книги / Нелинейные металлоксидные полупроводники
..pdfПроблема создания электродов к варисторам в последнее время приобрела дополнительный интерес в связи с распространением кера мических диодов (вариатнтов), использующих неомические свойства монобарьерного перехода керамика — электрод (см. гл. 2).
Анализ неомических свойств электродов в рамках простой модели Шоттки, как показано в гл. 1, не приводит к однозначным выводам даже при изучении сколов кристаллов в вакууме отчасти из-за больших разногласий в определении работы выхода. Однако сравнительный ана лиз оксидов с разной степенью ионности химической связи с использо ванием значений электроотрицательности способствует уточнению моде ли Шоттки. В керамических оксидных полупроводниках, получаемых спеканием в окислительной среде, свойства контакта полупроводник — металл, очевидно, в значительной степени определяются поверхностны ми состояниями.
Чисто эмпирически установлено, что создание омического электрода к цинкоксидным варисторам не представляет проблем. Это связано, ви димо, с очень большой работой'выхода ZnO (около 4,5 эВ). В качестве омического электрода используют возжженное серебро, алюминий, на несенный шоопированием, и ряд других металлов. Применяется частич ная замена серебра в пасте для металлизации оксидной фазой, напри мер свинцовокислым барием, или многокомпонентной стеклофриттой на основе оксидов. Стеклофритта используется также для меднения или никелирования керамики, преимущественно конденсаторов из титаната бария; при этом вжигание осуществляется в бескислородной среде для предотвращения окисления металла.
Осуществление омического контакта к ВаТЮз, наоборот, является достаточно проблематичным. Серебро в контакте с полупроводниковым ВаТЮз образует потенциальный барьер со столь высокой удельной емко стью (до 1 мкФ/см2), что такие контакты находят специальное приме нение в конденсаторостроении.
Омическим электродом к ВаТЮз могут служить индий-галлиевая паста и некоторые другие сплавы на основе In, а также Ni, химически осажденный из раствора хлорида NiCl2 гипофосфитом с предваритель ным активированием поверхности хлористым палладием.
Способ нанесения сплавов на основе In также имеет значение: наи более эффективна металлизация с помощью ультразвуковой пайки. Электроды, полученные втиранием пасты на основе In, имеют повы шенное переходное сопротивление, неомичны и подвержены старению.
26. Пленочные варисторы
Необходимость в варисторах с двумерной конфигурадней очевидна. Нелинейные резистивные слои могут при меняться в электролюминесцентных индикаторах, а также в качестве покрытия керамических изоляторов для вырав нивания электрического потенциала по всей поверхности. Такие варисторы не являются пленочными и отчасти будут рассмотрены в гл. 5. Вместе с тем представляет большой практический интерес реализовать варистор с двумерной конфигурацией методами не керамической технологии, а технологии полупроводниковых приборов. Это способст вовало бы более широкому внедрению МОВ в электронику,
122
в которой в настоящее время они применяются лишь в виде дискретных приборов.
Такая задача решена лишь частично. В ряде работ соз дана технология получения толстых пленок нелинейных
металлоксидных полупроводников и толстопленочных |
ва- |
|||||||||
ристоров. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 84 показана структура толстопленочных цинк- |
||||||||||
оксидных варисторов |
планарного типа и типа «сандвич». |
|||||||||
Пленки |
нелинейного |
полупро |
|
|
|
|
|
|||
водника |
нанесены |
на |
керами |
|
|
|
|
|
||
ческую |
подложку |
из Â I2 O 3 . |
|
|
|
|
|
|||
Нелинейный |
полупроводник |
|
|
|
|
|
||||
состоял из ZnO и стеклооб |
|
|
|
|
|
|||||
разной |
фазы, |
образованной |
|
|
|
|
|
|||
смесью |
оксидов, |
например |
|
|
|
|
|
|||
ВаО— В2О3—ZnO либо В1'гОз— |
У /////////Ш |
Ж |
!, |
|||||||
ВаО—РЬО и др. Варистор- |
||||||||||
ный материал |
первоначально |
|
|
|
|
|
||||
получали в виде пасты, со |
|
|
|
|
|
|||||
державшей |
тщательно переме |
Рис. 84. |
Толстопленочные |
ва |
||||||
шанные порошки ZnO, стекло- |
ристоры |
планарного |
типа |
(а) |
||||||
фритты, |
необходимые |
добавки |
и типа «сандвич» (б). |
2— элект |
||||||
и органическую |
связку. На ке |
/ — подложка из |
ДЬОз; |
|||||||
роды; 3 — пленка |
варистора [35]. |
|||||||||
рамическую |
подложку |
в соот |
|
|
|
|
|
ветствии с исходным рисунком наносят печатным методом электрод из серебра или сплава серебра с палладием и вжигают. Также вжиганием формируется слой нелинейно го полупроводника. Таким .образом, при конструкции «сандвич» осуществляется трехкратное спекание, при пла нарной конструкции — двукратное. Поскольку температура •обжига цинкоксидной керамики намного превосходит тем пературу вжигания серебросодержащих паст, в данной технологии фактически осуществляется вплавление на под ложку легкоплавкого стекла, в котором распределены ча стицы ZnO.
Варисторы типа «сандвич» характеризуются более низ ким пороговым напряжением (от 5 до 100 В) и P=3-j-20, для варисторов планарного типа р может достигать 40 при варисторном напряжении свыше 100 В [35].
Полупроводниковый ВаТЮ3 обладает более сложным
химическим составом и соответственно более сложной тех нологией получения пленок: в частности, практически не удается снизить его температуру обжига.
Технологическая схема получения пленок BaTi03, об ладающих нелинейными ВАХ, приведена на рис. 85.
После прокаливания исходной смеси, содержащей титанат — оксалат бария и необходимые добавки, осуществля ется смешение в агатовой мельнице с этиловым спиртом (стадия а). После прокаливания в корундовом тигле в те
чение 3 ч при 1130°С размолотый и высушенный порошок смешивают с раствором тетрагидрофурана, содержащего
Рис. 85. Технологическая схема получения пленок полу проводникового титаната бария [61].
20% полистирола. На стадии б тестообразную массу на
носят на стеклянную подложку. После испарения тетра гидрофурана образуется пленка полистирола, содержащая исходные вещества. При этом должна выдерживаться оп тимальная плотность пленки около 0,6 г/см3. На стадии в
очищенные кусочки пленки подвергаются отжигу при600°С на металлической подставке для удаления органиче ской связки. Так как в процессе выжигания связки пленка становится пористой, к ней вновь припрессовывают пленку полистирола (стадия г). Вторичное выжигание полистнро-
ла при 800°С не приводит к росту пористости, поскольку препарат является двуслойным (пленки полупроводника иг полистирола разделены, стадия д ). Обжиг осуществляется
при температурах 1240— 1360°С в окислительной среде (стадия е).
Электрические свойства пленок полупроводникового ВаТЮз весьма схожи со свойствами керамики. Нелиней
ность ВАХ возникает выше точки Кюри |
и так |
же, как |
в объемных образцах, компенсирует позисторный |
эффект, |
|
на температурных кривых проводимости. |
|
|
Таким образом, современный уровень |
технологии пле |
ночных металлоксидных полупроводников позволяет полу чать многоэлементные пленочные варисторные структуры для электроники. Следует отметить, что пленки полупро водникового титаиата бария могли бы, очевидно, приме няться для компенсации температурных уходов параметров, тонкопленочных транзисторов, т. е. могли бы выполнять те же задачи, что и дискретный позистор, стабилизирующий; коллекторный ток транзистора.
Г л а в а п я т а я
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОКСИДЙЫХ ВАРИСТОРОВ
27. Технические характеристики варисторов
Варистор — двухполюсный нелинейный резистор, сопротивление ко торого управляется напряжением. Зависимость сопротивления от на пряжения приводит к тому, что статическое сопротивление U/I и ди намическое сопротивление dU /dl отличаются друг от друга. Степень
нелинейности ВАХ характеризуют коэффициентом нелинейности р, рав ным отношению динамической и статической проводимости:
d i |
U__ |
dU |
(98) |
/ |
|
По экспериментальной ВАХ р можно определить графически |
|
(рис. 86) |
(99) |
P-î/m/Mm. |
•Коэффициент нелинейности однозначно характеризует нелинейные' свойства, если ВАХ имеет степенной вид:
f = BUP; U = А 1 Л, |
(100) |
где коэффициенты А, В, о, (5 связаны между собой соотношениями
&= ■-*; В = А-г>. |
(101). |
В большинстве случаев, однако, аппроксимация ВАХ степенным вы ражением является приблизительной и р зависит как от напряжения,.
так л от ширины интервала Д£/, для которого он определяется. Для расчета р достаточно измерить две точки ВАХ:
p=ln (/2//i)/ln (t/i/üj). |
(102) |
На практике приходится оговаривать, к какому значению отноше ния / 2/Л относится данное значение 8. Если для простоты выбрать Л /Л = Ю, то
(103)
В целях упрощения спецификации в технической документации для японских варисторов часто приводится «коэффициент напряжения», равный отношению U2IU\ при условии, что
соответствующие токи связаны отношени ем /2= 10/1. При этом U\ представляет со
бой классификационное напряжение варистора при заданном классификационном то ке 1\. Иногда коэффициент напряжения,
называемый также защитным отношением, употребляется в более широком смысле, и кратность тока по отношению к классифи кационному току выбирается произвольно.
Для оценки влияния температуры на ВАХ используют несколько параметров. К ним относятся температурные коэффи циенты сопротивления TKR, тока TKI и напряжением TKU. Температурный коэф
фициент сопротивления можно определить из выражения
R = C exp |
dR |
(104) |
|
|
dT ‘ |
Полученное значение иногда |
называют также коэффициентом тем |
пературной чувствительности. Для конкретных типов варисторов часто используют
TKR= |
юо, |
(105) |
*<1V 2 |
11/ |
|
где /?2, Ri соответствуют температурам |
Г2, Ти и |
|
|
ш = Т7т ~ тУ 10°- |
(Ю6) |
|
который более |
удобен как сравнительный |
параметр |
в применении |
к определенному типу варисторов. |
|
|
|
За рубежом |
в спецификации варисторов |
часто применяется темпе |
ратурный коэффициент классификационного напряжения. Так, для японских варисторов ZNR независимо от конкретного типа в техниче ской документации гарантируется максимальное значение — 0,05%-оС_1, определенное как
|
" и , - и к. 100, |
( 1 0 7 ) |
|
Uк, ' 50 |
|
где |
— классификационное напряжение при 70“ С; |
Uk — при 20° С. |
326
Ближайшие аналоги МОБ — варисторы на основе карбида кремзшя, селеновые, мощные кремниевые стабилитроны и искровые разрядлики, как правило, лишены хотя бы одного из упомянутых качеств. Высокая крутизна ВАХ обеспечивает эффективность подавления элек трических пульсаций, при этом рассеиваемая мощность остается в де сятки тысяч раз меньше, чем при использовании варисторов с низким значением Р, например SiC. В то же время высоконелинейные кремние вые стабилитроны отличаются низкой устойчивостью к токовым пере грузкам.
Рис. 87. Схематическое изобра жение ВАХ варистора (а) и
экспериментальная ВАХ при различном масштабе по току (б, в).
Рис. 88. Зависимость Р от ко эффициента напряжения U2fV\
при различном отношении / 2//1 (цифры на кривых) [62].
В табл. 11 представлен сравнительный анализ электрических пара метров, характеризующих способность подавлять коммутационные пуль сации, условно характеризуемые прямоугольным импульсом длительно стью 1 мс (приведены пиковые значения). Сравниваются данные для произвольно выбранного МОВ (диск диаметром 26,2 мм), селена и •кремниевого стабилитрона.
Т а б л и ц а И
аксиМ |
мальный ток,А |
Прибор |
|
МОВ (26,2 мм) |
65 |
S e -варистор |
30 |
.Мощный диод |
Зииера 5,7 |
(стабилитрон) |
|
Мощность, |
Энергия, |
Защитное |
Объем. |
кВт |
Дж |
отношение |
см» |
|
|
(/а=10 А) |
|
18 |
18 |
2 ,0 |
4,4 |
9 |
9 |
2,3 |
20 |
1,65 |
1,65 |
1,65 |
0,5 |
Видно, что МОВ по всем параметрам превосходят селеновые ва ристоры, а диодам Зинера несколько уступают в защитном отношении (т. е. в степени нелинейности ВАХ), но превосходят в устойчивости к токовым перегрузкам.
Я28
Замечательным свойством MOB является малое время перехода из непроводящего в проводящее состояние — меньше 50 нс. При исполь зовании для подавления перегрузок по напряжению МОВ отличаются практической безынерционностью, т. е. отсутствием времени задержки,
атакже отсутствием послеразрядного тока (рис. 89).
Внастоящее время предпринимаются попытки избавиться от, по жалуй, единственного ощутимого недостатка МОВ—-большой собст венной емкости, ограничивающей применение этих приборов на пере менном токе частотами около 10 кГц.
Рис. 89. |
Подавление |
|
пульсации |
напряже |
|
ния |
(/) |
с помощью |
искрового |
разрядни |
|
ка |
(2) и |
цинкоксид- |
ного варистора (3).
т — время запаздыва ния разрядника.
28. Варисторы с малым коэффициентом нелинейности
Наиболее развитым направлением применения металлоксидиых варисторов является защита электрических цепей, приборов, элементов схем и коммутирующих устройств от перегрузок по^ току и напряже нию. В 60-х годах были разработаны первые нелинейные металлоксид-
ные резисторы |
на |
основе |
ZnO(Ti) и |
|
|||
ZnO ( Sn ) с |
добавлением |
стеклообра |
|
||||
зующих оксидов. Преимуществом |
этих |
|
|||||
сопротивлений |
является высокая |
устой |
|
||||
чивость к импульсным нагрузкам. Так, |
|
||||||
сопротивления из материала серии ЦТ |
|
||||||
(расшифровку обозначения см. в гл. 2) |
|
||||||
выдерживают |
многократно |
единичные |
|
||||
импульсы с удельной энергией 50 Дж/см3 |
|
||||||
и обладают удельной энергией разруше |
|
||||||
ния более 1000 Дж/см3. На основе этих |
|
||||||
материалов промышленностью |
выпуска |
|
|||||
ются варисторы типов НС-1 и НС-2, яв |
|
||||||
ляющиеся основными |
элементами |
нели |
|
||||
нейных выравнивателей типов НВО |
(од |
|
|||||
нодисковый) и НВД (двухдисковый). |
|
||||||
Такие выравниватели широко распростра |
Рис. 90. ВАХ и сопротивле |
||||||
няются для защиты от перенапряжений |
|||||||
ние варистора НС-1. |
|||||||
рельсовых цепей автоблокировки на не- |
|||||||
|
|||||||
электрифицированных |
участках |
желез |
|
ных дорог. Выравниватели НВО включаются на приемном конце
рельсовой |
цепи параллельно |
обмотке путевого реле, НВД уста |
новлены на |
питающем конце |
рельсовой цепи параллельно источни |
ку питания. При рабочем напряжении рельсовой цепи высокое сопро тивление выравнивателя не влияет на работу путевых приборов. При
перенапряжениях сопротивление выравнивателя резко падает, чем до стигается шунтирование путевых приборов от опасных перегрузок по току и напряжению. Из ВАХ варистора НС-1 (рис. 90) видно, что пе ренапряжение 100 В вызывает падение сопротивления до 200 Ом. Варисторы НС-1 и НС-2 изготовлены в виде шайб, что обеспечивает крепление -их на стандартных выводах.
|
|
НС-1 |
НС-2 |
Химический состав ......................... |
|
ЦТ-30Ф1 |
|
СопроIивление при рабочем напря |
1—3,5 |
4— 10 |
|
жении, кОм..................................... |
мм |
||
Размеры (диаметрХтолщнна), |
50+ 1X 5,5 + 0 ,5 2 0 + 0 ,5 X 4 ,5 + 0 ,5 |
||
Пропускная способность по |
току |
е менее 60 импульсов с |
амплитудой |
|
|
3 кА при форме импульса 20/40 мкс. |
|
|
|
Остатбчное напряжение на НС-1 не |
|
|
|
превышает 1400 В |
|
Варисторы НС-2 дополнительно могут выдерживать ток 2 А про мышленной частоты в течение 40 с, их TKR в интервале — 40-г—(-60 °С
не превышает 0,5 %/<К.
На основе оксидного материала ЦО-54 разработаны сопротивления НС-220 для защиты линейных электрических цепей автоблокировки же лезных дорог с рабочим напряжением 220 В промышленной частоты. Они изготовлены в виде шайб с внешним диаметром 54, внутренним — И и толщиной 5 мм. В дальнейшем (1971 г.) были разработаны анало гичные варисторы на напряжение 400 В на основе цинкоксидной керами ки со стеклообразующей добавкой (ЦО=63-(-2% Н 3 В О 3 ) , TK R= \ %/К,
ток утечки при рабочем напряжении 400 'В (действующее значение на пряжения на промышленной частоте) не превышает 10 мА, (3^5.
Высоковольтные варисторы, например, типа ВНКС-25 (В — высоко вольтное, Н — нелинейное, К — керамическое, С — сопротивление, 25 — номинальное напряжение в киловольтах), разработанные в 1969 г., пред назначены для снижения уровня коммутационных перенапряжений на электрооборудовании. Такие варисторы устанавливаются на электроподвижном составе электрифицированных железных дорог и эксплуа тируются на открытом воздухе при температуре окружающей среды — 50ч—[-80 °С и относительной влажности до 90%. Варистор ВНКС-25 м предназначен для шунтирования контактов высоковольтного выключа теля ВОВ-25-4 и представляет собой конструкцию из 15 керамических дисков, изготовленных из материала ЦТ-60-Ф2 и помещенных в изоли рующие фарфоровые покрышки.
Номинальное действующее напряжение, |
кВ . . |
|
|
25 |
|
Максимальное испытательное напряжение, кВ |
|
|
70 |
|
|
Максимальный ток, А, при напряжении, кВ: |
|
|
0,45 |
|
|
26. |
|
|
|
|
|
41 |
|
|
|
3 |
|
5 0 ..................................................................................... |
|
|
|
7,5 |
|
Коэффициент нелинейное! н в интервале |
26—41 |
кВ |
|
4—5 |
|
Ток утечки, мА: |
|
|
|
20—30 |
|
при 25°С и £/=15 кВ |
|
|
Не |
|
|
при выпадении росы . |
|
|
более 35 |
||
Ток при U =500 В, м к А ............................ |
|
. |
Не |
менее |
1,5 |
TRR в интервале—50-Г-+80 °С, %- К”1 . . |
Не более |
0,55 |
|||
Электрическая прочность изоляции при |
ширине |
им |
|
70 |
|
пульса 2 мс (коммутационный режим), |
кВ |
|
|
|