氧化鋅壓敏電阻空間電荷與非線性特性的關(guān)系_圖文

1、 中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué) 2011 年 第 41 卷 第8期 電子因熱激活被界面能級(jí)釋放越過(guò)勢(shì)壘流入反偏壓 側(cè) ZnO 晶粒產(chǎn)生的電流密度為 JEM: 流過(guò)的總電流密 度 J 正比于被界面能級(jí)俘獲的電子數(shù)與從界面能級(jí) 釋放的電子數(shù)之差 . 由于從界面能級(jí)釋放的電子數(shù) 可以忽略 , 被界面能級(jí)俘獲的電子實(shí)際上就是界面 電荷 , 也就是空間電荷的量 . 因此 , 也可以說(shuō) , 流過(guò) 的總電流密度 J 正比于空間電荷量. 從測(cè)試得到的電 流密度與空間電荷的關(guān)系來(lái)看 , 在小電流區(qū)空間電 荷與電流密度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系 , 理論分析與試驗(yàn)結(jié) 果相符合. 由上述分析可將小電流區(qū)空間電荷與 ZnO 的導(dǎo) 電機(jī)理

2、的關(guān)系總結(jié)如下: 在小電流區(qū), ZnO 壓敏電阻的伏安特性, 空間電 荷與場(chǎng)強(qiáng)及電流密度的關(guān)系均呈線性 ; 而晶界左右 兩側(cè)決定電子熱激活能的肖特基勢(shì)壘高度隨外施電 壓也呈線性變化 . 隨外加電壓 (場(chǎng)強(qiáng) 增加 , 左側(cè)正偏 肖特基勢(shì)壘減小 , 更多電子被晶界層的表面態(tài)捕獲 , 導(dǎo)致晶界表面態(tài)濃度降低, 界面電荷增加. 上述這一 過(guò)程在試驗(yàn)中主要體現(xiàn)在由電子運(yùn)動(dòng)形成的電流與 外加電壓呈線性關(guān)系 , 這與空間電荷與外加電壓的 關(guān)系是一致的. 本文認(rèn)為此時(shí)的電流是由熱激活發(fā)射產(chǎn)生的電 流和隧道效應(yīng)產(chǎn)生的電流共同構(gòu)成 , 這可以與試驗(yàn) 現(xiàn)象相對(duì)應(yīng) . 空間電荷隨場(chǎng)強(qiáng)的線性增加證明熱激 活產(chǎn)生的電流存

3、在 , 而電流隨場(chǎng)強(qiáng)的激增表明有隧 道電流出現(xiàn). 因此此時(shí)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(guò)界面到達(dá)另 一個(gè)晶粒為第二步. 隨著外施電壓的增加, 當(dāng)電場(chǎng)接 近擊穿場(chǎng)強(qiáng), 即接近中場(chǎng)強(qiáng)區(qū)時(shí), 反偏壓的右側(cè)勢(shì)壘 變窄, 電子從晶界層進(jìn)入反偏壓的右側(cè)晶粒時(shí), 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(yīng)通過(guò)較窄的勢(shì)壘, 電場(chǎng)越接近擊穿場(chǎng)強(qiáng), 因隧道效 應(yīng)進(jìn)入右側(cè)的電子就越多. 過(guò)渡區(qū)的非線性特性與空間電荷的關(guān)系總結(jié)如 下 : 空間電荷隨場(chǎng)強(qiáng)的變化與伏安特性不具有一致 性, 當(dāng)晶界層表面態(tài)較多時(shí), 空間電荷隨著場(chǎng)強(qiáng)的線 性增加證明了熱電子激活產(chǎn)生的電

4、流 , 而電流隨場(chǎng) 強(qiáng)的激增證明了隧道電流的存在 , 兩種不同產(chǎn)生機(jī) 制電流的共存, 證明了過(guò)渡區(qū)的存在, 此時(shí)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(zhuǎn)變. 3.3 中電流區(qū)非線性特性與空間電荷的關(guān)系 3.2 過(guò)渡區(qū)非線性特性與空間電荷的關(guān)系 當(dāng)由小電流區(qū)向中電流區(qū)過(guò)渡時(shí), 試樣 A, B, C 和 D 的空間電荷與電流密度的關(guān)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(chǎng)的關(guān)系 則表現(xiàn)出不同的趨勢(shì), 試樣 A 的空間電荷與電場(chǎng)的 關(guān)系出現(xiàn)非線性; 而試樣 B, C 和 D, 當(dāng)伏安特性表現(xiàn) 出非線性時(shí) , 空間電荷仍然隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加而線性 增加, 這種

5、不一致性證明了過(guò)渡區(qū)的存在. 試樣 A 的空間電荷與電場(chǎng)呈非線性可認(rèn)為是晶 界層的表面態(tài)已經(jīng)基本被充滿, 因此電場(chǎng)的增加不會(huì) 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(cè)試結(jié)果, 空間電荷仍隨 場(chǎng)強(qiáng)的增加而線性增加 , 表明這時(shí)晶界層表面仍然 有足夠的表面態(tài)存在 , 場(chǎng)強(qiáng)對(duì)勢(shì)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(shí)由伏安特性表現(xiàn)出的非線性, 說(shuō)明電流 已經(jīng)不與空間電荷呈成正比變化 , 從測(cè)試結(jié)果也可 以看到電流與空間電荷呈非線性關(guān)系. 可見(jiàn), 此時(shí)的 電流不是只由熱電子激活發(fā)射構(gòu)成 , 而是有新的機(jī) 制發(fā)生. 由于

6、試驗(yàn)條件限制, 本文實(shí)際所測(cè)得的 ZnO 電 流最大為 10 mA, 由測(cè)試結(jié)果看, 試樣 A 和 B 才剛剛 進(jìn)入中電流區(qū), 試樣 C 和 D 可能還沒(méi)進(jìn)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(guān)系是由 試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)的, 還有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證. 取 1 mA 電流下的電壓(拐點(diǎn)電壓, 假設(shè) 4 種試 樣的晶粒都是均勻分布的 , 則可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的每 個(gè)晶界的拐點(diǎn)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(gè)數(shù), U1 mA 為 A 試樣的

7、1 mA 電流對(duì) 應(yīng)的電壓, U 為每個(gè)晶界的拐點(diǎn)電壓. 同樣, 可以計(jì)算出 B, C 和 D 試樣的晶界拐點(diǎn)電 壓分別為 3.12, 3.24 和 1.93 V. 當(dāng)作用于試樣 A 的晶界電壓為 1.74 V 時(shí), 電子 就可以獲得足夠的能量撞擊價(jià)帶產(chǎn)生空穴 . 如圖 10 所示 , 當(dāng)電子束由于隧道效應(yīng)從晶界進(jìn)入反偏壓側(cè) 的導(dǎo)帶時(shí) , 一些電子將獲得足夠的能量 , 撞擊價(jià)帶 , 在反偏壓側(cè)靠近界面處的價(jià)帶形成電子 - 空穴對(duì) , 即 增大施加的電壓使反偏壓側(cè)的導(dǎo)帶 E C R 低于同側(cè) 1133 王倩等: 氧化鋅壓敏電阻空間電荷與非線性特性的關(guān)系 量卻呈飽和的趨勢(shì). 因此, 當(dāng)施加電壓超過(guò)

8、某一數(shù)值, 晶界界面能級(jí)中俘獲的電子基本上不再依靠熱激活 而穿越勢(shì)壘形成傳導(dǎo)電流. 4 結(jié)論 本文從空間電荷的角度對(duì) ZnO 壓敏電阻的導(dǎo)電 圖 10 擊穿區(qū)勢(shì)壘模型18 特性進(jìn)行了研究, 得到以下結(jié)論. 1 空間電荷和電流密度之間的關(guān)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(chǎng)強(qiáng) , 電流密度的 關(guān)系是呈線性增長(zhǎng)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(shì)壘的變化. 3 從小電流區(qū)接近向中電流區(qū)時(shí) , 當(dāng)晶界層表 面態(tài)充足時(shí), 空間電荷隨場(chǎng)強(qiáng)的變化仍線性增長(zhǎng)的關(guān) 系 , 與伏安特性表現(xiàn)不一致 , 說(shuō)明存在過(guò)渡區(qū) , 而且 過(guò)渡區(qū)的電流是

9、由熱電子激活和隧道電流共同構(gòu)成. 4 在中電流區(qū) , 由測(cè)試結(jié)果推導(dǎo) , 隨著電流的 增大, 空間電荷會(huì)呈減小趨勢(shì), 當(dāng)耗盡層減小為零時(shí), 空間電荷會(huì)基本消失. 晶界勢(shì)壘的價(jià)帶 EVR 頂部的位置時(shí), 就會(huì)在該價(jià)帶頂 部附近生成空穴. 因?yàn)榭昭ň哂姓姾?, 所以能中和界面能級(jí)的 負(fù)電荷, 使右側(cè)耗盡層的寬度急劇減小, 使來(lái)自界面 能級(jí)的隧道電流進(jìn)一步增大 , 引起非線性指數(shù)的增 加, 可以達(dá)到 50100. 由測(cè)試結(jié)果來(lái)看, 空間電荷在 中電流區(qū)略有減少, 這是由于沒(méi)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(cè), 隨著電 流的增大, 空間電荷會(huì)呈減小趨勢(shì), 當(dāng)耗盡層減小為

10、零時(shí), 空間電荷會(huì)基本消失. 進(jìn)入中電場(chǎng)區(qū) (擊穿區(qū) , 電流急劇增大 , 而電荷 參考文獻(xiàn) 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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