电子器件制备工艺课程设计

氧化锌压敏电阻器的制备与特性研究

目 录

摘 要 ......................................................... IV 引 言 .......................................................... IV

第1章 绪 论 ...................................................... 1

氧化锌压敏电阻器的概述及发展状况 ............................... 1 1. 2 配方及理论依据 ............................................. 4

第2章 实验部分 .................................................... 2

对照实验设计及说明 ............................................. 2

基底材料的选择 ............................................. 2 对照实验设计 ............................................... 2

实验过程 ....................................................... 2

摩擦法制备石墨基柔性透明导电膜 ............................. 2 四探针法测透明导电膜方阻 ................................... 2 透光率测试 ................................................. 2

第3章 结果与讨论 .................................................. 2

柔性透明导电膜的导电、透光机理 ................................. 2

柔性透明导电膜的导电机理 ................................... 2 柔性透明导电膜的透光机理 ................................... 2

不同量石墨粉的柔性透明导电膜（A 不同摩擦时间的柔性透明导电膜（B 不同压力的柔性透明导电膜（C

组） ........................... 2 组） ........................... 2 组） ......................... 2

组） ............................... 2

不同粒度石墨粉的柔性透明导电膜（D

结论 ........................................................... 2

第4章 建议与体会 .................................................. 2

研制仪器与系统实验 ............................................. 2

制作设备的目的 ............................................. 2 设备功能的初步设定 ......................................... 2 定量的系统性实验初步设想 ................................... 2

对于本实验的改进 ............................................... 2

利用膨胀石墨制备柔性透明导电膜 ............................. 2 用离子液体型表面活性剂处理基底 ............................. 2

其他可行的研究方案 ............................................. 2

单壁碳纳米管柔性透明导电膜 ................................. 2 石墨烯柔性透明导电膜 ....................................... 2

课设体会 ....................................................... 2

参考文献 ........................................................... 7

ZnO压敏电阻器的制备方法与特性研究

摘 要：ZnO压敏电阻是一种以ZnO为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。由于它的优良性能及使用的广泛，国内外对其进行了大量的研究，主要集中在压敏机理、微观结构、掺杂元素、工艺制度等等。本文介绍了什么是氧化锌压敏电阻陶瓷，简述了氧化锌压敏电阻陶瓷的制备方法，并研究了氧化铋掺杂量的多少对氧化锌压敏电阻相关电学性能的影响。

关 键 词：氧化锌压敏电阻，制备工艺，氧化铋，影响因素

引言：自1968年日本松下电器公司科学家Matsuoka研制出ZnO压敏电阻器以来,人们从制备工艺、基础理论、应用开发等方面进行了大量研究。由于ZnO压敏电阻器性能优异，已广泛应用于各个领域。。氧化锌压敏电阻优异的电性能是以各种添加剂的综合作用为基础的, 它是典型的由晶粒大小、晶界结构控制宏观性能的材料。为了满足各种实际应用的不同要求, 通常采用添加不同金属氧化物来获得所需要的电性能。本实验以 ZnO为主体材料，掺杂金属氧化物Bi2O3、

Sb2O3、Co2O3、MnO2、 Cr2O3制作压敏电阻陶瓷，并改变Bi2O3的含量，以研

究Bi2O3掺杂对ZnO电性能的影响。

第1章 绪论

氧化锌压敏电阻器的概述及发展状况

压敏电阻相应的英文名称叫“Variable resistor”，压敏电阻器的电阻材料是半导体,所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的ZnO 压敏电阻器是以 ZnO为主晶相的半导体陶瓷。ZnO 压敏电阻是一种多功能新型陶瓷材料,它是以ZnO为主体,添加若干其它氧化物(主要为过渡金属氧化物) 改性的烧结体材料,由于它具有性价比高、非欧姆特性优良、响应时间快(20～50ns) 、漏电流小、通流容量大等优点,因此被广泛应用于电子设备和电力系统及其它领域。随着电子产品的小型化、集成化,对低压压敏电阻的需求量越来越大。

压敏陶瓷主要用于制作压敏电阻器， 它是对电压变化敏感的非线性电阻， 其工作电压是基于所用压敏电阻特殊的非线性电流 -电压（I-V）特征。电流-电压的非线性主要表现：当电压低于某一临界（阀值电压）之前，变阻器阻值非常高，其作用接近于绝缘体（其I-V关系服从欧姆定律）；当电压超过临界值时，电阻就会急剧减少，其作用又相当于导体（其

I-V关系为非线性）,其I-V 关系可用下式表示[4]：I?(V学性能、物理性能、电气性能和微观结构进行了讨论。

1.1.1 化学性能

纯ZnO具有线性V - I 特性的非化学计量n型半导体,添加

Bi2O3 ,Sb2O3 ,TiO2 ,BaO 等各种氧化物使其具有非线性。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,而受主或类受主缺陷支配着晶粒边界状态。根据对 ZnO中缺陷平衡的研究,由缺陷向边界层不相等的迁移能够形成缺陷引起的势垒。

/C)? 。 ZnO压

敏电阻器优异的非线性特性来源于烧结体的微观结构。很多资料和文献对它的化

1.1.2 物理性能

ZnO压敏电阻器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的多数电荷载流子(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) 是由晶界两侧晶粒的耗尽层中正电荷来补偿的。热电子发射和隧道效应是主要的传输机制。

1.1.3 电气性能

从ZnO压敏电阻器伏安特性来看,在正常工作电压下,它的电阻值很高,几乎是兆欧级、漏电流是微安,而随电压加大,阻值急剧下降,在浪涌电压冲击时,阻值几十欧姆,甚至0. 1～1Ω ,可见阻值随电压而变化，表现非线性特性。。图示给出了典型ZnO压敏陶瓷的I - V特性曲线,其V - I 特性大致可分为2个区域:小电流区、大电流区(回升区) 。其中在小电流区时，热激发电子，需穿过势垒，此时电流I较小；大电流区具有高的非线性系数(α> 50) 和宽的电流范围(可在电流的6～7 个数量级上扩展) 为特点 ，其电压较高，晶界面上俘获电子产生隧道效应，故电流升高很快。

I

I-V特性曲线

1.1.4 微观结构

一般认为,在压敏电阻瓷中,除主晶相晶粒与晶界相外,还有其它物质相,例如还明显存在着富铋相、尖晶石相、焦绿石相等 。ZnO 相是构成压敏电阻的主晶相,尖晶石相是不连续的,它对陶瓷的非线性不起直接的作用,但由于该相与ZnO及富铋相在高温下共存,所以它对成分向各相的分配起作用,使富铋相具有一个特定的组成,又由于它在ZnO晶粒边界凝结,故能抑制ZnO 晶粒的生长;

V