"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 2, 2003 |
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ВАРИСТОРОВ
TEMPERATURE PARAMETERS OF THIN FILM VARISTORS
Мамедов А. К. оглы, e-mail: mamedov_az50@mail.ru
Азербайджанский Технический Университет.
Получена 17 февраля 2003 г.
Рассмотрены температурные зависимости параметров тонкопленочных варисторов на основе органической пленки из фталоцианина. Получены аналитические соотношения для температурных коэффициентов тока и напряжения, определено условие нулевой температурной чувствительности тока варистора.
Нелинейные резисторы - варисторы широко используются для защиты от перенапряжений и стабилизации напряжений в электронных схемах, в жидкокристаллических индикаторных панелях, электролюминесцентных экранах, а также для подавления шумов и искрогашения при работе микроэлектродвигателя магнитофонов и видеомагнитофонов, что значительно повышает качество звуковоспроизведения [1]. Cхемы искрогашения на основе варисторов снижают перенапряжение, возникающее на контакте в момент размыкания цепи реле, и тем самым способствуют увеличению срока службы контакта. Для традиционных варисторов на основе оксида цинка характерны относительно высокие рабочие напряжения из-за высокого значения падения напряжения на единичной межкристаллитной границе оксида цинка (2,5-3,5В), большие габариты (толщина прибора сотни микрон), плохая воспроизводимость характеристик от образца к образцу, высокотемпературность процесса изготовления [1,2] и др.
Однако такие приборы не всегда могут быть эффективно использованы. Так, в случае интегральных схем, содержащих сотни или тысячи индивидуальных компонент, потребуется большое число варисторов для полной защиты от перенапряжений в схеме. Металлооксидные варисторы в подобной ситуации в принципе могут быть использованы. Однако при этом возникает большое число межсоединений внутри интегральной схемы, что сильно снижает ее надежность. Если при этом еще учесть большие габариты и вес металлооксидных варисторов, то становится ясным, что практическое использование таких варисторов для защиты от перенапряжений в гибридных интегральных схемах малоэффективно [3].
В ряде случаев варистор использует нелинейность своей вольтамперной характеристики, в отличие от обычной ситуации, где он выполняет характерную для него функцию поглощения энергии для защиты другого устройства. Сюда, в первую очередь, относятся жидкокристаллические дисплеи, где варисторы используются в качестве переключательных элементов для активной матричной адресации ЖК-индикатора [4]. При этом с целью снижения стоимости варисторов и всего ЖК-экрана важно обеспечить возможность их изготовления на стеклянной подложке.
В указанных выше применениях весьма эффективно могут быть использованы пленочные варисторы на основе органического полупроводника фталоцианина, имеющие сэндвич-структуру [5]. Конструкция прибора представлена на рис.1. На диэлектрической подложке 1 из ситалла (или стекла), расположены нижний электрод 2, пленка 3 из фталоцианина и верхний электрод 4. Толщина пленки фталоцианина может варьироваться от десятых долей до единиц микрон. В качестве материала пленки использованы фталоцианин меди или ванадила. В качестве материала электродов, образующих с пленкой фталоцианина омические контакты, использована медь [6]. Варисторы изготовлены на установках вакуумного напыления типа ВУП-5 в вакууме 10-5 Тор путем после
Рис.1 Конструкция пленочного варистора
довательного напыления на подложку нижнего электрода, пленки фталоцианина и верхнего электрода. Температура сублимации фталоцианина составляла 400-500°С. Порошок фталоцианина предварительно очищался путем сублимации в вакууме. C целью временной стабилизации параметров варисторов до нанесения на пленку фталоцианина верхнего электрода проводился отжиг пленки на воздухе в течении 30 минут при температуре 100°С.
При практическом использовании предлагаемых пленочных варисторов необходимо учитывать температурную зависимость их параметров. Указанные зависимости в настоящее время не исследованы.
Цель настоящей работы - исследование температурных зависимостей параметров пленочных варисторов на органической пленке из фталоцианина.
Работа прибора основана на нелинейных вольтамперных характеристиках сэндвич-структур на основе фталоцианина [7]. При этом нелинейный участок ВАХ опиcывается выражением
где
- проводимость элемента в омической области; - коэффициент нелинейности; s- проводимость; V - напряжение на варисторе; d - толщина пленки фталоцианина; - глубина уровней ловушки; e - диэлектрическая проницаемость фталоцианина; eо - диэлектрическая постоянная; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; q - заряд электрона.
На рис.2 представлены вольтамперные характеристики пленочного варистора в обычных координатах (а) и в координатах ln (I/V ) - V1/2 (б) для значений температуры 300 К (1) и 400 К (2). Линейность кривых на рис.2б подтверждает справедливость соотношения (1) для математического описания ВАХ рассматриваемого варистора. Из выражения (1) и представленных кривых следует, что коэффициент нелинейности можно определить как наклон кривых на рис.2б. Расчет величины коэффициента нелинейности пленочных варисторов по экспериментальным кривым ВАХ, представленным на рис.2б, при температурах 300 и 400К дает значения 1,83В-1/2 и 1,36В-1/2, соответственно.
Величину s можно рассчитать, определив из вольтамперной характеристики, построенной в координатах ln(I/V)-V1/2, значение ординаты точки пересечения кривой ВАХ с прямой, параллельной оси ординат и смещенной на 1В вправо от начала координат. Расчет s по экспериментальным кривым на рис.2б при Т=300К и Т=400К дает 4,4×10-10 Ом-1 и 2,04×10-7 Ом-1, соответственно.
На рис.3 представлена зависимость статического сопротивления пленочного варистора от напряжения (омическая характеристика) в координатах Rст-V (a) и в координатах lnRст-V1/2 (б). Из характеристики на рис.3б видно, что омическая характеристика в логарифмическом масштабе имеет линейный характер. Погрешность линейного приближения составляет не более 8%. На рис.4 приведена температурная зависимость сопротивления
варистора R0, а на рис.5 - температурная зависимость коэффициента нелинейности, полученная экспериментальным и расчетным путем. Из рисунка видно, что зависимость коэффициента нелинейности от температуры имеет линейный характер. При этом максимальная погрешность такого приближения составляет 4%. Несоответствие экспериментальной и расчетной кривых составляет 12%. В соответствии с выражением (3) теоретическое значение температурного коэффициента нелинейности можно определить из соотношения . Расчетное значение ТКb составляет -0,0044 - -0,0080 В-1/2/К, а экспериментальное - -0,0058- -0,010 В-1/2/К. При этом погрешность расчета составляет 20%.
Обычно температурную зависимость тока варистора характеризуют температурным коэффициентом тока. В соответствии с выражением (1) для температурной чувствительности тока варистора можно записать
где - температурные чувствительности проводимости s и коэффициента нелинейности b; - абсолютные чувствительности тока варистора по отношению к проводимости s и коэффициенту нелинейности b, соответственно.
Учитывая (1) и (4), получим соотношение для относительной температурной чувствительности тока пленочного варистора
представляющее собой аналитическое выражение температурного коэффициента тока варистора. Из (5) следует, что температурный коэффициент тока варистора является положительной величиной и имеет две составляющие, обусловленные температурной зависимостью коэффициента нелинейности и проводимости s. При относительно малых величинах напряжения доминирующей является составляющая, связанная с температурной зависимостью s. Оценка величины температурного коэффициента тока варистора по соотношению (5) в диапазоне температур 300-400 К при напряжении 1В и толщине пленки 0,72мкм дает 3,5-6,39 %/К, а при напряжении 6В и толщине пленки 0,1мкм - 0,52 %/К. Последнее значение вполне согласуется с экспериментальной величиной 0,6%/К и со значениями температурных коэффициентов известных варисторов [2]. Уменьшение величины температурного коэффициента тока с увеличением напряжения и уменьшением толщины пленки объясняется увеличением составляющей, связанной с температурной зависимостью коэффициента нелинейности, которая становится сравнимой с составляющей, связанной с температурной зависимостью s(Т), и происходит их некоторая частичная компенсация.
Температурную зависимость варисторов характеризуют также температурным коэффициентом напряжения [1]. Учитывая, что при напряжениях, находящихся в окрестности V=1В, с достаточно высокой точностью выражение (1) можно переписать в виде
для относительной температурной чувствительности (температурного коэффициента) напряжения варистора получим
Оценка величины температурного коэффициента напряжения по формуле (7) в температурном диапазоне 300-400 К при напряжении 1В и толщине пленки 0,72 мкм дает (-4,8 - -6,4)%/К. Экспериментально полученная величина составляет -3,8%/К, что вполне согласуется с расчетным значением. Из соотношения (7) и проведенных оценок следует, что температурный коэффициент напряжения отрицателен и также имеет две составляющие, обусловленные температурной зависимостью проводимости s и коэффициента нелинейности. Первая составляющая является доминирующей при больших толщинах и малых напряжениях. При уменьшении толщины пленки до величин порядка 0,1мкм и увеличении напряжения до величин порядка 5-6В величина температурного коэффициента снижается на порядок и достигает величин порядка - 0,04 - - 0,06 %/К, что подтверждается экспериментально. Указанная величина соответствует значению температурного коэффициента промышленных оксидно-цинковых варисторов - 0.05 %/К [1] и меньше величины температурного коэффициента толстопленочных (толщина пленки 300-500мкм) варисторов нового класса, имеющих планарную или сэндвич-конструкцию и составляющую -0,05- -0,4 %/К [1]. При дальнейшем уменьшении толщины пленки величина температурного коэффициента напряжения еще более снижается.
Из проведенного рассмотрения следует, что при определенных условиях величина температурного коэффициента тока и напряжения становится близкой к нулю. Воспользовавшись соотношением (5), условие нулевой температурной чувствительности тока можно записать в виде
С учетом (3) соотношение (8) при e=3 можно переписать в виде
Из соотношения (9) следует, что при увеличении напряжения толщина пленки, требуемая для достижения нулевой чувствительности тока варистора также увеличивается. Расчет по выражению (9) показывает, что при увеличении напряжения варистора от 1В до 10В толщина пленки увеличивается от 0,0063 мкм до 0,063 мкм. Из соотношения (9) видно, что зависимость от температуры в выражении (8) является кажущейся, так как при изменении температуры одновременно меняется коэффициент нелинейности. Расчет величины напряжения, соответствующей нулевой температурной чувствительности тока, по соотношению (9) при толщине пленки d=0,72 мкм и Еt=0,55эВ дает V0=115В, а по экспериментальным кривым, приведенным на рис.2, - V0=140В. При этом погрешность расчета составляет менее 18%, что вполне пригодно для практических расчетов. Полученный результат означает, что значение напряжения, при котором достигается нулевая температурная чувствительность тока предлагаемого тонкопленочного варистора не попадает в область рабочих напряжений последнего. Для решения этой задачи необходимо значительно уменьшить толщину органической пленки. Так как реально требуемые значения толщины пленки составляют величину порядка 0,01мкм, то особую значимость приобретают тонкопленочные варисторы, реализованные по технологии Ленгмюра-Блоджетт. Пленки в таких варисторах формируются на основе растворимых производных фталоцианина.
Таким образом, получены математические соотношения, описывающие температурную чувствительность тока и напряжения, определены аналитические условия нулевой температурной чувствительности тока, на основании которых даны практические рекомендации по выбору толщины органической пленки с целью минимизации температурной чувствительности тока тонкопленочного варистора на основе органической пленки из фталоцианина.
Список литературы.
1.Грязнов Ю.В., Медведев Ф.К. Оксидно-полупроводниковые варисторы. Применение. Система параметров. Свойства. Обзоры по электронной технике, Сер.5. Радиодетали и радиокомпоненты, 1989, вып.2(1446), 48с.
2.Петухов А.П., Тарабанов Г.А. Низковольтные оксидно-цинковые варисторы. Электронная промышленность, 1991, N1, с.25-26.
3.Мамедов А.К. Тонкопленочные варисторы для гибридных интегральных схем. Тезисы докладов Третьей Всесоюзной научно-технической конференции. Состояние и перспективы развития гибридной технологии и гибридных интегральных схем в приборостроении. Ярославль, 1991, с.245-246.
4.Грибов Б.Г., Мамедов А.К. Переключательные МДМ-элементы на основе органических пленок для жидкокристаллических индикаторов. Тезисы докладов Всесоюзной научной конференции. Электроника органических материалов, Ставрополь, сентябрь 1990, с.100-101.
5.А.c. 1210594. СССР. Пленочный варистор. В.Ю. Алиев, А.К. Мамедов, С.А. Садраддинов, МКИ НО1С 7/10, БИ №5, 1986.
6.А.c. 1396838. СССР. Пленочный варистор. В.Ю. Алиев, А.К. Мамедов, С.А. Садраддинов, МКИ НО1С 7/10, БИ №18, 1988.
7.Алиев В.Ю., Грибов Б.Г., Мамедов А.К. Низковольтные пленочные варисторы нового класса. Электронная техника. Сер.6, Материалы, 1991, вып.10(264), с.72-73.
8.Патент 1808218. Россия. Тонкопленочный элемент для электрооптического устройства. А.К. Мамедов, Б.Г. Грибов, Ю.Р. Носов, МКИ GO2F 1/13, БИ N13, 1993.