内容发布更新时间 : 2024/6/26 15:14:06星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

压敏电阻材料特性测试及其原理探讨

曹伟 魏立国

摘要：材料的导电性往往受多种因素的影响，本实验涉及到材料中载流子在电

场力的作用下是否遵循欧姆定理。

关键词：压敏电阻 非线性 阈值电压

一、引言

大多数材料的导电特性在通常条件下遵循欧姆定理，即经由该材料做成的电阻的电流与加在两端的电压成正比，这种情况下我们说材料具有线性电阻特性。而有些陶瓷材料，当加在由这样的材料制成的电阻上的电压到一定程度后，流经电阻的电流随加在电阻两端的电压不再成正比，而呈现出急剧上升的非线性关系，也就是说不服从欧姆定理，这样的材料就是电压敏感材料，通常称为压敏电阻材料。

二、压敏电阻非线性伏安特性的微观机理的探讨

从材料学角度来看，氧化锌压敏材料是以98％以上摩尔比的金屑氧化物ZnO为基体，加入微量的队Bi2O3和Mn02等多种添加物，经高温氧化烧结而制备成的一种功能陶瓷材料．目前已提出了多种模型用于解释该类材料的非线性压敏特性，其中最有代表性的就是所谓的晶粒边界缺陷模型．该模型认为在氧化锌复合材料内部晶界层是一种本征的或接有Zn空位的P型半导体．它是相对绝缘的，是在从烧结温度冷却过程中形成的原子缺陷，正是这些晶界层提供的势垒而导致了压敏特性．从这一模型出发，可以认为当所加电压V小于阈值电压Vb时，压敏电阻内的导电机制主要是品界处的热电子效应来完成的，因此，这些晶界处的热电子随时间逐渐扩散而趋于稳定，这可能就是引起在低电压情况起始电流大而渐趋一较小的极限值的原因。而当所加电压达到或大于阈值电压时，晶界相中带负电的陷阱将被雪崩过程产生的空穴中和而发生势垒层的击穿，这种雪崩效应(类似于半导体齐纳二报管)将是造成在阈值电压以上电流随时间而急剧增加，最终使材料变为导电体而达到过压保护作用．这种在高低电压下完全相反的变化特征可能就是非线性压敏特性的具体表现

三、实验内容

1．普通电阻的伏安特性曲线

2．测试实验提供的7种不同压敏电阻的伏安特性曲线

3．由测试到的数据和特性曲线确定的压敏电压、非线性系数和漏电流。 4． 分析普通电阻和压敏电阻的伏安特性的差别，解释压敏电阻非线性伏安特性的微观原因。

四、实验结果及分析

对普通电阻伏安特性的测试结果表明其满足欧姆定理，通过其的电流与加载在其两端的电压成正比，是线性电阻。

对各种压敏电阻的测试结果表明其伏安特性不满足欧姆定理，通过其的电流与加载在其两端的电压成非线性关系。当电压在阈值电压以下时，只有很小的漏电流通过电阻，当刚刚超过阈值电压时，电流急剧增加。表现出对电压的敏感性。 特性参数的分析：

①压敏电压 通常规定为在室温环境下，在压敏电阻上有1mA直流电流流过时，加在压敏电阻两端的电压。如上图的Vb。

②漏电流 通常规定当加在压敏电阻两端电压为压敏电压的0.75倍时，流过压敏电阻的电流作为压敏电阻的漏电流。

③非线性系数 在V1和V2之间分开去两点，对应的电流值I1和I2，用公式即可求出。

如上图所示。

五、压敏电阻的应用与展望

利用ZnO压敏陶瓷的优异的非欧姆性能和耐浪涌能力，它广泛地应用于许多场合。ZnO压敏陶瓷在许多电路和电力系统的瞬态浪涌抑制技术中起着重要作用。但是，为了深入地扩展ZnO压敏陶瓷的应用领域仍然存在许多有待解决的问题。在电性能方面重要的是V一I曲线中的非线性系数、耐浪程中特别重视其涌能力和稳定性，高电流区域高的非线性系数将导致电路和电力系统中绝缘等级的降低，从而导致了资金的节省和应用领域的拓宽。长期负荷下的稳定性在实际应用中具有异常的重要性，因此降低漏电流是一个重要问题，有必要通过控制晶界性来改善低电流区域的非线性系数。在制备技术方面，由于材料的组成和制备工艺是影响ZnO压敏陶瓷性能的重要因素，近来集中了较大的注意力来研究其制备工艺。由于V-I曲线中的击穿电压和耐浪涌能力分别正比于串联晶界层和并联晶界层的数目，所以在制造过程中特别重视其显微结构的设计，相应地，将来ZnO压敏陶瓷的制造工艺将引入新的原理，如烧结体显微结构的设计和控制理论。在这方面，日本学者利用ZnO晶体的定向生长技术成功地制备了同一种器件具有两种压敏电压的ZnO压敏陶瓷并实现了低压化。在基础研究方面，为了发展更高级的ZnO压敏陶瓷，拓宽其应用领域，有必要对电子陶瓷中的晶界性能进行进一步的研究，以尽可能完整地了解其细节。

参考书目:

《氧化锌压敏电阻器电流响应的时间驰豫现象和压敏特性研究》章汛生 河南大学学报

电子陶瓷材料.台湾徐氏基金会出版.1990，3