Міністерствонауки та освіти України
ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙНАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультетфізики, електроніки та комп’ютерніх систем
Кафедра радіоелектроніки
КУРСОВАРОБОТА ЗА СПЕЦІАЛЬНІСТЮ
НА ТЕМУ:
«Синтезі дослідження оксидно-ідієвої кераміки з неомічною провідністю»
Дніпропетровськ2009
Реферат
Уроботі описані, робота виходу електрона, основні принципи вимірювання роботивиходу електрона. Окремо сконцентровано увагу на методі Кельвіна.
Вступ
Передтим як розглядати оксидно-індієву кераміку, потрібно розглянути термінкераміка, її види, значення та ознайомитись з особливостями Індію.
Традиційнимтерміном кераміка називають вироби і матеріали, отримані спіканням глин, їхсумішей з мінеральними добавками, оксидів, інших неорганічних з’єднань та їхсумішей. Спікання представляє собою процес ущільнення пористого твердого тіла вобласті температури, при якій весь об’єм речовини ще не перетворюється врозплав [12]. При цьому ущільнення може бути як твердо фазним, так івідбуватися при участі рідкої фази.
Зафункціональним призначення розрізняють декоративну і технічну кераміку. Захімічними ознаками кераміку поділяють на два великих класи: оксидну табезкисневу кераміку.
Безкисневакераміка формується на базі порошків безкисневих неметалічних тугоплавкихз’єднань (боридів, карбідів, нітридів) [6]. Виходячи з характеру взаємодіїкерамічних виробів з навколишнім середовищем при їх експлуатації безкисневакераміка може бути розділена по областям застосування на дві групи [6]:матеріали, що беруть участь в процесах передачі, регулювання або перетвореннярізних видів енергії (діелектричні, напівпровідникові, резистивні, поглинаючі,електродні) і конструкційні керамічні матеріали, пасивно сприймаючі різногороду механічні і термічні навантаження, а також дію хімічно агресивнихсередовищ без зміни складу, структури та особливостей матеріалу (жаростійкі,зносостійкі, вогнестійкі, хімічно стійкі матеріали).
Керамічніматеріали завоювали стійкі позиції в електронній техніці і призначаються длявиготовлення резисторів з від’ємним і додатнім температурним коефіцієнтамиопору, чуттєві елементи сенсорних пристроїв, варисторів, п’єзоелектричнихелементів, корпусів і підкладок інтегральних схем та інших об’єктів [6].
Цікавістьдо оксидно-індієвої кераміки виникла з потреби змін властивостей варисторноїкераміки, яка застосовується для виготовлення варисторів.
Варистор(vari(able) (resi)stor — змінний резистор) — напівпровідниковий резистор,електричний опір (провідність) якого нелінійно залежить від прикладеноїнапруги, тобто він має нелінійну вольт-амперну характеристику і має два виводи.Варистори використовуються для стабілізації та регулювання низькочастотнихтоків та напруг, високовольтні варистори використовують як запобіжникиперенапруг. Щоб у цьому переконатися достатньо поглянути на вольт-амперніхарактеристики деяких розповсюджених типів варисторів на основі оксиду цинку такарбіду кремнію, ВАХ представлена на рис. 1.
/>
Рис.1. Вольт-амперні характеристики варисторів: сині — на основі ZnO, червоні — наоснове SiC.
Яквидно з ВАХ варисторів на основі оксиду цинку, при зміні значень сили струму –напруга залишається сталою.
Нелінійністьхарактеристик варисторів зумовлена локальним нагрівом дотичних граней багаточисленних кристалів матеріалу кераміки (напівпровідникового). При локальномузбільшенні температури на границях кристалів, їх опір знижується, що призводитьдо зменшення спільного опору варисторів.
Одинз основних параметрів варистора – коефіцієнт нелінійності λ – відношення йогостатичного опору R до динамічного опору Rd:
/>,
Коефіцієнт нелінійності у варисторов на основе ZnO — 20-100.Температурний коефіцієнти опору варистору – від’ємна величина.
Дослідження неоднорідних напівпровідників з неомічною провідністюпредставляє цікавість для створення нових нелінійних елементів. Для цьогокорисно використовувати принципи та ідеї, що лежать в основі існуючих приладів,наприклад розглянутих вище, керамічних оксидних варисторів.
Для отримання оксидно-цинкової варисторної кераміки с різкою надлінійною залежністю струму від напруги, використовують невеликі добавки оксидівз великим іонним радіусом до основного оксиду з провідністю n-типу (оксидцинку), так що при спіканні у повітряному середовищі на границях зерен (ГЗ) ZnOформуються потенційні бар’єри. При цьому часто використовують добавки оксидувісмуту і деякі інші оксиди. Результати дослідів свідчать про те, щопотенціальні бар’єри на ГЗ обумовлені збідненням при поверхневих шарів зеренZnO основними носіями заряду.
Тому для створення варисторної кераміки з особливостями,відмінними від особливостей традиційної оксидно-цинкової кераміки, виникаєцікавість заміни оксиду цинку на інший оксид. С цією ціллю отримана кераміка наоснові оксиду індію с додатком оксиду вісмуту, а також кераміка з додаваннямоксиду стронцію. Однак встановлено, що вольт-амперні характеристики отриманихзразків та відомої оксидно-цинкової кераміки принципово відрізняються.
1. Одержання оксидної кераміки
Технологія одержання оксидної кераміки майже однакова, незалежновід типу оксиду у її складі. Далі буде розглянуто отримання оксидно-цинковоїкераміки. Сировиною для виготовлення оксидно-цинкової кераміки служать, якправило, порошки оксидів металів. Щоб отримати високий коефіцієнт не лінійностімайбутнього зразка до складу основного оксиду додають оксид вісмуту і оксид кобальту(чи марганцю). Також відома система з високим коефіцієнтом не лінійності ZnO –Pr6O11 – Co3O4 [38]. Ці дві системиотримали найбільше використання для виготовлення високо нелінійних варисторів.Комерційні склади окрім вказаних добавок містять ряд оксидних домішок, щовпливають на класифікаційну напругу, не лінійність ВАХ в області сильнихструмів, провідність в слабкому електричному полі, стабільність та іншівластивості керамічних варисторів.
Процес виготовлення не омічної оксидної кераміки включає наступніетапи: важення оксидів в заданій пропорції, виготовлення однорідної сумішішляхом мокрого помолу, висушування отриманого шлікеру, пресування заготовок,спікання заготовок на повітрі при повільному підйомі температури до 1400 – 1600К, витримці на визначений час при тій же температурі і повільному охолодженнізаготовок до кімнатної температури та нанесення електродів. Реальний процес отриманнякераміки для варисторів являється більш складним і містить додаткові операції.Електричні параметри кераміки сильно залежать від обраного хімічного складу ітехнологічного режиму на всіх етапах отримання кераміки.
Важливе значення має хімічний склад обраних оксидів. Відхиленнявід стехіометрії і надлишкові домішки можуть погіршити електричні властивостікераміки і зробити неможливим отримання потрібних параметрів варисторів. Хоч вкерамічній технології пред’являються менш жорсткі потреби до чистоти отримуваноїсировини, ніж в технології інтегральних схем, виробництво кераміки дляваристорів являється напівпровідниковим з усіма випливаючи ми обставинами повідношенню до організації, наукового забезпечення та наукового супроводу такоговиробництва. У вихідному оксиді цинку слід прагнути зменшити відхилення відстехіометричного відношення. В противному випадку отримана кераміка буде матипідвищену провідність. В зв’язку з цим виникає цікавість в розробці методівдіагностики придатності оксидів для виготовлення з них варисторів. Важливийконтроль степені стехіометрії, дисперсності оксидів і відсутності в нихшкідливих домішок.
Приготування сумішей оксидів проводять частіше в кульовихмельницях (обертаються циліндри, в середині яких знаходяться змішувані оксиди,дистильована вода або інша рідина та розмелюючи тіла з твердого матеріалу).Режим цієї технологічної операції впливає на властивості кераміки [3].
Дисперсність вихідних порошків оксидів (розмір часток і характеррозподілу часток по розміру) представляється важливим фактором забезпеченняоднорідності суміші основного оксиду з домішковими оксидами. Без досягненняоднорідності суміші оксидів не вдається отримати кераміку, придатну длявикористання в якості варисторного матеріалу. Наслідком неоднорідності хімічногоскладу суміші оксидів являється неоднорідність електричних властивостейкераміки, в результаті чого в процесі експлуатації варисторів виникаєелектричне і теплове перевантаження локальних областей і прискорюєтьсядеградація варисторів.
Вихідний порошкоподібний оксид характеризується помітноютенденцією до злипання дисперсних часток, що видно при спостереженні порошку урастровому електронному мікроскопі при достатньо великому збільшенні [39].Причиною злипання часток оксиду слугує тенденція дисперсної системи домінімізації вільної енергії поверхні завдяки дії сил тяжіння між колоїднимичастинками. Це явище не дозволяє відбуватися гомогенізації суміші оксидів. Дляпідтвердження існування взаємодії між високодисперсними частинками оксидів нарис.1.1 представлено розподілення часток оксиду цинку по розміру, отриманеметодом розсіяння лазерного випромінювання на приладі ANALYSETTE – 22.
/>
Рис.1.1. Розподіл часток ZnO по розміру до (1) та післяультразвукової обробки (f = 40кГц, звукова потужність 110 Вт) на протязі двоххвилин (2)
Вихідна суспензія оксиду цинку в воді характеризується постійнимрозподілом розміру часток в вивченому інтервалі 1-100 мкм (гістограма «1» нарис.1.1), хоч часточки оксиду цинку, по даним електричної мікроскопії, маютьрозміри, не перевищуючі одного мікрометра. Ультразвукове диспергування зменшуєдолю часток з проміжними розмірами, але не впливає на існування великих часток,які являються стійкими агрегатами, що складаються з більш менших часток(гістограма «2» на рис.1.1).
Умови і режими пресування заготовок кераміки впливають навластивості отримуваних матеріалів [3,5]. В особливості, класифікаційна напругаі коефіцієнт не лінійності зразків кераміки на основі ZnO залежать від тискупресування заготовок [40].
В процесі спікання пресованої суміші оксидів виникають складніфізико-хімічні процеси, багато аспектів яких продовжують досліджуватись.Розглянемо основні явища, виникаючі при спіканні суміші для прикладу ZnO – Bi2O3– Sb2O3 – Co3O4 – MnO2.
При нагріванні заготовки до температур 670-770 К виникає твердофазна взаємодія ZnO і Bi2O3 зі створенням фази ZnO. 24 Bi2O3,на формування йде весь оксид вісмуту низькотемпературної α –модифікації. В області температур 920 – 970 К, завдяки реакціям в твердомустані, створюється фаза з структурою шпінелі Zn7Bi3Sb3O14[42]. В області температур 1170 К виникає перехід Co3O4 виділеннямкисню в стійкий при високих температурах оксид CoO, де кобальт знаходиться вдвовалентному стані. В результаті цього кобальт починає інтенсивно розчинятисяв решітці оксиду цинку. Цей процес відповідний за створення глибоких рівнів воксиді цинку і зелене забарвлення готової кераміки. В цій же області температурпроходить плавлення фази с структурою пирохлора, ідентифікуєме методомвисокотемпературної рентгенівської дифракції. Поява рідкої фази інтенсифікуєпроцес усадки (ущільнення) заготовки. Для ілюстрації цього процесу на рис.1.2приведені результати дилатометрії спікаємої заготовки, показуючи різкезменшення лінійних розмірів спікаємої заготовки в вузькому температурномуінтервалі.
/>
Рис. 1.2. Залежність зміни розміру заготовки ZnO — Bi2O3– Sb2O3 – Co3O4 – MnO2 –Cr2O2 від температури (дилатометрична крива)
Ці дані дозволяють вважати процес спікання оксидної кераміки рідкофазним. При подальшому нагріванні в спікаємій заготовці спостерігається лишедві кристалічні фази: ZnO та фаза з структурою шпінелі. Після помітної усадкиспікаємого зразка різко інтенсифікується процес рекристалізації оксиду цинку, врезультаті якого монокристалічні частки оксиду цинку с розміром порядку десятихдолей мікрометра (рис.1.1) виростають в зерна оксиду цинку розміром 5-30 мкм зарахунок переносу речовини від дрібних частин з великою поверхневою енергією довеликих частин з меншою поверхневою енергією.
При охолодженні до температур біля 1220 К виникає перехід рідкоїфази на основі Bi2O3 в тверді фази: кристалічну фазу зструктурою полі хлору і аморфну фазу на основі Bi2O3.Аморфнафаза може розпадатися з утворенням, в залежності від температурного режиму,фази ZnO. 24 Bi2O3 або високотемпературнихмодифікацій оксиду вісмуту β-Bi2O3, α-Bi2O3,опиняючихся стабільними і при низьких температурах завдяки розчинених в нихдругим атомам. Самі по собі процеси фазо створення без обліку ролі киснюзовнішнього середовища ще не вичерпують суті явищ, виникаючих при охолодженніспікає мого зразка. Принципово важливим є насичення границь зерен (ГЗ) оксидуцинку киснем, в результаті чого створюються потенційні бар’єри, визначаючіелектрофізичні властивості оксидної кераміки.
2. Методика дослідження оксидно-індієвої кераміки
Зразки кераміки In2O3-SrO та In2O3-Bi2O3отримані по традиційній керамічній технології. Змішування оксиду індію In2O3з додаванням SrCO3 та Bi2O3 проводилосьз використанням дистильованої води. Після сушки шлікера при температурі 400 Кпресувались заготовки при тиску 46 МРа. Обпалювання заготовок виповнюється наповітрі при збільшенні температури з швидкістю 300 К/год. До температуриобпалювання (Тобп), яка складає 1370 К у випадку In2O3-Bi2O3та 1270 К для In2O3-SrO. Після витримки при Тобппротягом 1 години (In2O3-Bi2O3)чи двох годин (In2O3-SrO) заготовки охолоджуються разом зпіччю з швидкістю приблизно 300 К/год. На пласку поверхню спечених заготовокнаносяться електроди. В якості електродів застосовують: евтектика In-Ga (для In2O3-SrO)і Ag-паста, не потребуюча термообробки (для In2O3-Bi2O3).Для In2O3-Bi2O3 ефект обмеженняспостерігався також і при використанні евтектики In-Ga та Al-пасти, випалюваноїна повітрі при 870 К.
ВАХ на постійному струмі вивченні (джерела типу ТЕС 41 і ТВ1 іуніверсальні вольтметри В7-21) при збільшенні і зменшенні напруги. При дослідізразків в різній степені був помічений гістерезис ВАХ. В ряді випадківспостерігалась залежність струму від часу. Тому використовують два способирегістрації ВАХ. В одному із них фіксують значення струму, отримані в першиймомент після встановлення напруги і після 30 секунд після подачі напруги, апотім напруга змінювалась. Для порівняння при другому способі регістрації ВАХфіксують встановлене значення струму після достатньо тривалій витримці зразкупід незмінною напругою. При цьому спостерігали задовільно якісне спів паданняВАХ, отриманих при обох способах регістрації.
Для вивчення товщинної залежності опору спочатку знімають ВАХзразку In2O3-Bi2O3 з In-Gaелектродами, а потім шлифкової зменшують його товщину, знову наносять In-Gaелектроди і повторюють регістрацію ВАХ. Щоб зменшити можливий вплив крупномасштабної неоднорідності кераміки на досліджувану залежність струму, накожному етапі зшліфовували один і той же шар зразку.
3. Дослідження оксидно-індієвої кераміки
На рис.1 приведені ВАХ зразків кераміки In2O3-Bi2O3.ВАХ містить лінійну область при малих напругах, вслід за якою наступає довгачастина, де струм зростає менше ніж напруга. У даному випадку на нелінійнійчастині ВАХ коефіцієнт не лінійності b=(U/I)(dI/dU)= 0,4 при U=500 B. Значення b
Спостерігались відносно малі зміни струму з часом, але форма ВАХмало відчутна до таких змін. На деяких зразках In2O3-Bi2O3при фіксованій напрузі спостерігаються низькочастотні (0,2-2 Гц)коливання з амплітудою ~ 25 % від величини струму. Природа цих коливань поки щоневідома.
/>
Рис. 3.1. Вольт-амперна характеристика зразка кераміки In2O3– Bi2O3, знята двічі при збільшенні (1,3) і зменшенні(2,4) напруги.
Дані рис.3.1 не дозволяють відповісти на питання про те, чиконтролюється опір зразку особисто його об’ємом чи приелектродними областями.Для з’ясування цього досліджені ВАХ зразку In2O3-Bi2O3приваріації його товщини. В крайньому випадку, лінійнічастини ВАХ незначно змінюються при варіації товщини зразку в границях 1,3-7,4 мм. Це означає, що опір зразку на лінійній частині ВАХ контролюється скоріше приелектродноюобластю, ніж об’ємом. Тому при поясненні причини нелінійності ВАХ (рис.3.1)слід враховувати створення приелектродної області підвищеного опору. Імовірно,це має місце для різних електродів, хоча, можливо, і в різній степені.
Представляє цікавість розглянути також ВАХ структур на основі In2O3з іонними добавками. З цією ціллю досліджені ВАХ структур на основіоксиду індію з добавками оксиду стронцію.
На рис.3.2 приведені залежності струму від напруги, отримані призбільшенні (крива 1) і зниженні (крива 2) напруги. Встановлено, що струм прифіксованій напрузі не являється суворо постійним, а залежить від часу. Тому нарис.3.2 для кривої 1 і кривої 2 при кожному значенні напруги вказані двазначення струму, які отримані зразу після встановлення напруги і після 30секунд. Помічено, що при малих напругах струм зростає з часом, а при напрузівище порогового значення U³Uпор@10 B струмзменшується з часом. Це видно з ходу суцільної лінії на рис.3.2, яка з’єднуєточки, отримані в хронологічному порядку. На кривій 1 (рис.3.2) є лінійначастина (I~U), частина надлінійного зростання струму з напругою (I~Ub b>1), який вінтервалі 10-30В змінюється частиною спаду струму при зростанні напруги. Призменшенні напруги (крива 2 на рис.3.2) струм слабо залежить від напруги вобласті 10-30 В, а при менших напругах струм знижується приблизно пропорційнонапрузі. Таким чином, помічено складне падіння струму в функції напруги,причому основною особливістю являється ефект обмеження струму.
/>
Рис.3.2. Залежність струму від напруги для зразка кераміки In2O3– SrO, отримана при підвищенні (1,3,5) і зниженні (2,4,6) напруги.
Напруга фіксується на протязі 30с. криві (1 і2), а також вимірюєтьсяспочатку і вкінці кожного такого інтервалу. Криві 3 і 4 (зняті після кривих 1 і2) – встановлене значення струму через 600 с. після подачі фіксованої напругина зразок. Для ясності точки, отримані в хронологічному порядку, з’єднанілінією. Криві 5 і 6 отримані після регістрації струму, відповідаю чому кривим 3і 4.
Настільки нетривала поведінка струму з напругою для структур наоснові In2O3-SrO могло б бути просто наслідком вимірів внестаціонарних умовах. Щоб виключити таку ймовірність була знята часовазалежність струму при різних фіксованих напругах (рис.3.3). Як видно, при малихнапругах (криві 1 і 2) струм зростає з часом. При U=10 В (крива 3 рис.3.3) ібільш високих напруг (криві 4 і 5) струм з часом зменшується.
/>
Рис.3.3. Залежність струму від часу при фіксованих значенняхнапруги, подаваємої на зразок в такій послідовності, В: 1-1; 2-5; 3-10; 4-15;5-25; 6-15; 7-10; 8-5; 9-1
Характер часової залежності струму, представленій на рис.3.3(криві 1-5) взаємозгоджується з часовою залежністю струму, що знаходиться нарис.3.2 (крива 1). Встановлені значення струму, отримані на рис.3.3 (криві 1-5),використані для побудови ВАХ на рис.3.2 (крива 3). Як видно, форма ВАХ,отримана по встановленим значенням струму (рис.3.2, крива 3), задовільноспівпадає з формою ВАХ, отриманій при короткочасній (30с.) витримці зразку прикожному значенні напруги (рис.3.2, крива 1).
Таким чином, встановлено, що для досліджуваних зразків керамікихарактерна аномалія електропровідності у вигляді частини обмеженого струму інавіть частини спаду струму з напругою.
При зменшенні напруги струм з часом зростає при напругах вдіапазоні 15-5 В (рис.3.3, криві 6-8) і знижується при малих напругах (рис.3,крива 9). Відповідна ВАХ, побудована по встановленим значенням струму (крива 4на рис.3.2), задовільно співпадає з кривою 3 на рис.3.2.
Такий характер часової залежності струму зберігається, якщонапругу на зразок подавати в послідовності: 25В, 15В, 10В, 5В, 1В с достатнім(10 хв.) інтервалом між вимірюваннями. При цьому струм знижується з часом приU=25B, але наростає з часом при подачі напруги від 15 до 5 В і слабо знижуєтьсяпри U=1В. Як наслідок, властивості зразку залежать від його електричноїпередісторії, що може бути зв’язано зі зміною заповнення локалізованих станівпри достатньо великих напругах і збереженням такої ситуації при зниженнінапруги до нуля. При послідуючій подачі на зразок меншої напруги виникаєпоступова релаксація струму.
Після вивчення часової залежності струму (рис.3.3) знову булазнята ВАХ в режимі короткочасної фіксації напруги (рис.3.2, криві 5 і 6). Яквидно, ВАХ до (криві 1 і 2 на рис.3.2) і після (криві 5 і 6 на рис.3.2)відносно довготривалої дії напруги задовільно співпадають.
Частина обмеження і зниження струму якісно повторюється для іншихзразків. Встановлено також, що форма ВАХ чутлива до матеріалу електроду іспособу його створення. Тому спостережені результати, ймовірно, обумовленіпроявом приелектродних потенційних бар’єрів, один з яких, включений в запірномунапрямі, і контролює струм через зразок.
ВАХ зразків на основі In2O3 с додаваннямоксиду вісмуту (рис.3.1) і оксиду стронцію (рис.3.2) відрізняються, на першийпогляд, дуже суттєво. Однак обом зразкам характерна спільна особливість – припідвищенні напруги вище деякої порогової величини Uпор (слабовираженої на рис.3.1 і більш чітко вираженій на рис.3.2 (Uпор@10В)) зростанняструму з напругою суттєво уповільнюється (рис.3.1) або навіть змінюється спадомструму з напругою (рис.3.2). Таким чином для структур на основіоксидно-індієвої кераміки незалежно від використаної добавки і типу електродівхарактерна поява при досягненні деякого електричного поля процесів,відповідальних за обмеження струму. Саме розуміння цього механізму представляєосновну цікавість. Цей механізм, працює на фоні ряду інших процесів, яківизначають електропровідність досліджуваних структур, і призводить доваріабельності їх ВАХ в залежності від деталей технологічного процесу.
Механізмобмеження струму в досліджуваних структурах зв’язаний з формуванням при їхвиготовленні приелектродних областей підвищенного опору, тобто з появоювідповідних потенційних бар’єрів. При цьому особливістю такого потенційногобар’єру на контакті являється прояв при деякій напрузі процесів захопленняосновних носіїв заряду (електронів), що викликає зростання висоти бар’єру іобмеження зростання струму з напругою [5]. Імовірно, така особливістьприелектродного бар’єру визначається природою кераміки на основі In2O3.
Пороговийхарактер механізму обмеження струму можна пояснити, наприклад, тим, щозахоплення носіїв (і відповідаючи гальмування падіння висоти бар’єру)проявляється, коли висота бар’єру опиняється в достатній мірі зменшується піддією прикладеної напруги. Бар’єр веде себе як бар’єр біля центру з екранованимкулонівським потенціалом. Можна вважати, що з врахуванням сил зображення формабар’єру на контакті відмінна від параболічної. В результаті впливу ефектуШотткі висота бар’єру зі зростом напруги зижується і при невеликих напругахз’являється надлінійний зріст струму з напругою (рис.3.2). Коли висота бар’єрустане достатньо малою (а струм через бар’єр опиниться достатньо великим),захоплення електронів на стані контакту стає суттєвим. Це визначає тенденціюзбільшення висоти бар’єру. В результаті чого зріст струму з напругоюуповільнюється і спостерігається частина обмеження струму. Однак такий механізмдекілька по-різному проявляється для двох типів досліджуваних структур, ВАХяких представлені на рис.3.1 і 3.2.
Дляструктур на основі In2O3-Bi2O3(рис.3.1) характерний слабкий ріст струму до вельми великих падінь напруг назразку. Вірогідно в цьому випадку частина напруги падає також на об’ємікераміки. Добавка Bi2O3 в цьому випадку, як і в випадкукераміки ZnO [4], може стимулювати формування потенційних бар’єрів на багаточисленних ГЗ оксиду Індія. Більш того, на границях зерен може виникати захвателектронів і відповідне зростання висот бар’єрів. Це і пояснює досить великийопір таких зразків.
Дляструктур на основі In2O3-SrO (рис.3.2) порогові напругиневеликі (одиниці вольт), струм обмежується і спостерігається частина звід’ємною диференційною провідністю (ВДП). Подібна особливість ВАХспостерігалась для структур на основі кераміки BaTiO3. Механізм ВДП,оснований на виникаючому при збільшенні напруги взаємному зміщенні по енергіїзаповнених і порожніх станів, розміщених по різні сторони геометричної границізерен, в нашому випадку представляється малоймовірним.
Дляздійснення ефекту ВДП (рис.3.2) можна спробувати використати представлення проформування домену сильного електричного поля [7].При такому підходівраховується створення приелектродних областей просторового заряду. Тому прирозробці механізму появи статичного домену сильного поля можуть бути кориснимирозглянуті вище якісні представлення про бар’єр з захопленням. Однак, не слідпоки виключати можливості безпосереднього пояснення ефекту ВДП в моделі бар’єруз захопленням враховуючи деяких доповнюючи факторів, наприклад, падіння напругив об’ємі, особливості електронної будови бар’єру, просторової локалізаціїзахопленого від’ємного заряду та ін…
Такимчином, ефект обмеження струму в структурах на основі кераміки In2O3-Bi2O3і In2O3-SrO обумовлений захопленням електронів на станиконтакту або в області просторового заряду.
4. Обмеження та осциляції струму в напівпровідниковій кераміці
In2O3-Bi2O3
Оксидно-індієвакераміка з певними домішками має сублінійну вольт-амперну характеристику (ВАХ),на якій із збільшенням напруги зростання струму сповільнюється іспостерігається ділянка обмеження струму [1-3]. Для оксидно-індієвої кераміки здомішкою оксиду вісмуту ефект обмеження струму супроводжується пульсаціямиструму, з частотою » 0,2-2 Гц, що виникають при постійнійнапрузі на зразку [4]. В роботі розглянуто електричні властивості керамікисистеми In2O3-Bi2O3.
Ефектнизькочастотних коливань при постійній напрузі на зразку має місце незалежновід матеріалу електродів та вмісту добавки Bi2O3 (удослідженому діапазоні кількість добавки впливає лише на величину граничноїнапруги, з якої починається обмеження струму). На рис.4.1 наведено приклади ВАХзразків кераміки системи In2O3-Bi2O3із різними електродами. Як видно з рисунка, ефект обмеження струму має місце дляусіх наведених типів електродів. В області напруг, де є обмеження струму (нарис.1 це U>100 В) ВАХ побудовано за середнім значеннямвеличини струму, крім ВАХ, представлених кривими 5 і 6.
ВАХзразків кераміки In2O3-Bi2O3 умовноможна розділити на три області (див. рис.4.1): 1 — область, де виконуєтьсязакон Ома, 2 — область появи ефекту обмеження струму й виникнення коливаньструму (приблизно від 60 до 110 В) і 3 — область, де постійний струм iамплітуда коливань струму з ростом напруги практично не змінюються.
/>
Рис.4.1.ВАХ зразків кераміки In2O3-Bi2O3. 1- область, де виконується закон Ома, 2 — область появи ефекту обмеження струмуй виникнення коливань струму, 3 — область, де постійний струм i амплітудаколивань струму з ростом напруги практично не змінюються.
Длябільш докладного дослідження коливань струму були зняті часові залежності струмуI=I(t) для різних значень постійної напруги. Часові залежності було зареєстрованофотографуванням, з 10 секундною витримкою, екрана осцилографа, на якомувідображався процес пульсації струму, при прикладанні до зразка постійноїнапруги. Кілька з них наведено на рис. 2.
/>
Рис.4.2.часові залежності струму I=I(t) для різних значень постійної напруги зразківкераміки In2O3-Bi2O3
Назалежностях струму від часу, знятих в області напруг, які відповідають ділянці1 ВАХ, величина струму від часу не залежить і коливань не спостерігається,наприклад, часова залежність при 50 В (пряма лінія на рис.4.2). При прикладаннінапруг, що відповідають ділянці 2 ВАХ, можна бачити процес появи коливань.Спочатку при досягненні порогової напруги виникають майже синусоїдальні коливання(синусоїда на рис. 4.2, відповідає напрузі 60 В). Потім із ростом напругиплавно зростає амплітуда коливань струму, з’являються синусоїдальні коливання зіншою частотою, як це видно з часових залежностей для 70 і 80 В на рис.4.2.Таким чином форма коливань змінюється від синусоїдального моногармонічногоколивання (із частотою »1,75 Гц) до полігармонічного (i, можливо,навіть проявляється стохастичність коливального процесу), при цьому основначастота коливань зростає. Амплітуда коливань струму плавно зростає до 20 % відсередньої величини струму. В області напруг, які відповідають ділянці 3 ВАХ,форма й частота коливань струму практично не змінюються з ростом напруги.Характерний вигляд коливань у цій області напруг демонструє часова залежністьдля 150 В (рис.4.2). Амплітуда ж коливань, проходячи через максимум при 200 В,із ростом напруги навіть дещо зменшується, як це видно з рис.4.3, де для кожноїчасової залежності було знайдено різниця між максимальною та мінімальною густиноюструму.
/>
Рис.4.3.Залежність напруги від густини струму.
Навсіх досліджених зразках ефект обмеження струму завжди супроводжують коливанняструму. Тому можна припустити, що це взаємозв´язані явища і пояснюютьсявони на підставі єдиного механізму електропровідності. Коливання, ймовірно,викликані захопленням носіїв заряду на деяких межах зерен (МЗ), що веде дозменшення струму i збільшення падіння напруги на ключових потенціальних бар’єрах,зростання польової емісії електронів із локалізованих станів та відповідногозменшення висоти бар’єрів та збільшення струму. Зростання амплітуди коливаньпризводить до прояви нелінійності ВАХ i процес перестає бути гармонічним, щопояснює зміну форми коливань струму, яка спостерігається при збільшенні напругив області ділянки 2 ВАХ.
Список викоростанних джерел
1. Stolichnov I.,Tagantsev A… J.Appl.Phys., 1998,V.84,No.6, p.3216-3225.
2.Глот А.Б., БондарчукА.Н. Неорганические материалы.,1999, т.35,N5,c.637-640.
3. Matsuoka M. Advances in VaristorTechnology. Ceramic Transactions.,1989,V.3, Ed. by L.M.Levinson,,p.3-9.
4.Glot A.B. Advances in varistorTechnology., 1989,V.3, Ed. by L.M.Levinson, p.194-203.
5. Гольдман Е.И., ЖданА.Г., ФТП,1976, т.10,№10, с.1839-1845.
6. T.R.N.Kutty, V.Ravi.Materials Science and Engineering, 1994, B25,119-131.
7. Бонч-Бруевич В.Л,Звягин И.П., Миронов А.Г. Доменная электрическая неустойчивость вполупроводниках. — Москва: Наука,1972.