"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 2, 2003

оглавление

дискуссия

 

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

        ,                                                     (1)

где

                                              (2)

         ,                                                (3)

 - про­во­ди­мость эле­мен­та в оми­чес­кой об­лас­ти;  - коэф­фи­ци­ент не­ли­ней­нос­ти; s-  про­во­ди­мость; V - напряжение на варисторе; d - тол­щи­на плен­ки фта­ло­циа­ни­на;  - глу­би­на уров­ней ло­вуш­ки; e - диэ­лек­три­чес­кая про­ни­цае­мость фта­ло­циа­ни­на; e_о - 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 ) - V^1/2 (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)-V^1/2, 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 R_ст-V (a) и в координатах lnR_ст-V^1/2 (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

 

 

 

,                                               (4)

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

,                                              (5)

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

.                                                        (6)

для относительной температурной чувствительности (температурного коэффициента) напряжения варистора получим

.                                      (7)

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

.                                                           (8)

С учетом (3) соотношение (8) при e=3 можно переписать в виде

.                                                  (9)

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 Е_t=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.