在，使得 Zn O 压敏电 阻对极性变化不敏感在这一方面，压敏电阻像一个背对 背的二极管进一步 说，由于晶粒边界附近区域的电子被 耗尽，当施加外电压时，跨在晶粒边界上出现一电压降 这被称作势垒电势，一般是^2_4V/(每晶粒边界)3.2.1 等效电路在图 4(c) 所示的等效电路中，这一电路由一个电阻(R)和一个电容(C) 分量组成当在预击穿区给 ZnO 压敏电阻施加一电压时，流过器件的漏电流完全是 起源于 晶粒边界在交流模式时，这个电流由电阻分量和电容分 量组成。
图 4 微观结构和电特性略图 (a) 耗尽层处的电阻剖面；3.2.2 微观结构和电特性关系(1) 小电流击穿前线性区域(V1 0 — 4A/cm2)，被验证是(b) 晶粒与晶粒边界处的电阻曲线； (c) 晶粒边界处的等效电路SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION2008 年 06 月135E0. 5 是作为在 0. 5mA/cm2 时记录的击穿电压的度量，是人为选择的 (见图 1) 由于晶粒边界处存在耗尽层，则表现出介电常数是受 晶粒尺寸影响，其值随 晶粒尺寸的增大而提咼表观晶粒 边界电容为每晶粒边界 0.18p F/cm2据，对改进配方、优选工艺、组织生产、分析质量将起到 重要指导作用参考文献[1] T.KGupta.J.Amer.Ceram.Soc.,1990,73(7),1817~1840 [2] Jan Harloff, D. Bonnell. Physical Properties of Ceramics(ZincOxideVaristor)[doctoralthesis].1995 [3] Mattias Elfwing. Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 686, ACTA universities UPSALIENSIS UPPSALA2002 [4]莫以 豪, 李标荣, 周国良. 半导体陶瓷及其敏感元件. 上 海:上海科学技术出版社 1983 年 10月4 结论ZnO 压敏电阻具有特殊的非线性特性，是所有压敏 电阻元件中，也是所有敏感元 件中研究得最多，发展得最快应用得最广之一°ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学性 质、物理特性和化学特性。
微观结构是体现这些性质的媒介，决定了 ZnO 压敏电阻的 许多性质，是 ZnO 压敏电阻的基础微观结构分析给 ZnO 压敏电阻的特性分析 提供依新闻信息发布服务《半导体器件应用》一一V电压敏器件专栏＞旨在提供电压敏行业市场及技术资讯，服 务电压敏行业企业，促进产 业上中下游产业链间的交流互动，推动电压敏产业的健康发展 V电压敏器件专栏〉为行业企业(厂商)提高免费新闻信息发布服务，您公司的重要活动、 重大事件、重大发展成果、 新产品、新应用等(即贵公司需向外发布的任何信息)，均可透 过本专栏对外发布编辑部的公正性与其他专业出版机构相同，大比特商务网、《国际电子变压器》编辑内容与广告绝对无关 编辑内容是为了满足 读者对信息的需求编辑部对收到的新闻稿有权作出修改或删节，读者 的需要和信息的价值是选择依据 如果您不善于撰写新闻稿，也可以预约本刊记者协助您采 写、编撰、润饰或是修改新闻稿的内容，让您的新闻稿 更有其专业及说服力，也更能够被其 他媒体或新闻人员所采用或引用新闻格式要求电子邮件新闻稿要求提供纯文本格式(*.七乂七)或MS WORD (水.doc) 格式文件电子邮件发送的图片和照片最好提供3 0 0 dpi JPEG、TIFF和EP S格式文件。
此外，也可以利用ZIP磁盘或PC格式LS 120磁盘提交电子图片文件 提交产品和公司新闻或预约记者采访您也可通过下于是导线间存在分布电容效应； 由于导 线间绝缘不完善而存在漏电流，表明导线间处处有分布电导 频率低时，这些分布参数效应 完全可以忽略不计，所以低频只考虑时间因子而忽略空间效应， 因而把低频电路当作集中参 数电路来处理是允许的但是，频率升高后，分布参数引起的效应不能 再忽视了；传输线不 能仅当作连接线，它将形成分布参数电路，参与并影响电压和电流的传输因 而传输线在电 路中所引起的效应必须用传输线理论来研究和表述 我们用 R1,L1,C1,G1 分别表示传输线 单位长度的电阻，电感，电容和电导，它们的数值与传输线 类型、截面尺寸、导体材料、填 充介质等有关假设均匀传输线上取任一无限小线元dz(dz〈a )，则线元上都分布有一定大 小的电阻Rldz和电 感Lldz;此线元间都分布有一定大小的电容Cldz和电导Gldz在此 无限小线元上，我们可以把它看 成一集中参数电路，其集中电阻、电感、电容和电导，分别 为Rldz, Lldz, C1dz和G1dz，可用「形 网络来等效(也可用T形或n形网络来等效)， 如图1-2 (a)所示。
整个传输线则可看成是有许多线元的四端网络链联而成的分布参数电 路，如图1-2 (b)所示对于无耗线(R1=0,G1=0)，其等效 电路，如图1-2 (c)所示Eg dz Z1RgEgR1dzL1dzRgG1dzC1dzZ1（a）第 2 页 共 43 页 广东移动培训资料（b）Z1（c）图1-2传输线的等效电路（a）等效电路；（b ）分布参数电路；（c）无耗线 等效电路 有了上述等效电路，就容易解释传输线上的电压、电流不相同的现象参看图1-2（b），由于aaz和bbz之间有串联电阻存在，两处的阻抗不相等，因而两处的电压也不 想等；由于线间并联回路的存在，通过a和b点的电流也不相同同时还可以看出，当接通 电源后，电源通过分布电感逐次向分布电容充电， 并形成向负载传输的电压波和电流波就 是说，电压和电流是以波的形式在传输线上传输，并将能量或 信号从电源传送至负载射频传输线 传输线终端短路 1.1.2 射频传输线终端短路 当射频传输线终端短路时信号为全反射电压反射系数「=ZL ? Z O反射点的反射电压=?1 = ?1，电压反射系数「= ZL + ZO反射点的入射电 压Vmax 1 +「= = 8（无穷大）Vmin 1 ?「即电压驻波比 VSWR =第 3 页 共 43 页 广东移动培训资料 无耗短路线的驻波特性射频传输线 传输线终端开路 1.1.3 射频传输线终端开路 当射频传输线终端开路时，信号为全反射。
1+「电压反射系数「=1 ,即电压驻波比VSWR = Vmax = = 无穷大）Vmin 1 ?r无耗开路线的驻波特性 无耗开路线的驻波特性 开路线的驻波1.1.4 射频传输线终端完全匹配当射频传输线终端阻抗 ZL 完全等于传输线特性阻抗 Z0 时，信号无反射，电压反射系 数「=0，即电压驻波比VSWR = Vmax 1 +「= = 1.为行波状态Vmin 1 ?「第 4 页 共 43 页 广东移动培训资料1.1.5 射频传输线终端不完全匹配当射频传输线阻抗 ZL 不完全等于传输线特性阻抗 Z0 时，信号有局部反射，电压反射 系数0＜「〈1电压驻波比VSWR = Vmax 1 +「= = V.（工程时控制在1 ~ 1.5之间）Vmin 1 ?「 电压驻波比在工程上常用回波损耗 RL 表示，对应关系如下表： 电压驻波比 VSWR 回波 损耗 RL（ dB）相应公式 R L = 20lg V +1 （dB） . V -11.2 211.25 191.3 17.61.35 16.61.4 15.61.5 142.0 9.51.1.6 1.1.6 电压驻波分布 在各种反射系数下，电压驻波的分布如图（1-3）所示。
驻波有若干重要特性，归结如下：1•驻波最大点或最小点之间的距离为入g/2,电压的最大点对应于电流的最小点，反之，电压 的最小 点对应于电流的最大点 o 2.如终端开路，短路或为纯电抗，则沿线电压和电流间 相角差为 90 ，如终端为一阻抗，则沿线的电 o 压电流之间的相角差不是 90 ， 而且沿途 变化 在最大点或最小点处， 电压电流同相， 输入电阻是纯电阻； 在电压最大处的输入 电阻为最大电阻，电压最小点的电阻为最小电阻第 5 页 共 43 页 广东移动培训资料 图1-3在各种反射系数「下的电压驻波分布1.1.7 1.1.7 射频各种馈线1 ）平行双线第 6 页 共 43 页 广东移动培训资料Z0=L1 = 276 C1 £ rlg 2 Dd（? ）£ r 为介质的介电常数① 趋肤效应显著； ② 辐射损耗增加； ③ 支撑物损耗增加 2）同轴线Z0=138 L1 = £ r C1lg（ b ） a（?）同轴线封闭，无辐射3）带状线，又称三板线、板线或介质夹层线 带状线的结构及场分布 4）同轴线向带状线演化 第 7 页 共 43 页 广东移动培训资料5 ）微带线微带线的结构及电磁场分布 这是一种非对称性双导体平面传输系统，它具有一个中心导 体带条和一个接地板，可以看成是由平 行双线演变而来的，在双导体中间放一导体平面构成 镜像，再去掉一根圆柱导体就变成微带线，如下图：第 8 页 共 43 页广东移动培训资料1.1.8 1.1.8 从低频的集中参数的谐振回路向射频圆柱形谐振腔过渡1.2 无线电频段和波段命名无线电频谱可划分为如下 12 个频段 （见表 1.1）频率的单位是赫兹或周／秒， 。
还 可以使用千赫（kHz）、兆赫（MHz）、吉赫（GHz）表示表1.1无线电频段和波段命 名段号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12频段名称极低频（ELF）超低频（SLF）特低 频（ULF）甚低频（VLF）低中高频（LF）频（MF）频（HF）频率范围（含上限、 不含下限） 3~30 赫 30~300 赫 300~3000 赫 3~30 千赫 30~300 千赫 （ Hz） （ Hz） （ Hz） （ kHz）（ kHz） 波 段 名 称 极长波 超长波 特长波 甚长波 长 中 短 米 波 波 波 波 波 长 范 围 （含下限、不含上限） 100~10 兆米 10~1 兆米 （Mm） （Mm）1000~100 千米 （km） 100~10 千米 10~1 千米 1000~100 米 100~10 米 10~1 米 10~1 分米 10~1 厘米 微波 10~1 毫米 10~1 丝米 （km） （km） （m） （m） （m） （dm） （cm） （mm） （dmm）300~3000 千赫 （ kHz） 3~30 兆赫 （ MHz）甚高频（ VHF） 特高频（ UHF） 超高频（ SHF） 极高频（ EHF） 至高频30~300 兆赫（MHz） 300~3000 兆赫（MHz） 3~30 吉赫（GHz）分米波 厘米波 毫米波 丝米波30~300 吉赫（GHz） 300~3000 吉赫（GHz）1.3 移动通信系统使用频段ITU 以及各国家无线电主管部门为移动业务划分和分配了多个频段。
考虑到无线电波传 播的特点， 移动业务使用的频段主要都在 3GHz 以下 确定移动通信工作频段可从以下几 方面来考虑：①电波传播特性；②环境噪声及干扰的影响；③服务区范围、地形和障碍物影 响以及建筑物的渗透性能；④设备小型化；⑤与已经开发的频段的干扰协调和兼容性；⑥用 户需求及应用的特点根据 ITU 的规定，在 5GHz 以下，划分给陆地移动业务的主要频率 范 围列于表1.2表1.2ITU5GHZ以下陆地移动通信的主要频率范围（MHz）以下陆地移动 通信的主要频率范围（）第 9 页 共 43 页 广东移动培训资料29.7 〜47 68 〜74.8 138 〜144 156.8375 〜17447〜50 （与广播共用）75.2〜87 148〜149.9 174〜223 （与广播共用）54〜68 （与广播共用） 87.5〜100 （与广播共用） 150.05〜156.7625 223〜328.6335.4〜399.9 470〜960 （与广播共用） 1700〜2690406.1〜430 1427〜1525 3500〜4200440〜470 1668.4〜1690 4400〜5000 我国移动通信使用频段的规划原则上参照国际的划分规划，如 我 国 正 在 大 量 使 用 的 150MHz、350 MHz、450MHz. 800MHz、900MHz,以及 1.8GHz 等频段。
其中：150MHz 频段 138MHz~149.9MHz； 150.05MHz~167MHz 280MHz 频段 279MHz~281MHz 450MHz 频段 403MHz~420MHz； 450MHz~470MHz 800MHz 频段 806MHz~821MHz/851MHz~866MHz 821 MHz~825 MHz/866MHz~870MHz 825MHz~835MHz/870MHz~880MHz 840MHz~843MHz 900MHz 频 段885MHz~915MHz/930MHz~960MHz 915MHz~917MHz （无线寻呼业务） （无线寻呼业务） （移动业务） （集群移动通信） （移动数据业务） （蜂窝移动通信） （无绳） （蜂窝移动业务） （无中心移动系统）在民用的移动通信中，用于蜂窝移动通信使用的频段具体安排如下： 890~909MHz 移动 台发中国移动 （ GSM）935~954MHz 基站发，共 19MHz 909~915MHz 移动台发 954~960MHz 基站发，共 6MHz 中国联通 （GSM） 数字 CDMA 系统频率安排如下：中国联通 CDMA825~835MHz 移动台发 870~880MHz 基站发，共 10MHz1.8GHz 频段安排如下：中国移动 GSM1800MHz 中国联通1710~1725MHz 移动台发 1805~1820MHz 基站发（共 15MHz ） 1745~1755MHz 移动台发 1840~1850MHz 基站发（共 10MHz）第 10 页 共 43 页 广东移动培训资料 1710~1785MHz 移动台发 DSC1800MHz 1805~1880MHz 基站发目前正趋于实用化的第三代移动通信，即IMT-2000。
其使用的核心频段为 1885~2025MHz/2110~2200MHz 其中 1980~2010MHz/2170~2200MHz 为 IMT-2000 的卫星移动 业务频段）（ 3GPP 规定 UTRATDD 的频段（共 35MHz）：（1）1900~1920MHz2010~2025MHz （2）1850~1910MHz 1930~1990MHz （3）1910~1930MHz 3GPP 规定的 UTRA FDD 的频段（上 下行各 60MHz） ：（1）1920~1980MHz 移动台发 2110~2170MHz 基站发 （2）1850~1910MHz 移动台发1930~1990MHz基站发为满足第三代（3G）蜂窝移动通信技术和业务发展的需求， 中国于 2002 年对 3G 系统使用的频谱 作出了如下规划： ①第三代公众蜂窝移动通信系统 的主要工作频段： 频分双工（FDD）方式：1920~1980 MHz / 2110~2170 MHz； 时分双工（TDD） 方式： 1880~1920MHz、2010~2025MHz ②第三代公众蜂窝移动通信系统的补充工作频段： 频 分双工（FDD）方式：1755~1785 MHz / 1850~1880 MHz； 时分双工（TDD）方式：2300~2400MHz, 与无线电定位业务共用，均为主要业务。
③IMT-2000的卫星移动通信系统工作频段：1980~2010MHz/2170~2200MHz ④目前已规划给公众蜂窝移动通信系统的 825~835MHz/ 870~880 MHz、885~915 MHz / 930~960 MHz 和 1710~1755 MHz / 1805~1850 MHz 频段等， 同时规划作为第三代公众移动通信系统的演进扩展频 段 此外，为满足铁路系统调度通信 等业务发展需要，拟将885~889MHz （上行）和930~934MHz （下 行）作为GSM-R （EGSM）系 统使用的频段；为满足射频电子标签业务发展的需要，将 840~845MHz 和 920~925MHz 规划 作为 RFID 使用的频段（试用） 第 11 页 共 43 页广东移动培训资料1.4 第一代移动通信系统及其主要特点近代的陆地移动通信系统，也称为蜂窝移动通信系统；自 80 年代起，已历经三代第 一代的主要特 点是利用模拟传输方式实现话音业务 模拟传输方式实现话音业务，以 AMPS （美国、南美洲）、TACS （英国、中国）和NMT （北欧）模拟传输方式实现话音业务为代 表主要商用时间从 80 年代初开始到 90 年代前期。
它的主要特点是： ① 模拟话音直接 调频； ② 多信道共用和频分多址接入方式； ③ 频率复用的蜂窝小区组网方式和越区切换； ④ 无线信道的随机变参特征使无线电波受多径快衰落和阴影慢衰落的影响 ⑤ 环境噪声和 多类电磁干扰的影响； ⑥ 无法与固定网迅速向数字化推进相适应，数据业务很难开展； ⑦ 安全保密性差，易被“窃听” ，易被“仿制烧号” 1.5 第二代移动通信系统及其主要特点第二代蜂窝移动通信系统以数字传输方式实现话音和低速数据业务 数字传输方式实现 话音和低速数据业务，以 GSM 为主, IS-95CDMA 为 数字传输方式实现话音和低速数据业务 辅主要商用时间从 90 年代中期开始到现在 它的主要特点是： ① 低速率话音编码技术 和数字调制； ② 每载波多路、时分多址或码分多址接入； ③ Rake 接收机和自适应均衡技 术； ④ 与固定网向数字化推进相适应，具有中低速数据承载业务能力； ⑤ 先进的开放的 技术规范（如 A 接口和 U 接口） ，有利于形成既竞争又相互促进的机制； ⑥ 安全保密性 强，不易“窃听” ，不易“仿制” ； ⑦ 有利于大规模集成1.6 第三代移动通信系统及其主要特点 第三代蜂窝移动通信系统以更高速的数据业务和更好的频谱利用率为目标 采用宽带 CDMA 为主流 以更高速的数据业务和更好的频谱利用率为目标，以更高速的数据业务和更好 的频谱利用率为目标 技术，目 前已形成三种空中接口 标准，即 WCDMA 、TD-SCDMA 和 CDMA2000。
今后十年内将逐步替代第二代系统而成为主流它的主要特点是：①新型的 调制技术，包括多载波调制和可变速率调制技术； ② 高效的信道编译码技术， 除了沿用1 本文由 blue_sailor 贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看ZnO 压敏电阻的基本特性与微观结构Basic characteristic and microstructure of ZnO varistors季幼章中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031摘 要： ZnO 压敏电阻是一种电阻值对外加电压敏感的半导体敏感元件,主要功 能是辨别和限制瞬态过电压,反复使用不损坏 ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学特性、物 理特性和化学特性微观结构是体现这些性质的媒介,是 ZnO 压敏电阻的基础 关键词： ZnO 压敏电阻；电学性质；物理特性；化学特性；微观结构1 引言ZnO 压敏电阻是半导体电子陶瓷器件，主要功能是识别和限制瞬态过电压，反复 使用而不损坏它的电流（I）—电压（U）特性是非线性的，与稳压二极管相似但与 二极管不同，压敏电阻能限制的过电压在两个极性上 相等，于是呈现的 i—u 特性很 象两个背对背的二极管。
压敏电阻能用于交流和直流电场，电压范围从几伏到几千 伏，电 流范围从毫安到几千安压敏电阻还附加有高能量 吸收能力的特性，范围从几焦耳到几千焦 耳它的通用性 使得压敏电阻在半导体工业和电力工业都有应用 ZnO 压敏电阻是用 半导体 ZnO 粉末和其它氧化物粉末女口： Bi、Sb、Co、Mn、Cr、Ni、Si 等经过混合、压型和烧 结工艺而制成得到的产品是具有晶界特性的多晶陶瓷， 这一边界 特性决定了压敏电阻的非线性 I—U 特性 ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学特 性、物理特性和 化学特性微观结构是体现这些性质的媒介，是 ZnO 压敏 电阻的基 础敏电阻的作用接近于绝缘体，此后它的作用相当于导体 对设计者关注的电学特性，是 它在导电过程的非线或非欧 姆特性，以及它作为电阻时，正常工作电压下的低泄漏电 流（功 率损耗）这些特性能够用曲线的三段重要区域来 说明图 1 在宽电流密度和电场范围上的典型 I—U 曲线2.1.1 小电流线性区2 ZnO 压敏电阻的基本特性2.1 ZnO 压敏电阻的电性质ZnO 压敏电阻最重要的性质是它的非线性 I—U 特性， 如图 1 所示在功 能上，在达到给定的击穿电压之前，压在这一范围内（V1 0—4A/cm 2），I—U 特性是欧姆性的，定义为预击穿 区。
对于给定的工作电压，交流电比直 流电流大约高二个数量级这一差别被认为是交流电 压应用时介电损耗的作用全电流是由容抗电流（IC）和电阻电流（IR）合成，并且 是由 ZnO 的晶粒边界决定的SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION2008 年 06 月1332.1.2 中间的非线性区域中间电流非线性区，对于电压的一个小增量，压敏电 阻传导一个格外大的电流该非线 性区可以在电流的6一7 个 数量级上扩展正是这一在宽电流强度上的高非线性，使得 ZnO 压敏电阻与其它非线性器件有重大的差别，并使其应用 于多种用途这一区域的 I-U 曲线越陡，器件就越好发现添加 Bi 2 O 3 基本上形成非欧姆特性 但是添加像 Co2O3 和 Mn02 过渡氧化物也能增强非线性同样，像 Bi 2O3、Sb2O3、Co3O4、MnO2 和 SiO2 等组合成多元掺杂剂能比用 单一掺杂剂大大增加其非线性同样，增加掺杂剂 浓度至某一最佳量也显示出增加其非线性 行为Zni、Zn i ）和外来原子（DZn和 Diz），DZ n和 Diz 分别代 表所有外来的施主和受主原子（D 可以是 Bi、Sb 等）。
根据对 ZnO 中缺 陷平衡的研究，证明了由缺陷向边 界层不相等的迁移能够形成缺陷引起势垒它表明一个高 的施主杂质（DZn^lO 18cm -3），当从烧结温度冷却时，晶粒边界变得富集锌 空位］VZn］（受主）而缺少氧空位［Vo］（施主）（见图2）这种掺杂产生了晶粒 边界处锌空位［VZn］过剩和氧空位［Vo］的不足，这种情况提高了势垒（势 垒高度 Q O.7eV）,同时有效地消除了在晶粒边界处分离 界面层的需要2.1.3 大电流翻转区在大电流区域（＞1O3A/cm 2），I-U 特性又呈线性，与小电流区域相似, 电压随电流的上升比非线性区块该 区域还称为翻转区此区域受 ZnO 微结构中晶 粒电阻的 控制于是添加已知能控制 ZnO 晶粒电阻的掺杂剂（如 Al、Ga 等），其结果对大电流翻转特性有很大影响 为了表征 ZnO 压敏电阻，希望测定全部 三个区的 I-U 特性但由于所涉及的电流范围宽，对所有区域不可能使 用相同的测 试工艺通常对小于 1OOmA/cm2 的 I—U 特性是用直流或 5OHz 的 交流测定,对大于1A/cm2的I—U 特性用 具有上升峰值时间为8p s的 典型波形和 2O p s的半峰值衰减时间的脉冲电流（即所说的8X2O p s波形） 测定。
2.2 ZnO 压敏电阻的物理特性ZnO 压敏电阻的非线性是一种晶粒边界现象，即在相 邻晶粒耗尽层中存在多数电荷 载流子（电子）的势垒认 为肖特基势垒最像 ZnO 微结构中晶粒边界势垒晶粒边界 上的负表面电荷（电子捕获）是由晶界面两侧晶粒的耗尽 层的正电荷来补偿的热电子发射 和隧道效应是主要的传 输机制最近发展的压敏电阻势垒的晶粒边界缺陷模型在改进 稳电 压应力下，压敏电阻的稳定性上取得了很大进展图 2 纯的和非本征掺杂 ZnO 晶粒边界区氧空 位和锌空位浓度部面3 ZnO 压敏电阻的微观结构3.1 多种的相组成ZnO 压敏电阻的微观结构分析发现，形成的四个主要 成分是 ZnO、尖晶石、焦 绿石和一些富 Bi相(图3)0图中也指明了组分存在的部位，还存在一些用现有技 术尚不易检测出来的其它次要相ZnO 压敏电阻的典型晶粒尺寸在15和 20 M m 之间，并且也总是伴有双晶°SiO2 的存在抑制晶粒生长，而 TiO2 和 BaO 则加速晶粒长大尖晶石和焦绿石相对晶粒长大有抑制作用焦绿石相在低温时起 作用，而尖晶石相在高温 时有利当用盐酸浸蚀晶粒时，中间相呈现出在电性上绝 缘的三 维网络 烧结形成的 ZnO 晶粒是 ZnO 压敏电阻的基本构成单2.3 ZnO 压敏电阻的化学特性纯 ZnO 是具有线性I—U 特性的非化学计量 n 型半导体。
进入 Zn O 中的各种添加物使其具有非线性这些氧化物中主要是 Bi 2O3这些氧化物 的引入，在晶粒和晶粒 边界处形成原子缺陷，施主或类施主缺陷支配着耗尽层， 而受主和 类受主缺陷支配着晶粒边界状态相关的缺陷类 型是锌空位(V Zn\ V Zn")、氧空 位(V o、V o )、填隙锌134SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION2008 年 06 月受晶粒边界电阻和电容控制2) 在I—U曲线为一端，大电流线性区(V10 — 3A/cm2),被验证是受晶粒的电阻控制的3) 对各种应用最重要的区域， 中部 非线性区，受晶粒边界和晶粒间的电阻 差别的间接控制3.2.3 势垒电势与微观结构联系ZnO 压敏电阻势垒电势(Ugb) U^UgbNg t(V)(1) E0.5=U/t( V/cm) (2)式中 U— 非线性电压Ng — 每厘米的晶粒数t — 每厘 米的边界厚度 这样，压敏电阻的晶粒(GS)图 3 各种晶相组成的 ZnO 压敏电阻的微观结构成分Ng"(GS)—1位在烧结过程中，各种化学元素在微观结构中的分布， 使得近晶粒边界区域具有高阻 抗(p gb^1012 Q • cm)，而晶粒的中间具有高电导(p o^l~10 Q • cm)。
从图1 给出的i—u 曲线的斜率能估算这些阻抗特性3.2 微观结构和电特性图4 给出了微观结构和电特性略图图4(a) 给出了晶 粒和晶界电阻的表观 略图从晶粒边界到晶粒的电位陡降［图4 (b)］发生在心5 0 — 1 0 0 nm 的距离内， 称为耗尽层这样， 在每个晶粒边界处都存在晶粒边界向两侧延展入相邻晶粒 的耗尽层 晶粒间存在耗尽层提高了压敏电阻的作用 晶粒边界两侧两个耗尽层的存在，使得 Zn O 压敏电 阻对极性变化不敏感在这一方面，压敏电阻像一个背对 背的二极管进一步 说，由于晶粒边界附近区域的电子被 耗尽，当施加外电压时，跨在晶粒边界上出现一电压降 这被称作势垒电势，一般是^2_4V/(每晶粒边界)3.2.1 等效电路在图 4(c) 所示的等效电路中，这一电路由一个电阻(R)和一个电容(C) 分量组成当在预击穿区给 ZnO 压敏电阻施加一电压时，流过器件的漏电流完全是 起源于 晶粒边界在交流模式时，这个电流由电阻分量和电容分 量组成图 4 微观结构和电特性略图 (a) 耗尽层处的电阻剖面；3.2.2 微观结构和电特性关系（1） 小电流击穿前线性区域（vi 0 — 4A/cm2）,被验证是（b） 晶粒与晶粒边界处的电阻曲线；（c） 晶粒边界处的等效电路。
SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION2008 年 06 月135E0. 5 是作为在 0. 5mA/cm2 时记录的击穿电压的度量，是人为选择的 （见图 1） 由于晶粒边界处存在耗尽层，则表现出介电常数是受 晶粒尺寸影响，其值随 晶粒尺寸的增大而提咼表观晶粒 边界电容为每晶粒边界 0.18“F/cm2据，对改进配方、优选工艺、组织生产、分析质量将起到 重要指导作用参考文献[1] T.KGupta.J.Amer.Ceram.Soc.,1990,73（7）,1817~1840 [2] Jan Harloff, D. Bonnell. Physical Properties of Ceramics（ZincOxideVaristor）[doctoralthesis].1995 [3] Mattias Elfwing. Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 686, ACTA universities UPSALIENSIS UPPSALA2002 [4]莫以 豪, 李标荣, 周国良. 半导体陶瓷及其敏感元件. 上 海:上海科学技术出版社 1983 年 10月4 结论ZnO 压敏电阻具有特殊的非线性特性，是所有压敏 电阻元件中，也是所有敏感元 件中研究得最多，发展得最快应用得最广之一°ZnO 压敏电阻的基本特性包括电学性 质、物理特性和化学特性。
微观结构是体现这些性质的媒介，决定了 ZnO 压敏电阻的 许多性质，是 ZnO 压敏电阻的基础微观结构分析给 ZnO 压敏电阻的特性分析 提供依新闻信息发布服务《半导体器件应用》一一V电压敏器件专栏＞旨在提供电压敏行业市场及技术资讯，服 务电压敏行业企业，促进产 业上中下游产业链间的交流互动，推动电压敏产业的健康发展 V电压敏器件专栏〉为行业企业（厂商）提高免费新闻信息发布服务，您公司的重要活动、 重大事件、重大发展成果、 新产品、新应用等（即贵公司需向外发布的任何信息），均可透 过本专栏对外发布编辑部的公正性与其他专业出版机构相同，大比特商务网、《国际电子变压器》编辑内容与广告绝对无关 编辑内容是为了满足 读者对信息的需求编辑部对收到的新闻稿有权作出修改或删节，读者 的需要和信息的价值是选择依据 如果您不善于撰写新闻稿，也可以预约本刊记者协助您采 写、编撰、润饰或是修改新闻稿的内容，让您的新闻稿 更有其专业及说服力，也更能够被其 他媒体或新闻人员所采用或引用新闻格式要求电子邮件新闻稿要求提供纯文本格式（*.七乂七）或MS WORD （水.doc） 格式文件电子邮件发送的图片和照片最好提供3 0 0 dpi JPEG、TIFF和EP S格式文件。
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