Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний

Проведено моделирование деформации импульсных вольт-амперных характеристик (ВАХ) отдельного межкристаллитного потенциального барьера при переходных процессах поляризации/деполяризации, связанной с перезарядкой поверхностных электронных состояний, которые обусловливают этот барьер. Установлено, что в...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Тонкошкур, А.С., Иванченко, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2014
Назва видання:	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
Теми:	Функциональная микро- и наноэлектроника
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100461
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний / А.С. Тонкошкур, А.В. Иванченко // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 5-6. — С. 15-23. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100461
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1004612025-02-10T01:45:18Z Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний Кінетика деформації ВАХ оксидних варисторних структур,обумовленої перезарядженням локалізованих станів Kinetics deformation of current-voltage characteristics of the varistor oxide structures due to overcharging of the localized states Тонкошкур, А.С. Иванченко, А.В. Функциональная микро- и наноэлектроника Проведено моделирование деформации импульсных вольт-амперных характеристик (ВАХ) отдельного межкристаллитного потенциального барьера при переходных процессах поляризации/деполяризации, связанной с перезарядкой поверхностных электронных состояний, которые обусловливают этот барьер. Установлено, что в зависимости от концентрации и степени заполнения этих поверхностных состояний электронами воздействие постоянного напряжения может привести к смещению импульсных ВАХ в область больших или же малых токов. Показана возможность применения найденных закономерностей для керамических варисторных структур. Предложенная модель позволяет интерпретировать наблюдаемые при испытаниях варисторов на ускоренное старение «аномальные» эффекты, такие как возрастание классификационного напряжения и уменьшение мощности активных потерь. Проведено моделювання деформації імпульсних вольт-амперних характеристик (ВАХ) окремого міжкристалітного потенціального бар'єру під час перехідних процесів поляризації/деполяризації, пов'язаної з перезаряджанням поверхневих електронних станів, які обумовлюють цей бар'єр. Встановлено, що залежно від концентрації і ступеня заповнення цих поверхневих станів електронами вплив постійної напруги може привести до зміщення імпульсних ВАХ в область великих або ж малих струмів. Показано можливість застосування знайдених закономірностей для керамічних варисторних структур. Запропонована модель дозволяє інтерпретувати спостережувані при випробуваннях варисторов на прискорене старіння «аномальні» ефекти, такі як зростання класифікаційної напруги та зменшення потужності активних втрат. Prolonged exposure of zinc oxide varistors to the electrical load leads to current-voltage characteristics (CVC) deformation, which is associated with a change in the height and width of the intergranular barriers, which are main structural element of the varistors. Polarization phenomena in zinc oxide ceramics are studied in a number of works, but those are mainly limited to the study of the physics of the CVC deformation process and to determining the parameters of localized electronic states involved in this process. This paper presents the results on the simulation of the deformation of pulse CVC of a separate intergranular potential barrier at transient polarization/depolarization, associated with recharging of surface electronic states (SES), which cause this barrier. It is found that at high density of SES their degree of electron filling is small and the effect of DC voltage leads to a shift of pulse current-voltage characteristics into the region of small currents. Conversely, the low density SES are almost completely filled with electrons, and after crystallite polarization CVC is shifted to high currents. Experimental studies have confirmed the possibility of applying the discovered laws to ceramic varistor structures. The proposed model allows interpreting the «anomalous» effects (such as increase in the classification voltage and reduction of active losses power) observed during the varistors accelerated aging test. 2014 Article Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний / А.С. Тонкошкур, А.В. Иванченко // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 5-6. — С. 15-23. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2014.2.15 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100461 621.316.8 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре application/pdf Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Функциональная микро- и наноэлектроника Функциональная микро- и наноэлектроника
spellingShingle	Функциональная микро- и наноэлектроника Функциональная микро- и наноэлектроника Тонкошкур, А.С. Иванченко, А.В. Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний Технология и конструирование в электронной аппаратуре
description	Проведено моделирование деформации импульсных вольт-амперных характеристик (ВАХ) отдельного межкристаллитного потенциального барьера при переходных процессах поляризации/деполяризации, связанной с перезарядкой поверхностных электронных состояний, которые обусловливают этот барьер. Установлено, что в зависимости от концентрации и степени заполнения этих поверхностных состояний электронами воздействие постоянного напряжения может привести к смещению импульсных ВАХ в область больших или же малых токов. Показана возможность применения найденных закономерностей для керамических варисторных структур. Предложенная модель позволяет интерпретировать наблюдаемые при испытаниях варисторов на ускоренное старение «аномальные» эффекты, такие как возрастание классификационного напряжения и уменьшение мощности активных потерь.
format	Article
author	Тонкошкур, А.С. Иванченко, А.В.
author_facet	Тонкошкур, А.С. Иванченко, А.В.
author_sort	Тонкошкур, А.С.
title	Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний
title_short	Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний
title_full	Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний
title_fullStr	Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний
title_full_unstemmed	Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний
title_sort	кинетика деформации вах оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний
publisher	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Функциональная микро- и наноэлектроника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100461
citation_txt	Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний / А.С. Тонкошкур, А.В. Иванченко // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 5-6. — С. 15-23. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.
series	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
work_keys_str_mv	AT tonkoškuras kinetikadeformaciivahoksidnyhvaristornyhstrukturobuslovlennaâperezarâdkoilokalizovannyhsostoânii AT ivančenkoav kinetikadeformaciivahoksidnyhvaristornyhstrukturobuslovlennaâperezarâdkoilokalizovannyhsostoânii AT tonkoškuras kínetikadeformacíívahoksidnihvaristornihstrukturobumovlenoíperezarâdžennâmlokalízovanihstanív AT ivančenkoav kínetikadeformacíívahoksidnihvaristornihstrukturobumovlenoíperezarâdžennâmlokalízovanihstanív AT tonkoškuras kineticsdeformationofcurrentvoltagecharacteristicsofthevaristoroxidestructuresduetooverchargingofthelocalizedstates AT ivančenkoav kineticsdeformationofcurrentvoltagecharacteristicsofthevaristoroxidestructuresduetooverchargingofthelocalizedstates
first_indexed	2025-12-02T13:39:09Z
last_indexed	2025-12-02T13:39:09Z
_version_	1850403978462887936
fulltext	Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 15 ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ ISSN 2225-5818 ÓÄÊ 621.316.8 Д. ф.-м. н. А. С. ТОНКОШКУР, к. ф.-м. н. А. В. ИВАНЧЕНКО Украина, Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара E-mail: IvanchenkoAV@ukr.net КИНЕТИКА ДЕФОРМАЦИИ ВАХ ОКСИДНЫХ ВАРИСТОРНЫХ СТРУКТУР, ОБУСЛОВЛЕННАЯ ПЕРЕЗАРЯДКОЙ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ СОСТОЯНИЙ Длительное воздействие электрической на- грузки на оксидно-цинковые варисторы приво- дит к деформации их вольт-амперных характе- ристик (ВÀХ), которую связывают с измене- нием высоты и ширины межкристаллитных ба- рьеров, являющихся основным их структурным ðàбîчèм ýëåмåíòîм. Óêàзàííыé ïðîцåññ мîжåò быть вызван миграцией ионов висмута, кобальта [1] или цинка [2] к границе кристаллитов (зе- рен ZnO) при протекании тока, десорбцией кис- ëîðîдà [3, 4], èзмåíåíèåм зàïîëíåíèÿ ãëóбîêèõ поверхностных электронных состояний (ПÝС) íà ãðàíèцàõ êðèñòàëëèòîâ ZnO [5—7]. Наиболее известные механизмы, связанные с миграцией ионов и десорбцией кислорода, про- анализированы в рамках электромиграционной [8, 9] и термодесорбционной [10] моделей де- ãðàдàцèè. Эòè мåõàíèзмы ïðèâîдÿò ê óмåíьшå- нию классификационного напряжения и увели- чению тока (или активной мощности рассеяния) в диапазоне предваристорного участка ВАХ в ïðîцåññå ýëåêòðèчåñêîé дåãðàдàцèè. Òåм íå мå- нее, в некоторых случаях при производственных испытаниях варисторов на стабильность имеют место аномальные эффекты, которые не могут быòь îбъÿñíåíы â ðàмêàõ óêàзàííыõ мîдåëåé. В частности, для отдельных видов керамики при испытаниях на «ускоренное старение» наблю- дается увеличение электрического сопротивле- ния [11] и уменьшение активной мощности рас- ñåÿíèÿ [12]. Вîзмîжíîñòь èíòåðïðåòàцèè ýòèõ аномалий в рамках представлений о перезаряд- ке локализованных электронных состояний не выяснена, несмотря на то, что такие переходные Проведено моделирование деформации импульсных вольт-амперных характеристик (ВАХ) отдель- ного межкристаллитного потенциального барьера при переходных процессах поляризации/деполя- ризации, связанной с перезарядкой поверхностных электронных состояний, которые обусловлива- ют этот барьер. Установлено, что в зависимости от концентрации и степени заполнения этих поверхностных состояний электронами воздействие постоянного напряжения может привести к смещению импульсных ВАХ в область больших или же малых токов. Показана возможность при- менения найденных закономерностей для керамических варисторных структур. Предложенная мо- дель позволяет интерпретировать наблюдаемые при испытаниях варисторов на ускоренное старе- ние «аномальные» эффекты, такие как возрастание классификационного напряжения и уменьше- ние мощности активных потерь. Ключевые слова: вольт-амперная характеристика, поверхностные электронные состояния, варистор, деградация, поляризация, деполяризация, уход напряжения, релаксация, межкристаллитный барьер. поляризационные явления оказывают влияние на формирование электрических свойств вари- сторных структур, в частности обусловливают дåфîðмàцèю èõ ВАХ. Òàêжå íåò дåòàëьíыõ èñ- следований и моделей, учитывающих это в про- цåññàõ дåãðàдàцèè âàðèñòîðîâ. Следует отметить, что исследованиям поляри- зационных явлений в оксидно-цинковой керами- êå ïîñâÿщåí ðÿд ðàбîò [13—15]. Одíàêî èõ íà- правленность ограничивается в основном изуче- нием физики механизмов этих процессов и опре- делением параметров участвующих в них лока- ëèзîâàííыõ ýëåêòðîííыõ ñîñòîÿíèé. Äàííыå îб изучении изменений ВАХ и их параметров (ко- эффициента нелинейности, токов утечки и клас- сификационного напряжения), важные, прежде всего, для обоснования конкретных методов кон- òðîëÿ, â ëèòåðàòóðå îòñóòñòâóюò. Одíèм èз ïåð- спективных средств анализа комплекса проявле- ний поляризационных процессов в рассматрива- емых объектах может быть исследование поведе- ния импульсных ВАХ, при измерении которых можно пренебречь изменением температуры и за- полнения образующих межкристаллитные барье- ðы ïîâåðõíîñòíыõ ëîêàëèзîâàííыõ ñîñòîÿíèé. Целью настоящей работы было проведение моделирования деформации импульсных ВАХ отдельного межкристаллитного потенциального барьера в переходных процессах зарядовой по- ляризации/деполяризации и эксперименталь- ных исследований смещений классификацион- ного напряжения высоковольтных варисторных керамических структур в процессе деградации èõ õàðàêòåðèñòèê ïðè ïîñòîÿííîм òîêå. DOI: 10.15222/TKEA2014.2.15 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 16 ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ ISSN 2225-5818 ÒÅÎÐÅÒÈЧÅСÊÀЯ ÌÎДÅËÜ ДÅÔÎÐÌÀÖÈÈ ВÀХ Базовые уравнения поляризации/деполяризации Основная цель теоретической модели — уста- новить связь между импульсными полевыми за- âèñèмîñòÿмè ýëåêòðîïðîâîдíîñòè, ò. å. зàâèñè- мостями, определенными при фиксированных зàðÿдàõ íà ПЭС, è ïàðàмåòðàмè ñàмèõ ëîêàëè- зîâàííыõ ñîñòîÿíèé. Керамика, предназначенная для оксидно- цинковых варисторов, состоит из сильно ле- гированных полупроводниковых (n-типа про- водимости) кристаллических зерен ZnO и не- бîëьшîãî êîëèчåñòâà мåжêðèñòàëëèòíîé фàзы. Эëåêòðèчåñêèå ñâîéñòâà âàðèñòîðíîé êåðàмèêè контролируются межкристаллитными потенци- альными (ÌП) бàðьåðàмè. Эòè бàðьåðы îбðà- зованы истощенными приповерхностными об- ластями пространственного заряда (ÎПЗ) двух соседних зерен ZnO и тонким слоем (2 нм) ди- электрической межкристаллитной (ÌÊ) фазы мåждó íèмè [16]. Глубокие локализованные состояния на гра- нице «полупроводник — диэлектрик» являют- ся причиной изгиба энергетических зон в припо- верхностных областях полупроводниковых кри- ñòàëëèòîâ. В ïîñòîÿííîм ýëåêòðèчåñêîм ïîëå èз- гиб зон на одной стороне границы кристаллита óмåíьшàåòñÿ, à íà дðóãîé óâåëèчèâàåòñÿ. Эòî приводит к поляризации образца за счет допол- нительного захвата и потери заряда (электро- нов) поверхностными и объемными локализо- ванными состояниями, которые энергетически расположены вблизи уровня Ферми, а простран- ственно — на обеих сторонах тонкого диэлектри- чåñêîãî мåжêðèñòàëëèòíîãî ñëîÿ. Пåðåзàðÿдêà локализованных состояний происходит преиму- щественно за счет электронных переходов меж- ду локализованными состояниями и зоной про- âîдèмîñòè êðèñòàëëèòîâ ZnO. Пîñëå òîãî êàê электрическое поле уменьшается до нуля, на- чèíàåòñÿ дåïîëÿðèзàцèÿ îбðàзцà. Пðè âîзâðà- щении образца в исходное состояние происхо- дят обратные изменения в заполнении локали- зîâàííыõ ñîñòîÿíèé. Для того чтобы при анализе кинетики де- формации ВАХ оксидных варисторных струк- òóð óчèòыâàòь òîëьêî ПЭС, ñëåдóåò ïðèíÿòь âî âíèмàíèå ñëåдóющåå. Во-первых, причиной переходных поляри- зационных/деполяризационных явлений в ис- следуемых структурах является наличие в кри- сталлитах ZnO перезаряжающихся объемных и поверхностных локализованных электрон- íыõ ñîñòîÿíèé [16, 17]. Пðè ýòîм ïåðåзàðÿд- ка объемных локализованных состояний доми- нирует при малых поляризующих напряжени- ях (не выходящих за пределы предваристорно- ãî óчàñòêà ВАХ). Пðè âыñîêîé òåмïåðàòóðå è сильном электрическом поле (в том числе и им- пульсном) переходной процесс определяют бо- лее «медленные» электронные состояния — по- âåðõíîñòíыå [18, 19]. Во-вторых, изменение рельефа МП-барьера вызывает только зарядка и разрядка глубоких ПЭС, чòî â èòîãå îòðàжàåòñÿ íà фîðмå èмïóëьñ- ных ВАХ образцов, поскольку во время их изме- рения распределение заряда на локализованных ñîñòîÿíèÿõ ïðàêòèчåñêè íå óñïåâàåò èзмåíèòьñÿ. Построение модели деформации ВАХ осно- вано на определении кинетики функций запол- íåíèÿ ПЭС ýëåêòðîíàмè â êðèñòàëëèòå ïðè åãî зарядке (поляризации) и разрядке (деполяри- зации) и исследовании изменений импульсных ВАХ (или их параметров) в зависимости от зна- чåíèé ýòèõ фóíêцèé. Кинетика перезарядки локализованных состояний При анализе электрических переходных про- цессов в варисторах в качестве их элемента ис- пользовали одномерную дипольную варистор- ную ячейку — полупроводниковый слой окси- да цинка (толщиной около 10 мкм), заключен- íыé мåждó îïèñàííымè âышå МП-бàðьåðàмè. Изменение во времени (t) зàðÿдà ПЭС (дëÿ простоты принят один тип состояний) на грани- цах кристаллита размером 2a с центром коорди- нат в его середине: ∆Q(± a,t) = –e⋅N(f(±a,t) – – f(±a,0)) при приложении и снятии электриче- ского напряжения к варисторной структуре опре- деляется путем решения соответствующих кине- тических уравнений для неравновесной функции зàïîëíåíèÿ ПЭС ýëåêòðîíàмè f(±a,t) в рамках статистики Шокли—Рида—Холла [20]: df(±a,t)/dt = = cS –([1 – f(±a,t)] ⋅ n(±a,t) – f(±a,t)⋅N–), (1) коэффициент захвата электронов поверх- ностным уровнем; распределение концентрации свободных электронов на границах полупроводни- ковых кристаллитов; приведенная эффективная концентрация электронов в зоне проводимости для дан- íîãî ПЭС. где cS – — n(±a,t) — N– — При этом n(±a,t) = n0– exp(Y(±a,t)); N – = NC exp(–∆ES/(kBT)), где n0– — объемная концентрация свободных элек- тронов в полупроводниковых кристалли- тах, n0– = NC exp(–∆ECF/(kBT)); Y(±a,t) — безразмерные изгибы энергетических зон в ОПЗ полупроводникового кристаллита, Y(±a,t) = e(ϕ(±a,t)–ϕ0)/(kBT); NC — эффективная плотность состояний в зоне проводимости; ∆ES — ýíåðãèÿ èîíèзàцèè ПЭС; kB — постоянная Больцмана; Т — температура; ∆EСF — энергетическое расстояние между уровнем Ферми и дном зоны проводимости; Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 17 ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ ISSN 2225-5818 ϕ(±a,t) — электрический потенциал; e — ϕ0 — заряд электрона; ïîòåíцèàë â îбъåмå ïîëóïðîâîдíèêà. При решении уравнения (1) используются следующие начальные условия: — при приложении электрического напряже- ния (поляризации) f(±a,0) = fSF; (2) — при снятии электрического напряжения (деполяризации) f(±a,0) = fpol(±a,tpol). (3) Здесь fSF — функция Ферми, определяю- щàÿ зàïîëíåíèå ПЭС â ðàâíîâåñíыõ óñëîâèÿõ, fSF = [1+exp(∆ES/(kBT)–YS0)]–1; YS0 — равно- весное значениe Y(±a,t) (дî ïåðåзàðÿдêè ПЭС); fpol(±a,tpol) — значениe функции заполнения ПЭС ýëåêòðîíàмè â мîмåíò îêîíчàíèÿ дåéñòâèÿ поляризующего напряжения (tpol). Распределение потенциалa Для нахождения распределения потенциала на поверхности раздела полупроводников «ZnO — диэлектрическая МК-фаза» при поляриза- ции (Ypol(±a,t)) и деполяризации (Y(±a,t)) ис- пользовались условия непрерывности электри- ческой индукции на границах «изолятор — по- лупроводник» [18] – ;, , d V t dx d x t eN f a td d s x a S0 3 0ε ε ε ε ϕ = + =- ] ] ] g g g (4) ,, , dx d x t d V t eN f a ts x a d d S0 0 3ε ε ϕ ε ε= + = ] ] ] g g g (5) электрическая постоянная; относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и МК-фазы, соответственно; падение напряжения Vb, приложенного к ди- польной ячейке варисторной структуры, на прослойке МК-фазы, Vз= Vb – ϕ(a) + ϕ(–a); толщина диэлектрической прослойки МК- фазы; êîíцåíòðàцèÿ ПЭС; kBT/(eL)⋅F(Y, ni/n0 –); [e0es kBT/(e2n0 –)]0,5 — длина экранирования; концентрация свободных носителей заряда â ñîбñòâåííîм ïîëóïðîâîдíèêå. где e0 — ed, es — Vз — dd — NS — dϕ/dx = L = ni — При этом F(Y, ni/n0 –) — первый интеграл уравнения Пуассона в теории области простран- ственного заряда для полупроводников с полно- стью ионизированными объемными примесями: F(Y, ni/n0 –) = sign(–Y)⋅{(ni/n0 –)2⋅[exp(–Y)+Y–1]+ +exp(Y)–Y–1}0,5 [20]. Система уравнений (1), (4) и (5) определяет êèíåòèêó ïåðåзàðÿдêè ПЭС (фóíêцèÿ f(±a,t)) для процесса поляризации равновесной вари- сторной структуры при использовании началь- ного условия (2) и процесса деполяризации по- ляризованной варисторной структуры при ис- ïîëьзîâàíèè íàчàëьíîãî óñëîâèÿ (3). К расчету импульсных ВАХ структур ZnO При расчете и анализе импульсных ВАХ оксидно-цинковых варисторных структур ис- пользована модель одномерного «микровари- стора», который представляет собой последо- вательное соединение объемной части кристал- лита и единичного МП-барьера, образованного прослойкой МК-фазы с примыкающими к ней îбåдíåííымè ОПЗ ñîñåдíèõ êðèñòàëëèòîâ [16]. При расчете ВАХ использована расчетная схема [21], в которой в качестве наиболее вероятных механизмов электропереноса через МП-барьер ïðèíÿòы ñëåдóющèå [16, 22]: — термоэлектронная эмиссия с туннелирова- нием через прослойку МК-фазы; — туннелирование между зонами проводи- мости соседних кристаллитов через ОПЗ и про- слойку; — переходы электронов с поверхности одно- го кристаллита через расположенные в пригра- íèчíîé îбëàñòè ïðîñëîéêè «мåдëåííыå» ПЭС c последующим туннелированием; — полевая эмиссия из валентной зоны одно- ãî êðèñòàëëèòà â зîíó ïðîâîдèмîñòè дðóãîãî. Деформация импульсных ВÀХ Решение системы уравнений (1), (4) и (5) для определения кинетики изменения поверх- ностного заряда представляет собой сложную математическую задачу, которая может быть ре- шена численными методами последовательных ïðèбëèжåíèé [18]. В зàâèñèмîñòè îò êîíêðåò- íîé ñèòóàцèè ýòà зàдàчà мîжåò быòь óïðîщåíà. В рамках используемой модели можно сделать упрощения, которые следуют из структуры и ýëåêòðèчåñêèõ ñâîéñòâ âàðèñòîðíîé êåðàмèêè. Первое упрощение базируется на том, что по- сле того как прекращается полевое воздействие íà âàðèñòîðíóю ñòðóêòóðó, íà ПЭС îдíîé èз сторон кристаллита ZnO всегда остается отри- цательный заряд, и по причине очень малой (на- нометровой) толщины диэлектрической прослой- ки МК-фазы влияние этого заряда распростра- няется на приповерхностную область соседнего êðèñòàëëèòà. Òàêèм îбðàзîм, èñòîщàющèé èз- ãèб зîí ïðèñóòñòâóåò âñåãдà. Второе упрощение основано на анализе [17], где показано, что переходные процессы опреде- ляются зависящими от времени параметрами, ко- торые характеризуются постоянной времени ре- ëàêñàцèè. Влияние величины постоянного поляризующего напряжения Исследования проводились с помощью им- пульсных ВАХ МП-барьеров в поляризован- ном состоянии после воздействия постоянно- го напряжения Vdc в течение времени tdc (вре- мÿ зàðÿдêè). Для получения ВАХ сначала при заданном Vdc из условий непрерывности потенциала и электрической индукции (4), (5) и неравновес- Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 18 ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ ISSN 2225-5818 íыõ фóíêцèé зàïîëíåíèÿ ПЭС ýëåêòðîíàмè ïðî- водился расчет стационарных функций запол- íåíèÿ ПЭС ýëåêòðîíàмè f(±a, tdc). Äëÿ ýòîãî была использована формула, полученная реше- нием (1) с начальным условием (2) при выше сформулированных приближениях: – – ( , ) , , exp , f a t f a t f f a t dt * dc dc SF dc t 0 dc ! ! ! $ τ = + + l r ^ ^ f h h p7 A # (6) где ;a c n a N– – – S 1 ! $ !τ = +r r] ]_g g i6 @ , , , ;n a n a n a t0 5 0 * dc! ! !. +r] ] ^g g h7 A время, достаточное для полного установ- ления поляризации (предельной зарядки); ïåðåмåííàÿ èíòåãðèðîâàíèÿ ïî âðåмåíè. tdc — t' — Неравновесные изгибы зон Y(±a, tdc) нахо- дили из условий непрерывности (4), (5) при Vdc = 0. Зàòåм ïðè зíàчåíèÿõ фóíêцèé f(±a, tdc), îïðåдåëÿåмыõ èз (6), íàõîдèëè ïëîòíîñòь òîêà jp(Vp, tdc), протекающего при измерении ВАХ через МП-барьер при приложении к нему на- пряжениия Vp. На рис. 1 представлены импульсные ВАХ от- дельного «микроваристора» до и после воздей- ствия постоянного напряжения Vdc (соответству- ющего jdc = 0,1 мА/см2) в течение времени tdc. При расчетах были приняты типичные для кри- сталлитов ZnO значения концентрации свобод- ных электронов n– 0 = 1017 см–3 и энергии иониза- цèè ПЭС ∆ES = 0,8 ýВ. Êàê âèдíî èз ðèñóíêà, ВАХ существенно изменяются в предваристор- íîé îбëàñòè. Иíòåíñèâíîñòь è зíàê ýòèõ èзмåíå- íèé зàâèñÿò îò êîíцåíòðàцèè ПЭС è ñòåïåíè èõ заполнения в исходном равновесном (неполяри- зованном) состоянии: при малой концентрации (NS=1012 см–2) ВАХ смещается вверх, в область больших токов, если же концентрация близка к предельной (1013 см–2) [23], òî íàîбîðîò. Оòмåòèм, чòî íà ðèñ. 1 ïðèâåдåíы ВАХ, ïî- лученные при одинаковой полярности постоянно- го (jdс) и импульсного (jр) òîêîâ. Пðè ïðîòèâî- положной полярности их поведение аналогичное ñ íåêîòîðымè îòëèчèÿмè àбñîëюòíыõ âåëèчèí. Интерпретация полученных результатов мо- жет быть дана на основе представлений о фор- мировании МП-барьера зарядом, захваченным ПЭС [16, 21]. В зàâèñèмîñòè îò êîíцåíòðàцèè ПЭС è ñòåïåíè èõ зàïîëíåíèÿ ýëåêòðîíàмè фîð- мèðóåòñÿ âыñîòà è шèðèíà МП-бàðьåðà. Пðè NS = 1012 см–2 ПЭС ïðàêòèчåñêè ïîëíîñòью зà- полнены электронами (f(±a,0) ≈ 0), и воздействие напряжения Vdc может привести только к умень- шению степени их заполнения в ОПЗ, смещен- íîé â îбðàòíîм íàïðàâëåíèè. В ðåзóëьòàòå îб- щèé зàðÿд íà ПЭС óмåíьшàåòñÿ, чòî ïðèâîдèò ê снижению высоты МП-барьера и смещению им- ïóëьñíыõ ВАХ ââåðõ (ðèñ. 1, êðèâыå 1 и 1'). Пðè NS = 1013 см–2 íàîбîðîò: ПЭС ïðàêòèчåñêè ïóñòы (fSi(0)≈0), поэтому приложение напряжения при- водит к заполнению их электронами в ОПЗ, сме- щåííîé â ïðÿмîм íàïðàâëåíèè. Òàêèм îбðàзîм, высота МП-барьера увеличивается, а импульс- íыå ВАХ ñмåщàюòñÿ âíèз (ðèñ. 1, êðèâыå 2 и 2'). На рис. 2 и 3 представлены зависимости таких характеристик импульсных ВАХ, как «уход» напряжения dVр* =(Vр* –Vр)/Vр и изме- нение плотности тока jр* /jр после предельной за- рядки от величины приложенного напряжения Vdc (Vр* , jр* — значения импульсного напряже- ния и плотности тока через микроваристор по- ñëå ïðåдåëьíîé зàðÿдêè). Нà ðèñ. 2 âèдíî, чòî ñ ðîñòîм íàïðÿжåíèÿ ïî- ляризации Vdc уход напряжения при фиксиро- ванной плотности тока через МП-барьер может быть как отрицательным, так и положительным, â зàâèñèмîñòè îò êîíцåíòðàцèè ПЭС. Äàííыå Рèñ. 1. Рàñчåòíыå èмïóëьñíыå ВАХ ýëåмåíòîâ îдíî- мерных варисторных структур в исходном состоянии (1, 2) и после предельной зарядки (1', 2' ) при раз- ëèчíыõ зíàчåíèÿõ êîíцåíòðàцèè ПЭС: 1, 1' — 1012 см–2; 2, 2' — 1013 см–2 5 0 –5 –10 –15 –0,2 0 0,2 0,4 lgVp (Vp в В) lg j p (j p в А ⋅с м – 2 ) dVр* 11 0 –1 0 1 2 3 Vdc, В Рèñ. 2. Зàâèñèмîñòь óõîдà íàïðÿжåíèÿ îò ïîëÿðèзó- ющего напряжения Vdc, измеренная сразу после пре- дельной зарядки при различных значениях плотно- сти тока jр (в А/см2): 1, 1' — 10–4; 2, 2' — 10–3; 3, 3' — 10–2 (1, 2, 3 — NS = 1012 см–2; 1', 2', 3' — NS = 1013 см–2) 1' 2' 1 2 1' 2' 1 2 3' 3 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 19 ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ ISSN 2225-5818 ðèñ. 3 ïîêàзыâàюò, чòî ïðè фèêñèðîâàííîм зíà- чении импульсного напряжения плотность тока также может уменьшаться или увеличиваться с ростом Vdc, а значит, поляризационная дефор- мация может привести к соответствующим из- менениям рассеиваемой на МП-барьере электри- чåñêîé мîщíîñòè. Следует отметить, что с ростом Vdc указан- ные параметры ВАХ изменяются лишь до неко- торых предельных значений, которые соответ- ñòâóюò ïîëíîé зàðÿдêå ПЭС â ïðÿмîñмåщåí- ной ОПЗ и полной разрядке в обратносмещен- íîé ОПЗ êðèñòàëëèòîâ. Пî мåðå ïðèбëèжåíèÿ ê варисторному участку импульсной ВАХ (увели- чение jр или Vр) амплитуда ухода напряжения èëè èзмåíåíèé òîêà ñòàíîâèòñÿ мåíьшå. Переходные изменения При нахождении зависимостей величины ухо- да напряжения сразу после снятия постоянного ïîëÿðèзóющåãî íàïðÿжåíèÿ (ò. å. ïðè âðåмåíè релаксации t = 0) от времени зарядки исполь- зовался описанный выше алгоритм расчета им- ïóëьñíыõ ВАХ. Как видно из рис. 4, а, с ростом време- ни tdc абсолютное значение ухода напряжения dVр(tdc)=[Vр(tdc)–Vр(0)]/Vр(0) возрастает, на- сыщаясь при больших tdc. Пðè ýòîм, åñëè ïðè- íÿòь êîýффèцèåíò зàõâàòà ýëåêòðîíîâ ПЭС cS – равным 10–9 см3/с, время tdc, в течение которого абсолютная величина ухода достигает значений dVр(t dc)=0,95[Vр max–Vр(0)]/Vр(0), будет со- ñòàâëÿòь 3⋅104 c. Эòî зíàчåíèå ñîîòâåòñòâóåò âå- личине a!τr] g, которая получается по формуле, ïðèâåдåííîé â ýêñïëèêàцèè ê âыðàжåíèю (6). Для анализа релаксации импульсных ВАХ МП-барьера после снятия поляризующего на- пряжения производился расчет исходных зна- чåíèé фóíêцèè зàïîëíåíèÿ ýëåêòðîíàмè ПЭС f(±a, tdc) при заданных Vdc и tdc из условий не- прерывности потенциала и индукции (4), (5) и âыðàжåíèÿ (6). Нåðàâíîâåñíыå фóíêцèè f(±a,t) определялись путем решения уравнения (1) с íàчàëьíымè óñëîâèÿмè (3), ñîîòâåòñòâóющèмè процессу деполяризации: f(±a, t)≈fSF+(f(±a, tdc)–fSF)⋅ – ,exp dt t 0 τ l rf p# (7) где τr îïðåдåëÿåòñÿ òàê жå, êàê è â фîðмóëå (6). Расчет неравновесных изгибов зон Y(±a, t) из условий непрерывности (4), (5) и импульсных ВАХ при Vdc = 0 и значениях функции f(±a,t), определяемых по формуле (7), производился àíàëîãèчíî îïèñàííîмó ðàíåå àëãîðèòмó. Нà ðèc. 4, б представлены кинетические ре- лаксационные зависимости ухода напряже- ния dVр(t)=[Vр(t)–Vр(0)]/Vр(0) импульсных ВАХ. Вðåмÿ ðåëàêñàцèè t, в течение которого абсолютная величина ухода напряжения равна dVр(t)=0,05[Vр max–Vр(0)]/Vр(0), составляет более 104 c. Нàбëюдàåмыå íà ðèñ. 4 îñîбåííîñòè êèíåòè- ки можно интерпретировать, принимая во вни- мание наличие двух отличающихся по величи- не постоянных времени .~a n a N– –1 ! !τ +r r] ]g g6 @ Еñëè ýíåðãåòèчåñêè ПЭС ðàñïîëîжåíы íèжå уровня Ферми, то ,n a N–! 11r] g а если выше, то .n a N–! 22r] g Участвующий в перезаряд- êå óðîâåíь ПЭС, ðàñïîëîжåííыé âышå óðîâíÿ Ферми, разряжается, а его постоянная меньше, чем в случае когда он расположен ниже уровня Ферми и заряжаеòñÿ. Òàêèм îбðàзîм, ïðîцåññ ðàзðÿдà ПЭС бîëåå мåдëåííыé, чåм ïðîцåññ зà- ðÿдà. Эòî ñîîòâåòñòâóåò бîëåå мåдëåííым ïðî- Рèñ. 4. Зàâèñèмîñòè óõîдà íàïðÿжåíèÿ îò âðåмåíè зàðÿдêè tdc (а) и от времени релаксации t (б) после снятия поля- ризующего напряжения Vdc =2,56 В, ïîëóчåííыå ïðè ðàз- личных значениях плотности тока jр (в А/см2): 1, 1' — 10–4; 2, 2' — 10–3; 3, 3' — 10–2 (1, 2, 3 — NS=1012 см–2; 1', 2', 3' — NS=1013 см–2) lg (jр* /jр) 0 –5 –10 –15 –20 –25 0 1 2 3 Vdc, В Рèñ. 3. Зàâèñèмîñòь èзмåíåíèÿ èмïóëьñíîãî тока от поляризующего напряжения Vdc, из- меренная сразу после предельной зарядки при различных значениях напряжения Vр (в В): 1, 1' — 2,0; 2, 2' — 2,2; 3, 3' — 2,4 (1, 2, 3 — NS = 1012 см–2; 1', 2', 3' — NS = 1013 см–2) dVр 1 0 –1 0 102 104 tdc, c 1 2 3 1' 2' 3' t = 0 0,95 dVр max а)1 2 3 1' 2' 3' dVр 1 0 –1 0 104 106 t, c tdc = const 1 2 3 1' 2' 3' 0,05 dVр max б) Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 20 ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ ISSN 2225-5818 цессам поляризации и более быстрым процессам деполяризации структуры с малой концентраци- åé ПЭС (êîãдà â ðàâíîâåñèè îíè ïîëíîñòью зà- ïîëíåíы ýëåêòðîíàмè). Äëÿ ñòðóêòóðы ñ бîëь- шîé êîíцåíòðàцèåé ПЭС (NS = 1013 см–2), где â ðàâíîâåñèè ПЭС ñëàбî зàðÿжåíы, íàбëюдàåò- ñÿ îбðàòíыé ýффåêò. Аналогичные кинетические зависимости им- пульсного тока представлены на рис. 5. Следует отметить, что параметры t* и t*dc, определяемые максимальной величиной ,a!τr] g слабо изменяются в исследованных диапазонах значений поляризующего тока jdc и напряжения Vdc (ðèñ. 4 è 5). ÝÊСПÅÐÈÌÅÍÒÀËÜÍÀЯ ЧÀСÒÜ При проведении экспериментальных исследо- ваний основное внимание уделялось изменениям наиболее контролируемого в производственных условиях функционального параметра варисто- ðîâ — êëàññèфèêàцèîííîãî íàïðÿжåíèÿ [24]. Эòî íàïðÿжåíèå èзмåðÿюò ïðè êðàòêîâðåмåí- ном (1—2 с) пропуске электрического тока ве- личиной 1 мА и обозначают V1.0. Пîñêîëьêó âà- ристоры имеют разные геометрические размеры, при исследованиях варисторной керамики для определения V1.0 пользуются плотностью тока, которая для рассматриваемых высоковольтных варисторов составляет порядка 10–4 А/см2 [9]. Îбразцы и методика исследований Для экспериментального изучения импульс- ных ВАХ были использованы образцы коммер- ческой оксидно-цинковой керамики для вари- сторов высокого напряжения двух составов: ZnO—Bi2O3—Co2O3—Sb2O3—MnO2—Cr2O3 (I) и ZnO—Bi2O3—CоO—Sb2O3—SnO2—MnO— B2O3 (II). Обðàзцы ïîëóчåíы â ïðîмышëåííыõ условиях путем жидкофазного спекания (из-за присутствия оксида висмута и других оксидов с низкой температурой плавления) и имеют соот- ветственно серебряные (I) и алюминиевые (II) ýëåêòðîды. Микроструктура керамики обоих составов — типичная и описана во многих исследованиях [16, 25—27]. Иññëåдîâàíèÿ мåòîдàмè ñêàíèðóю- щей электронной микроскопии показывают, что исследуемые материалы содержат зерна оксида цинка размером примерно 5 мкм и включения оксидных межкристаллитных фаз (в частности, Bi—Sb—Zn—O-фàзà). Пîðèñòîñòь îбîèõ мàòå- риалов достаточно низкая, а плотность относи- тельно высокая (около 5,54 г/см3). При экспериментальных исследованиях ис- пользовалась аппаратура для измерения ВАХ, àíàëîãèчíàÿ îïèñàííîé â [28]. Пåðåд êàждîé поляризацией образца его электроды накоротко зàмыêàëè íà 30 мèí, чòîбы îбåñïåчèòь âîññòà- íîâëåíèå èñõîдíîãî зàðÿдà ПЭС ïîñëå ïðåдыдó- щего заряда/ðàзðÿдà. Зàòåм îбðàзåц ïîдâåðãà- ли воздействию постоянного электрического тока в течение заданного времени и после отключе- íèÿ òîêà èзмåðÿëè ВАХ. Вðåмÿ èзмåðåíèÿ ВАХ было во много раз меньше времени зарядки об- ðàзцà è ñîñòàâëÿëî íå бîëåå 2 мèí. Измåðåíèÿ ВАХ повторяли после последовательного уве- личения абсолютной величины деградационно- го постоянного тока или времени его пропуска- ния либо через определенные промежутки вре- мåíè ïîñëå åãî âыêëючåíèÿ. Ðезультаты и их анализ Эêñïåðèмåíòàëьíî ïîëóчåííыå зàâèñèмîñòè ухода классификационного напряжения dV1.0 от времени проведения «ускоренного старения» для исследованных образцов варисторной кера- мики представлены на рис. 6 (кривые получе- ны при одинаковой полярности при измерении классификационного напряжения и напряжения при протекании тока jdc). Òåмïåðàòóðà ïðîцåññà «ñòàðåíèÿ» ñîñòàâëÿëà 353 Ê, òåмïåðàòóðà èзмå- ðåíèÿ ВАХ — 300 Ê. Êàê âèдíî, дëÿ êåðàмèêè состава II, стабилизированной добавкой B2O3, с ростом времени пропускания деградационно- го постоянного электрического тока наблюдает- 5 0 –5 –10 –15 –20 0 102 104 tdc, c 0 104 106 t, c 1 2 3 1' 2' 3' 1 2 3 1' 2' 3' lg [j р( t d c) / j р (0 )] 5 0 –5 –10 –15 –20 lg [j р( t) / j р (0 )] а) б) Рèñ. 5. Зàâèñèмîñòè èзмåíåíèÿ ïëîòíîñòè òîêà îò âðå- мени зарядки tdc (а) и от времени релаксации t (б) по- сле снятия поляризующего напряжения Vdc =2,56 В, полученные при различных значениях напряжения Vр (в В): 1, 1' — 2,0; 2, 2' — 2,2; 3, 3' — 2,4 (1, 2, 3 — NS = 1012 см–2; 1', 2', 3' — NS = 1013 см–2) Рèñ. 6. Зàâèñèмîñòè dV1.0 от времени проведения ускоренного старения для образцов керамики соста- вов I (1) (jdc = 0,1 мА/см2 ) и II (2) (jdc = 0,4 мА/см2) 5 3 1 –1 –3 –5 dV 1. 0⋅1 00 % 200 400 tdc, ч 1 2 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 21 ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ ISSN 2225-5818 ся увеличение напряжения V1.0, а для керами- êè I — åãî óмåíьшåíèå. Пðèâåдåííыå íà ðèñ. 6 дàííыå ñîîòâåòñòâóюò теоретическим закономерностям, полученным в рамках разработанной модели деформации ВАХ оксидных варисторных структур, которая обуслов- ëåíà ïåðåзàðÿдêîé ëîêàëèзîâàííыõ ñîñòîÿíèé. Следует отметить, что в рамках приведен- ных представлений могут быть интерпретирова- ны и данные, полученные в [11], где говорилось о противоположных тенденциях в изменениях плотности тока после приложения поляризаци- онного напряжения Vdc в течение времени tdc к îбðàзцàм êåðàмèêè ðàзíыõ ñîñòàâîâ. Эòè èзмå- рения проводились для случая Vр = Vdc. Äàííыå из [11], представленные на рис. 7 в принятых в настоящей работе координатах — jр(tdc)/jр(0) и tdc, также согласуются с приведенными теоре- òèчåñêèмè ðåзóëьòàòàмè. Отметим, что экспериментально наблюдае- мые диапазоны изменений параметров dV1.0 и jр(tdc)/jр(0) для исследованных керамических структур значительно меньше, чем теоретически ðàññчèòàííыå дëÿ îòдåëьíîãî мèêðîâàðèñòîðà. Эòî мîжåò быòь ñâÿзàíî ñ íåóïîðÿдîчåííîñòью керамической структуры и реализацией в про- цессе ускоренного старения целого ряда других механизмов деградации — миграции ионов, тер- модесорбции молекул поверхностного кислорода è ïð. В зàâèñèмîñòè îò õèмèчåñêîãî ñîñòàâà è технологических особенностей изготовления ке- рамики доминирующим механизмом может вы- ñòóïèòь ëюбîé èз íèõ. Следует также отметить, что проявление аномального изменения параметров (увеличе- ние dV1.0 и уменьшение jр(tdc)/jр(0)) связа- íî ñ òàêèм ïàðàмåòðîм ПЭС, êàê êîýффèцèåíò захвата cS – им электронов из зоны проводимо- ñòè êðèñòàëëèòà. Пîñêîëьêó ,c v– – S S T$σ= r где sS – и vT — ñåчåíèå зàõâàòà ПЭС è ñðåдíÿÿ òåïëîâàÿ скорость свободных электронов, величина cS – от- ðàжàåò ïðèðîдó ПЭС. Òèïèчíыå зíàчåíèÿ sS – из- меняются в широких пределах — от 10–15 см2 (нейтральные состояния) до 10–19 (кулоновские îòòàëêèâàющèå ñîñòîÿíèÿ) [29]. Óчèòыâàÿ, чòî ,a v N– – – S T 1 !τ σ=r r] _g i получим диапазон возмож- ных значений :a!τr] g от 0,5 до 104 ч. Òàêèм îбðà- зом, даже в случае боëьшèõ êîíцåíòðàцèé ПЭС и более быстрых изменений исследованных па- раметров dV1.0 и jp(tdc)/jp(0), наблюдаемых в îïèñàííîм â [19, 30] ýêñïåðèмåíòå, дîмèíèðóю- щими могут выступать другие механизмы дегра- дàцèè, íå ïðèâîдÿщèå ê àíîмàëьíым ýффåêòàм. Введение в керамику добавки оксида бора, ïî-âèдèмîмó, ïðèâîдèò ê îбðàзîâàíèю ПЭС, сильно отталкивающих электроны, и обуслов- ливает меньшие их сечения захвата и большее время перезарядки, что и позволяет наблюдать аномальный рост классификационного напряже- ния и электрического сопротивления в процессе проведения деградации с помощью постоянного ýëåêòðèчåñêîãî òîêà. ВЫВÎДЫ Проведенные исследования позволили про- анализировать кинетику деформации импульс- ных ВАХ, которая обусловлена перезарядкой локализованных состояний, и определить, что воздействие поляризующего напряжения может привести к смещению ВАХ в область больших или малых токов в зависимости от концентра- цèè è ñòåïåíè зàïîëíåíèÿ ПЭС. Вðåмÿ ïåðåзà- ðÿдêè ПЭС, ñâÿзàííîå ñ èõ ïðèðîдíымè îñîбåí- ностями, может изменяться в широких преде- ëàõ — îò ïîëóчàñà дî íåñêîëьêèõ òыñÿч чàñîâ. По мере приближения к варисторному участку импульсной ВАХ амплитуда ухода напряжения при фиксированном токе или величина измене- ния плотности тока при фиксированном напря- жåíèè óмåíьшàюòñÿ. Аíàëèз ïîëóчåííыõ ðå- зультатов позволяет предположить, что для ва- ристорной керамики, содержащей добавку окси- дà бîðà, ПЭС, фîðмèðóющèå мåжêðèñòàëëèò- ные потенциальные барьеры, имеют аномально малые сечения захвата электронов, характерные дëÿ îòòàëêèâàющèõ цåíòðîâ. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 1. Chiang Y. M., Kingery W. D., Levinson L. M. Compositional changes adjacent to grain boundaries during electrical degradation of a ZnO varistor // Journal of Applied Physics.— 1982.— Vol. 55, iss. 3.— P. 1765—1768. DOI: 10.1063/1.331647 2. Gupta T. K., Carlson W. G. A grain-boundary defect model for instability/stability of a ZnO varistor // Journal of Materials Science.— 1985.— Vol. 20, iss. 10.— P. 3487— 3500. DOI: 10.1007/BF01113755 3. Мàêàðîâ В. О., Òîíêîшêóð А. С., Чåðíåíêî И. М. Влияние термовакуумной обработки на электрические свой- ñòâà îêñèдíî-цèíêîâыõ âàðèñòîðîâ // Эëåêòðîííàÿ òåõ- íèêà. Сåðèÿ 5. Рàдèîдåòàëè è ðàдèîêîмïîíåíòы.— 1988.— Выï. 1(70).— С. 18—20. 4. KostiććP., Milosević O., Uskoković D., RistiććM. M. Potential barrier degradation at the grain boundary of ZnO-based nonlinear resistors // Physica B+C.— 1988.— Vol. 150, iss. 1-2.— P. 175—178. DOI: 10.1016/0378- 4363(88)90120-9 0,6 0,5 0,4 0,1 0 –0,1 0 5 10 tdc, c 1 2 lg [j р( t d c) / j р (0 )] Рèñ. 7. Зàâèñèмîñòь îòíîñèòåëьíîãî èзмåíåíèÿ òîêà через варистор от времени его протекания для образ- цов керамики составов ZnO—Sb2O3—Bi2O3—Co3O4— MnO2—Cr2O3 (1) и ZnO—Bi2O3—Co3O4—MnO2— B2O3—Sb2O3—ZrO2 (2) Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 22 ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ ISSN 2225-5818 5. Аâдååíêî Б. Ê., Òîíêîшêóð А. С., Чåðíåíêî И. М., Иâîí А. И., Щåëîêîâ А. И. Òåмïåðàòóðíыé êîýффèцèåíò сопротивления высоконелинейных оксидно-цинковых ре- зèñòîðîâ // Эëåêòðîííàÿ òåõíèêà. Сåðèÿ 5. Рàдèîдåòàëè è ðàдèîêîмïîíåíòы.— I980.— Выï. 4(41).— С. 17—19. 6. Iga A. Drift phenomena of capacitance and current in nonohmic ZnO ceramics // Japanese Journal of Applied Physics.— 1980.— Vol. 19, N 1.— P. 201—202. DOI: 10.1143/JJAP.19.201 7. Sato K., Takada Y. A mechanism of degradation in leakage currents through ZnO varistors // Journal of Applied Physics.— 1982.— Vol. 53, iss. 12.— P. 8819—8826. DOI: 10.1063/1.330433 8. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S. Modeling of the degradation electromigrational processes in structures with intercrystallite potential barriers // Multidiscipline Modeling in Materials and Structures.— 2007.— Vol. 3, iss. 4.— P. 477—490. DOI: 10.1163/157361107782106375 9. Іâàíчåíêî О. В., Òîíêîшêóð О. С. Еëåêòðîміãðàціéíà мîдåëь дåãðàдàції мåòàëîîêñèдíèõ âàðèñòîðíèõ ñòðóê- тур // Óêðàїíñьêèé фізèчíèé жóðíàë.— 2012.— Ò. 57, ¹ 3.— С. 331—339. 10. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S., Makarov V. O. Desorption thermal degradation model of zinc oxide ceramics // Journal of the Europen Ceramic Society.— 2004.— Vol. 24, iss. 15-16— P. 3709—3712. DOI: 10.1016/j. jeurceramsoc.2003.12.004 11. Гàíñàëè Ш. М., Гàшèмîâ А. М. Вëèÿíèå ïðîцåññà деградации на электрофизические характеристики варисто- ðîâ // Пðîбëåмы ýíåðãåòèêè.— 2005.— ¹ 2.— С. 67—69. 12. Äмèòðèåâ В. Л., Êðàñàâèíà М. А. «Сòàðåíèå» âà- ðèñòîðîâ â ïðîцåññå ýêñïëóàòàцèè ОПН // Нîâîñòè ýëåê- òðîòåõíèêè.— 2010.— ¹ 1.— С. 1—8. 13. Philipp H. R., Levinson L. M. Long-time polarization currents in metal-oxide varistors // Journal of Applied Physics.— 1976.— Vol. 47, iss. 7.— P. 3177—3181.— DOI: 10.1063/1.323113 14. Òîíêîшêóð А. С., Гîмèëêî И. В., Лÿшêîâ А. Ю. Особенности изотермической деполяризациив оксидно- цèíêîâîé âàðèñòîðíîé êåðàмèêå // Нåîðãàíèчåñêèå мàòå- ðèàëы.— 1998.— Ò. 34, ¹ 9.— С. 1123—1127. 15. Tsonos C., Kanapitsas A., Triantis D., Anastasiadis C., Stavrakas I., Pissis P. Low temperature dielectric relaxations in ZnO varistor // Japanese Journal of Applied Physics.— 2010.— Vol. 49, Iss. 1.— P. 051102— 051102-5. DOI: 10.1143/JJAP.49.051102 16. Gupta T. K. Application of zinc oxide varistors // Journal of the American Ceramic Society.— 1990.— Vol. 73, iss. 7.— P. 1817—1840. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1990. tb05232.x 17. Tonkoshkur Yu. A., Glot A. B. Isothermal depolarization current spectroscopy of localized states in metal oxide varistors // Journal of Physics D: Applied Physics.— 2012.— Vol. 45, N 46.— P. 465305—465305-8. DOI: 10.1088/0022- 3727/45/46/465305 18. Khandetsky V. S., Tonkoshkur Yu. A. Investigation of recharging processes for the volume localized states in polycrystalline semiconductors // Віñíèê Äíіïðîïåòðîâñьêîãî óíіâåðñèòåòó. Сåðіÿ «Фізèêà. Рàдіîåëåêòðîíіêà».— 2013.— Vol. 21, N 2, iss. 20.— P. 104—110. 19. Òîíêîшêóð А. С., Êëèмåíêî В. И., Гîмèëêî И. В. Особенности термодеполяризационных явлений в оксидно- цèíêîâîé êåðàмèêå дëÿ âàðèñòîðîâ // Жóðíàë òåõíèчå- ñêîé фèзèêè.— 1997.— Ò. 67, ¹10.— С. 60—63. 20. Sze S. M. Physics of semiconductor devices.— New York: John Wiley & Sons, 1981. 21. Òîíêîшêóð А. С. Вîëьò-àмïåðíàÿ õàðàêòåðèñòè- êà îêñèдíî-цèíêîâîãî âàðèñòîðà // Эëåêòðîííàÿ òåõíè- êà. Сåðèÿ 5. Рàдèîдåòàëè è ðàдèîêîмïîíåíòы.— 1991.— Выï. 2(83).— С. 15—19. 22. Einzinger R. Development of physical models of varistors on the basis of ZnO // In book: Polycrystalline Semiconductors: Physical Properties and Applications / Ed. G. Harbeke.— Berlin—Heidelberg—New York—Tokyo: Springer-Verlag, 1985.— P. 228—240. 23. Вàшïàíîâ Ю. А., Смыíòыíà В. А. Адñîðбцèîííàÿ чóâ- ñòâèòåëьíîñòь ïîëóïðîâîдíèêîâ.— Одåññà: Аñòðîïðèíò, 2005. 24. IEC/EN 60099-4, August 2004: Surge arresters – Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a. c. systems. 25. Clarke D. R. Varistor ceramics // Journal of the American Ceramic Society.— 1999. —Vol. 82, iss. 3.— P. 485-502. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1999.tb01793.x 26. Иâîí А. И. Пàðàмåòðы êðèñòàëëèòîâ ZnO â оксидно-цинковой керамике // Неорганические материа- ëы.— 2000.— T. 36, ¹ 10.— С. 1272—1276. 27. He J., Zeng R., Chen Q., Chen S., Guan Z., Han S. W., Cho H. G. Nonuniformity of electrical characteristics in microstructures of ZnO surge varistors // Power Delivery, IEEE Transactions on.— 2004.— Vol. 19, iss. 1.— P. 138— 144. DOI: 10.1109/TPWRD.2003.820214 28. Òîíêîшêóð О. С., Іãíàòêіí В. Ó. Фізèчíі îñíî- âè åëåêòðèчíîãî êîíòðîëю íåîдíîðідíèõ ñèñòåм.— Äíіïðîдзåðжèíñьê: ÄÄÒÓ, 2010. 29. Êèñèëåâ В. Ф., Êîзëîâ С. Н., Зîòååâ А. В. Оñíîâы фèзèêè ïîâåðõíîñòè òâåðдîãî òåëà.— Мîñêâà: Издàòåëьñòâî МГÓ, Фèзèчåñêèé фàêóëьòåò, 1999. 30. Êâàñêîâ В. Б. Пîëóïðîâîдíèêîâыå ïðèбîðы ñ бèïî- ëÿðíîé ïðîâîдèмîñòью.— Мîñêâà: Эíåðãîàòîмèздàò, 1988. Дата поступления рукописи в редакцию 24.06 2013 г. Д. ф.-м. н. О. С. ТОНКОШКУР, к. ф.-м. н. О. В. ІВАНЧЕНКО Óêðàїíà, Äíіïðîïåòðîâñьêèé íàціîíàëьíèé óíіâåðñèòåò імåíі Оëåñÿ Гîíчàðà E-mail: IvanchenkoAV@ukr.net ÊІНЕÒИÊА ÄЕФОРМАЦІЇ ВАХ ОКСИДНИХ ВАРИСТОРНИХ СТРУКТУР, ОБУМОВЛЕНОЇ ПЕРЕЗАРЯÄЖЕННЯМ ЛОÊАЛІЗОВАНИХ СÒАНІВ Проведено моделювання деформації імпульсних вольт-амперних характеристик (ВАХ) окремо- го міжкристалітного потенціального бар'єру під час перехідних процесів поляризації/деполяризації, пов'язаної з перезаряджанням поверхневих електронних станів, які обумовлюють цей бар'єр. Встановлено, що залежно від концентрації і ступеня заповнення цих поверхневих станів електрона- ми вплив постійної напруги може привести до зміщення імпульсних ВАХ в область великих або ж ма- лих струмів. Показано можливість застосування знайдених закономірностей для керамічних варистор- них структур. Запропонована модель дозволяє інтерпретувати спостережувані при випробуваннях ва- ристоров на прискорене старіння «аномальні» ефекти, такі як зростання класифікаційної напруги та зменшення потужності активних втрат. Ключові слова: вольт-амперна характеристика, поверхневі електронні стани, варистор, деградація, поляризація, деполяризація, відхід напруги, релаксація, міжкристалітний бар'єр. Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 5–6 23 ÔÓÍÊÖÈÎÍÀËÜÍÀЯ ÌÈÊÐÎ- È ÍÀÍÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ ISSN 2225-5818 A. S. TONKOSHKUR, A. V. IVANCHENKO Ukraine, Oles Honchar Dnipropetrovsk National University E-mail: IvanchenkoAV@ukr.net KINETICS DEFORMATION OF CURRENT-VOLTAGE CHARACTERISTICS OF THE VARISTOR OXIDE STRUCTURES DUE TO OVERCHARGING OF THE LOCALIZED STATES Prolonged exposure of zinc oxide varistors to the electrical load leads to current-voltage characteristics (CVC) deformation, which is associated with a change in the height and width of the intergranular barriers, which are main structural element of the varistors. Polarization phenomena in zinc oxide ceramics are studied in a number of works, but those are mainly limited to the study of the physics of the CVC deformation process and to determining the parameters of localized electronic states involved in this process. This paper presents the results on the simulation of the deformation of pulse CVC of a separate intergranular potential barrier at transient polarization/depolarization, associated with recharging of surface electronic states (SES), which cause this barrier. It is found that at high density of SES their degree of electron filling is small and the effect of DC voltage leads to a shift of pulse current-voltage characteristics into the region of small currents. Conversely, the low density SES are almost completely filled with electrons, and after crystallite polarization CVC is shifted to high currents. Experimental studies have confirmed the possibility of applying the discovered laws to ceramic varistor structures. The proposed model allows interpreting the «anomalous» effects (such as increase in the classification voltage and reduction of active losses power) observed during the varistors accelerated aging test. Keywords: current-voltage characteristic, surface electronic states, varistor, degradation, polarization, depolarization, voltage deflection, relaxation, intergranular barrier. REFERENCES 1. Chiang Y. M., Kingery W. D., Levinson L. M. Compositional changes adjacent to grain boundaries during electrical degradation of a ZnO varistor. Journal of Applied Physics, 1982, Vol. 55, iss. 3, pp. 1765-1768. DOI: 10.1063/1.331647 2. Gupta T. K., Carlson W. G. A grain-boundary defect model for instability/stability of a ZnO varistor. Journal of Materials Science, 1985, vol. 20, iss. 10, pp. 3487-3500. DOI: 10.1007/BF01113755 3. Makarov V. O., Tonkoshkur A. S., Chernenko I. M. [Influence of thermal vacuum processing on the electrical properties of zinc oxide varistors]. Elektronnaya tekhnika. Seriya 5. Radiodetali i radiokomponenty, 1988, iss. 1(70), pp. 18-20. (in Russian) 4. Kostić P., Milosević O., Uskoković D., Ristić M. M. Potential barrier degradation at the grain boundary of ZnO- based nonlinear resistors. Physica B+C, 1988, vol. 150, iss. 1-2, pp. 175-178. DOI: 10.1016/0378-4363(88)90120-9 5. Avdeenko B. K., Tonkoshkur A. S., Chernenko I. M., Ivon A. I., Shchelokov A. I. [Temperature coefficient of resistance of highly nonlinear zinc oxide resistors]. Elektronnaya tekhnika. Seriya 5. Radiodetali i radiokomponenty, I980, iss. 4(41), pp. 17-19. (in Russian) 6. Iga A. Drift phenomena of capacitance and current in nonohmic ZnO ceramics. Japanese Journal of Applied Physics, 1980, vol. 19, no 1, pp. 201-202. DOI: 10.1143/JJAP.19.201 7. Sato K., Takada Y. A mechanism of degradation in leakage currents through ZnO varistors. Journal of Applied Physics, 1982, vol. 53, iss. 12, pp. 8819—8826. DOI: 10.1063/1.330433 8. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S. Modeling of the degradation electromigrational processes in structures with intercrystallite potential barriers. Multidiscipline Modeling in Materials and Structures, 2007, vol. 3, iss. 4, pp. 477-490. DOI: 10.1163/157361107782106375 9. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S. Electromigration degradation model of metal oxide varistor structures. Ukrainian Journal of Physics, 2012, vol. 57, no 3, pp. 330-338. 10. Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S., Makarov V. O. Desorption thermal degradation model of zinc oxide ceramics. Journal of the Europen Ceramic Society, 2004, vol. 24, iss. 15- 16, pp. 3709-3712. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2003.12.004 11. Gansali Sh. M., Gashimov A. M. [Influence of degradation process on the electrophysical characteristics of varistors]. Problemy energetiki, 2005, no 2, pp. 67-69. (in Russian) 12. Dmitriev V. L., Krasavina M. A. [The «aging» of varistors during exploitation process surge arresters]. Novosti elektrotekhniki, 2010, no 1, pp. 1-8. (in Russian) 13. Philipp H. R., Levinson L. M. Long-time polarization currents in metal-oxide varistors. Journal of Applied Physics, 1976, vol. 47, iss. 7, pp. 3177-3181. DOI: 10.1063/1.323113 14. Tonkoshkur A. S., Gomilko I. V., Lyashkov A. Yu. Isothermal depolarization in zinc oxide varistor ceramics. Inorganic Materials, 1998, vol. 34, no 9, pp. 939-943. 15. Tsonos C., Kanapitsas A., Triantis D., Anastasiadis C., Stavrakas I., Pissis P. Low temperature dielectric relaxations in ZnO varistor. Japanese Journal of Applied Physics, 2010, vol. 49, iss. 1, pp. 051102-051102-5. DOI: 10.1143/ JJAP.49.051102 16. Gupta T. K. Application of zinc oxide varistors. Journal of the American Ceramic Society, 1990, vol. 73, iss. 7, pp. 1817-1840. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1990.tb05232.x 17. Tonkoshkur Yu. A., Glot A. B. Isothermal depolarization current spectroscopy of localized states in metal oxide varistors. Journal of Physics D: Applied Physics, 2012, vol. 45, no 46, pp. 465305–465305-8. DOI: 10.1088/0022- 3727/45/46/465305 18. Khandetsky V. S., Tonkoshkur Yu. A. Investigation of recharging processes for the volume localized states in polycrystalline semiconductors. Visnyk Dnipropetrovskogo universytetu. Fizyka. Radioelectronika, 2013, vol. 21, no 2, iss. 20, pp. 104-110. 19. Tonkoshkur A. S., Klimenko V. I., Gomilko I. V. [Features of thermodepolarization effects in zinc oxide ceramics for varistors]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki, 1997, vol. 67, no 10, pp. 60-63. (in Russian) 20. Sze S. M. Physics of semiconductor devices. 2nd ed., New York, John Wiley&Sons, 1981, 880 p. 21. Tonkoshkur A. S. [Current-voltage characteristic of zinc oxide varistor]. Elektronnaya tekhnika. Seriya 5. Radiodetali i radiokomponenty, 1991, iss. 2(83), pp. 15-19. (in Russian) 22. Einzinger R. Development of physical models of varistors on the basis of ZnO. In book: Polycrystalline Semiconductors: Physical Properties and Applications, ed. G. Harbeke, Berlin—Heidelberg—New York—Tokyo, Springer- Verlag, 1985, pp. 228-240. 23. Vashpanov Yu. A., Smyntyna V. A. Adsorbtsionnaya chuvstvitel'nost' poluprovodnikov [Adsorption sensitivity of semiconductors]. Odessa, Astroprint, 2005, 216 p. 24. IEC/EN 60099-4, August 2004: Surge arresters – Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a. c. systems. 25. Clarke D. R. Varistor ceramics, Journal of the American Ceramic Society, 1999, vol. 82, iss. 3, pp. 485-502. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1999.tb01793.x 26. Ivon A. I. Parameters of ZnO grains in ZnO-based ceramics. Inorganic materials, 2000, vol. 36, no 10, pp. 1074-1077. 27. He J., Zeng R., Chen Q., Chen S., Guan Z., Han S. W., Cho H. G. Nonuniformity of electrical characteristics in microstructures of ZnO surge varistors. Power Delivery, IEEE Transactions on, 2004, vol. 19, iss. 1, pp. 138-144. DOI: 10.1109/TPWRD.2003.820214 28. Tonkoshkur O. S., Ignatkin V. U. Fizichni osnovi elektrichnogo kontrolyu neodnoridnikh sistem [Physical fundamentals of electrical control of heterogeneous systems]. Dneprodzerzhinsk, DDTU, 2010. 290 p. 29. Kisilev V. F., Kozlov S. N., Zoteev A. V. Osnovy fiziki poverkhnosti tverdogo tela [Fundamentals of physics of solid body surface]. Moscow, Izdatelstvo MGU. Fizichesky fakultet, 1999, 284 p. 30. Kvaskov V.B. Poluprovodnikovye pribory s bipolyarnoi provodimost'yu [Semiconductor devices with bipolar conductivity]. Moscow, Energoatomizdat, 1988, 128 p. DOI: 10.15222/TKEA2014.2.15 UDC 621.316.8

Кинетика деформации ВАХ оксидных варисторных структур, обусловленная перезарядкой локализованных состояний

Репозитарії

Схожі ресурси