压敏基础知识

XXXXXXXX有限公司压敏防雷芯片基础知识第一部分：基础知识•基础知识—压敏电阻的微观结构•基础知识—压敏芯片的基本特性•基础知识—常用电性能参数ZnO压敏电阻的微观形貌•压敏芯片的微观结构ZnO内部结构模型•压敏芯片的微观结构模型非线性机理模型压敏效应产生的基本原理图10(a)两个晶粒不结合时，ZnO晶粒是n型半导体，其费米能级EFG高于非n型的晶界的费米能级EFB。ZnO晶粒中存在一定浓度的自由电子，晶界层与ZnO晶粒交界的界面上则有大量的表面态。当两个ZnO晶粒和晶界按实际晶界结构结合时，由于两侧晶粒的费米能级高，使得ZnO晶粒表面的自由电子流入界面能级，被界面中的受主表面态俘获，导致能带结构变成图b。流入界面能级被受主表面态俘获的电子变成带负电的界面电荷，它被在晶界附近正离子化的施主电荷平衡。而ZnO晶粒表面失去自由电子后将由电中性变成带正电；晶粒内部的自由电子因热运动输出到表面，然后重复上一过程，直至EFB=EFG，此过程使宽度为L的晶粒表层的自由电子耗尽，形成一个从晶粒表面渗入晶粒体内一定深度的电子势垒，这种带正电荷的区域称为空间电荷层，也称为自由电子耗尽层。它构成了ZnO非线性电阻的高阻层。由于它的影响，导致能带发生弯曲，形成了图10(b)所示的势垒结构。压敏效应产生的基本原理ZnO晶粒本身的电阻率为0.001～0.1Ω•m，而晶界高阻层的电阻率在108Ω•m以上，所以在施加的电压较小时，几乎全部由晶界层承担。低电场区：≤1μA•cm-2中电场区：1μA•cm-2～102A•cm-2高电场区：≥102A•cm-2现在随着配方、工艺的进步，可以在103A•cm-2数量级上仍保持较好的非线性。4kA•cm-2压敏芯片的微观结构压敏芯片的基本特性压敏芯片的基本特性拐点对应晶界击穿，电流达到mA/cm2量级常用电性能参数压敏电压U1mA：将1mA的直流电流通入样品，其交流成分不大于1%，在40mS~400mS内读取的样品两端电压值。将1mA的直流电流持续流经试品，U1mA不允许下降，一定幅度的上升是性能良好的表现，对于降低工频负载下的荷电率、提高老化寿命有较明显的益处。•漏电流IL：测试电压为（0.75±0.01）U1mA，加上电压后0.2S~2S内读取样品中的电流，漏电流不应随测试时间的增加而持续升高，持续降低是良好的表现。它表征了低电场区晶粒-晶界高阻层的绝缘场强。由三个电场划分可知，在1μA/cm2以下是属于低电场安全区，阀片漏流标准可以参照此确定。UL最新标准：0.88U1mA下小于200。常用电性能参数•电容性漏流Ic和电阻性漏流Ir:Ir的基波相位与电压u同相，Ic相位超前电压u90°，全电流基波相位取决于Ir与Ic分量的大小，可以采用补偿容性电流的方法直接测量泄漏全电流及阻性电流的大小。交流系统主要Ic非线性系数α：其定义是：I=K•Uα或J=K•Eα常用计算公式：α=1/lg(U1mA/U0.1mA)它表征了流过压敏片的电流在0.1～1mA区间段内电压的变化。对34×34mm的防雷阀片而言，与它对应的特性曲线区间段为0.01mA•cm-2～0.1mA•cm-2。它不能衡量阀片在大电流区的表现。由于击穿机理的不同，小电流区的α系数与大电流区的α系数完全没有对应关系。通常测量的都是小电流区的α系数，没有实用意义。常用电性能参数标称放电电流In：MOV能够承受规定次数和规定峰值的8/20μS冲击电流。8/20μS波形如图1规定。最大放电电流Imax：MOV的动作负载试验电流，除非另有规定，电流波形为8/20μS，Imax大于In。宽波冲击电流I2mS：规定波形的等效方波宽度≥100µS的冲击电流。除非另有规定，则为2mS方波。2mS方波波形如图2规定。是为了测试最大的能量吸收能力而采用的较长时间的脉冲电流。常用电性能参数T1T2TDTT100%90%50%10%图μ脉冲电流波18/20S图方波22mSTT12波前时间半峰值时间T2mSTDT峰值持续时间()总持续时间100%90%10%常用电性能参数8/20μS脉冲电流波与2mS方波标准波形残压Ur：单只MOV产品流过8/20μS冲击电流时，它两端的电压峰值。In下的限制电压Un：某批MOV产品在标称放电电流In下的最高残压值。工作电压UDC或UAC：在规定温度下，允许连续施加在压敏芯片上的最大直流电压UDC或最大交流电压的有效值UAC。在规定的工作电压时，导通电流较小可忽略不计。常用电性能参数限制电压测量注意事项在SPD的限制电压测试中，避免放电电流对测试系统特别是对分压器的干扰，对于保证测试结果的正确性是非常重要的。判别这种干扰是否严重的一个简单方法，是用一只合格的MOV代替试品，以要求的放电电流对它放电，用示波器测量MOV两引线紧挨电阻体部位的限制电压波形，它的峰点应与放电电流的峰点在时间上基本重合。因为，MOV是电阻性元件，电阻性元件的基本特性是其两端电压波形与流过它的电流波同相位，即电压波与电流波的峰点时间基本上重合（一般MOV的固有电容，和2cm长的引线电感，对限制电压的波形不会有明显影响）。如果限制电压波的峰点明显先于电流的峰点，则说明存在干扰，这种干扰，在多数情况下可通过调整分压器的空间位置和方向来消除。图F.4对此作了说明。图F.4.表示了以8/20电流测试MOV限制电压的情况。①是放电电流的波形，②和③是正常的限制电压波形，③对应的放电电流比②大，因此限制电压也高，但两者的峰点位置都与电流波的峰点基本重合。但有时观测到的限制电压波如④，这是在正常的限制电压波形上叠加了干扰电压⑤的结果。⑤是与放电电流①有磁耦合的电路中所产生的感应电压（干扰电压），若耦合系数为M，则这个电压为，可见，干扰电压的特点是在8/20电流的起始时刻最大，因为此刻的di/dt最大，而在8/20电流的峰点tm时刻，Ui=0。t①②③④⑤图F.4以8/20µs电流测试压敏电阻器（MOV）限制电压波形tm说明：①8/20µs电流波②8/20µs电流较小时的限制电压③8/20µs电流较大时的限制电压④叠加有干扰的限制电压⑤8/20µs电流波产生的干扰电压分量加速老化寿命：环境温度越高，加在压敏芯片上的荷电率越大，电阻性漏电流随时间t增大的速度就越快。因此，保证压敏芯片在规定的环境温度和荷电率下，具有要求的期望寿命。表.1提供了进行115℃，1000h老化试验所得出的最小期寿命的示例。常用电性能参数暂时过电压(TOV)耐受能力：在规定温度和试验条件下MOV耐受规定的暂时过电压（TOV）而不发生热击穿的能力。TOV以电压比值RTOV=UTOV/Uc，即工频暂时过电压有效值对MOV最大交流连续电压之比来表示。一定的试验条件：1A工频电流或1.6Uc下，在规定时间内压敏芯片不发生热击穿的能力。最大工频热稳定电压US：MOV能够在45min内达到热稳定（10min内温升小于2K）所容许施加的最大工频电压（飞舸提出，IEC已采纳）。常用电性能参数应用于SPD时应着重考核MOV芯片的哪些性能参数：1.TOV过电压耐受能力；2.加速老化寿命；3.同等规格芯片的8/20μS通流能力(通流量、耐受次数、U1mA及IL的变化情况)；4.同等规格、同等厚度芯片的限制电压水平。5.对漏电流、α系数等不能表征MOV芯片性能的小电流参数没有必要苛求。国外如爱普科斯的MOV泄漏电流IL通常在10～30μA左右、α系数在15～25左右，并不妨碍它成为业内的世界名牌。压敏芯片选用中应注意的要点