книги / Нелинейные металлоксидные полупроводники

Проблема 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

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

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:

•Коэффициент нелинейности однозначно характеризует нелинейные' свойства, если ВАХ имеет степенной вид:

где коэффициенты А, В, о, (5 связаны между собой соотношениями

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:

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

пературной чувствительности. Для конкретных типов варисторов часто используют

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

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

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