氧化锌压敏电阻劣化前后动态特性研究

氧化锌压敏电阻劣化前后动态特性研究

罗致成

广东南方宏明电子科技股份有限公司 广东东莞 523000

摘要 压敏电阻经过不同程度老化以及出现劣化现象后，自身防护能力便会降低，致使热破坏现象发生。因而，本文主要围绕着氧化锌压敏电阻在劣化前后的动态特性开展深入的研究和探讨，仅供参考。

关键词 压敏电阻；氧化锌；劣化；动态特性；

前言

由于压敏电阻经脉冲老化后，对其工作可靠性、稳定性均会产生影响，故综合分析氧化锌压敏电阻在劣化前后的动态特性，对今后更好地把握氧化锌压敏电阻经过劣化过后的状态以及特性，有着一定的现实意义和价值。

1. 简述压敏电阻

压敏电阻，即非线性的伏安特性一类电阻器件，电路承在受过压情况下电压钳位当中应用，便于多余电流吸收以及敏感器件保护^[1]。

2. 分析动态特性

2.1实验方法以及过程

处于同波形、冲击电流不同条件下，分别针对同厂家以及同型号C、E两片实施测定，对比C、E两片R_d。脉冲波形为8/20µs条件之下，依次施加5kA、10kA、15kA，而后再施加10kA、20kA、30kA冲击，各组电流均实施3次冲击，每次均间隔约5min，冷却到室温过后，每次冲击获取相应残压图以及电流图，以此测算R_d，借助软件系统处理数据获取相对平滑散点图实施分析。经分析可了解到，C片处于脉冲波形8/20µs电流冲击之下，R_d均呈U形状态分布，不同电流冲击之下，动态电阻呈优良一致性，大体上无明显重叠，特别是20kA、30kA冲击条件下R_d均无重合。R_d电阻为一致恢复时间，约3*10^-5s。同等电流间隔冲击条件下，脉冲波形10/350µs条件之下动态电阻缓增过后骤然上升，呈递增分布状态。E片经以上实验分析后所获取结果和C片呈一致性，由此表明同厂家以及同型号，却为不同片相互间处于同等条件之下，动态电阻呈较小波动，一致性优良。压敏电阻处于标准脉冲电流冲击条件下，产生以上现象可借助离子迁移基础理论予以解释分析，在脉冲波形8/20µs电流冲击作用之下，电流对反向特基的势垒产生作用，故肖特基势垒内部离子迁移主要为反向肖特基势垒耗尽一层内部离子迁移。针对正向偏压以及反向偏压两侧位置肖特基势垒畸变，其是因反向侧肖特基势垒耗尽一层离子迁移所致，耗尽层此时阳离子积累右侧，阴离子丧失，覆盖影响结果都致使的势垒高度下降，电气特性层面呈压敏电压下降反应，间接性致使8/20µs条件之下经拟合过后动态电阻在前期处于降低状态。微观机理层面，若已知晓u=Ldi/dt，电感值L处于一定条件下，电流相对的时间呈越大变化率，电感压降u实际幅值增加，间接性致使R_d增大变化。处于大电流冲击条件下，压敏电阻基本动态特性与等效电感关联性大。MOV初期受冲击情况下，电子呈较小动能，较难从晶界势垒越过进入至相应晶粒层，电子此时基本沿晶界的浅层或者表面位置运动。伴随电流渗透持续，电子增强穿透力，但因受限于自身渗透能力，故内部微观的等效电感变化趋势相对缓慢。宏观层面，此区域内动态电阻呈非线性的缓慢变化表现，电流持续渗透，微观层面电感凭借串联形式向着特定方向实现加速发展，等效微观整体电感值速度加快，Ldi/dt值此时增加，且增大明显，宏观层面R_d曲线则开始呈非线性的提升趋势。电子逐步把晶界势垒冲破晶界整层被穿透后，微观电感并未相对明显的数量变化，且等效的电感值呈有限增加趋势，此时电感值已相对较大，Ldi/dt值增加急速，宏观层面10/350µs条件之下，R_d后期的曲线上翘迅速。

2.2实验结果

1）在冲击老化层面

针对冲击老化层面试验分析，同样选定以上同厂家以及同等型号相应压敏电阻片，设s₁、s₂两个编号。试验分析期间，处于老化前后条件下，对氧化锌压敏电阻的基本性能参数实施有效测定，分析老化过程氧化锌压敏电阻基本性能参数的相关影响因素。静态参数测定包含着U_ImA压敏电压、R_P阻抗、C_P分布电容、a非线性系数、I_L漏流。以8/20µs波形针对MOV实施老化冲击，老化实验通常对压敏片实施标称的相应电流冲击。故s₁、s₂两个冲击电流的幅值应当设30 kA与35 kA，且时间间隔为1min，首次与二次冲击具体次数设3次，第三次的冲击次数则设5次，四～五次则设10次冲击次数，待老化冷却，对性能参数实施测定，便可了解到压敏电压、R_P阻抗、C_P分布电容、a非线性系数、I_L漏流实际变化规律。伴随老化程度持续变大，MOV压敏电压以及漏流均呈增长态势。MOV处于8/20µs波形老化过后，所呈现动态电阻具体变化情况可了解到，R_d阻抗无明显变化产生，仅仅是局部略有降低变化。同时，R_P阻抗、C_P分布电容、a非线性系数均无明显变化规律，故不考虑R_P阻抗、C_P分布电容、a非线性系数处于冲击过程当中对于MOV老化所产生的影响。以10/350µs波形，对压敏电阻实施老化冲击，期间着重考虑10/350µs波尾较长、呈较大能量，故设7kA冲击幅值、3min间隔时间以及1次的冲击数。老化冷却过后，对性能参数予以测定便可知晓压敏电压以及I

_L漏流实际变化规律，其结果表明了老化程度持续增加，MOV压敏电压则呈先增再降趋势，并且一直至击穿压敏片，而漏流则持续处于增长状态，一直至击穿压敏片^[2]。结合MOV经10/350µs脉冲电流老化过后相应动态电阻的变化曲线可知，经老化过后，动态电阻产生不规则无序震荡现象。MOV在吸收能量后逐步升温，高温环境内部热激活能较大。大电流冲击作用所产生的影响集中表现为：一种是晶界层内部等正离子逐步向着反向的偏压一侧位置肖特基势垒晶界逐步迁移；另外一种是反向侧肖特基势垒整个耗尽层内部正离子迁移至晶界方向。但离子迁移速度比低电场区域直流电压相应作用之下迁移速度快，在这两种影响之下，肖特基势垒形状发生畸变，在畸变过程以及10/350µs老化波形会有无序振荡产生，从而出现严重的单极性老化。

2）在热稳定层面

使用恒流电源对实验样品实施过载通电加速性老化处理。分别施加样品两端5、10、15、20 min的2 mA电流，实验过程中，压敏电阻因过载出现自发热，待冷却至室温过后，对样品相应参数值予以测定获取动态电阻，每次予以加速老化后均实施冲击实验，获取电压电流相应数据，并把R_d拟合出。经此次实验测定可了解到，样品在通电15min后，动态电阻的R_d值降为30.42Ω，U_ImA压敏电压数值是636.3V，漏流I_L则增为18.7µA，样品此时老化程度严重，且动态电阻下降急剧，下一时刻，也就是20 min时产生热熔融的击穿现象，U_ImA压敏电压、R_d均下降急剧，彻底损坏压敏片，因融穿过后破坏晶粒的内部结构，肖特基势垒以及非线性均快速消失，R_d线性则减小，先增后降整个过程，晶粒内部变化急剧，导致测得压敏电压和IL具有初期不稳定性，待二次实施加速老化，因受热恢复性影响，所测得的老化参数则恢复正常，表明加速老化实施过程，伴随R_d下降，电阻发热属于产生热熔融击穿的主导因素。

结语

综上所述，通过此次氧化锌压敏电阻在劣化前后的动态特性综合分析可了解到，MOV初期受冲击情况下，伴随电流渗透持续，电子增强穿透力，但因受限于自身渗透能力，内部微观的等效电感变化趋势相对缓慢。宏观层面，电流持续渗透，电子逐步把晶界势垒冲破晶界整层被穿透后，微观电感并未相对明显的数量变化；肖特基势垒形状发生畸变过程以及10/350µs老化波形会有无序振荡产生，产生热熔融击穿的主导因素为电阻发热。

参考文献

[1]徐伟,盛沨,张春龙,等.多脉冲雷电冲击下ZnO压敏电阻的劣化性能[J].高电压技术,2019,45(012):249-250.

[2]曹伟,谷山强,万帅,等.不同添加物掺杂对氧化锌压敏电阻的改性研究[J].电瓷避雷器,2020,29(012):599-600.