1、氧化鋅壓敏陶瓷

 

氧化鋅壓敏陶瓷是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物、 經電子陶瓷工藝製成的多晶半導體陶瓷元件，具有非線性導電特性，是抑製過電壓、吸收浪湧能量、ESD防護的主要元件材料。氧化鋅壓敏陶瓷的微觀結構如圖1所示。是由氧化鋅晶粒及晶界物質組成的,其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質而呈N型半導體, 晶界物質中含有大量金屬氧化物形成大量界麵態,這樣兩個晶粒和一個晶界（即微觀單元）形成一個類似背靠背雙向NPN結, 整個陶瓷就是由許多背靠背雙向NPN結串並聯的組合體。由於氧化鋅壓敏陶瓷晶界非常薄，僅有埃數量級，則當施加電壓小於其反向PN結擊穿電壓時

，屬於肖特基勢壘熱電子發射電導，其導通電流與PN結勢壘及溫度有關；當施加電壓大於其反向PN結擊穿電壓（3.2V）時
，屬於隧道電子擊穿導電，其導通電流隻與所施加電壓有關，隧道電子擊穿時間是幾十到百皮秒。

 

 

圖2是壓敏電阻器的等效電路。其中：當施加電壓小於其反向PN結擊穿電壓時，Rb遠大於Rg,施加電壓幾乎全部加在晶界上，Rb＞10M；當施加電壓大於其反向PN結擊穿電壓時，晶界產生隧道電子擊穿導電，Rb遠小於Rg,施加電壓加在晶粒和晶界上，Rg+Rb阻值隻有歐姆級
；因此當外施電壓小於氧化鋅壓敏陶瓷晶界擊穿電壓（即壓敏電壓）時，壓敏電阻呈現絕緣體高阻值，其漏電流僅有微安級；當外施電壓大於氧化鋅壓敏陶瓷晶界擊穿電壓（即壓敏電壓）時，壓敏電阻呈現導體低阻值，通過電流有幾十安培，而且外施電壓小幅提高，通過電流急速增長。 片(pian)式(shi)氧(yang)化(hua)鋅(xin)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)器(qi)是(shi)采(cai)用(yong)氧(yang)化(hua)鋅(xin)壓(ya)敏(min)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)
，經(jing)過(guo)電(dian)子(zi)陶(tao)瓷(ci)流(liu)延(yan)工(gong)藝(yi)製(zhi)成(cheng)的(de)多(duo)晶(jing)半(ban)導(dao)體(ti)陶(tao)瓷(ci)元(yuan)件(jian)。由(you)於(yu)片(pian)式(shi)氧(yang)化(hua)鋅(xin)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)器(qi)可(ke)應(ying)用(yong)於(yu)電(dian)子(zi)電(dian)源(yuan)線(xian)路(lu)和(he)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)線(xian)路(lu)中(zhong)，因(yin)此(ci)被(bei)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)較(jiao)寬(kuan)
，同(tong)時(shi)數(shu)據(ju)線(xian)對(dui)其(qi)電(dian)容(rong)有(you)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)。通(tong)過(guo)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)和(he)工(gong)藝(yi)調(tiao)整(zheng)（如層數和膜厚等），可以得到不同線路保護要求的壓敏電阻器。其結構和線路如圖4：

 

 

2
、TVS管

 

TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）或稱瞬變電壓抑製二極管是在穩壓管工藝基礎上發展起來的一種新產品，其電路符號和普通穩壓二極管相同,外形也與普通二極管無異,分為單向和雙向，具有非線性導電特性，用於線路抑製過電壓
、ESD防護。目前TVS管PN結的反向擊穿電壓一般大於6V
，當施加電壓小於其反向PN結擊穿電壓時，屬於肖特基勢壘熱電子發射電導，其導通電流與PN結勢壘及溫度有關；當施加電壓大於其反向PN結擊穿電壓（6V）時，屬於雪崩電子擊穿導電
，其導通電流隻與所施加電壓有關，雪崩電子擊穿時間可達1～2ns。由於TVS管也是PN結微觀結構，其等效電路類似圖2。TVS管隻有PN結，無晶粒電阻
，即Rg=0。因此當施加電壓大於其反向PN結擊穿電壓時
，PN結雪崩電子擊穿導電，施加電壓主要加在PN結電阻Rb上，Rb阻值隻有歐姆級，因此當外施電壓大於TVS擊穿電壓（即壓敏電壓）時，呈現導體低阻值，通過電流有幾十安培
，而且隨著通過TVS電流急速增長，而TVS兩端電壓仍然很低（相對片式氧化鋅壓敏電阻器而言）。能量耗散對比以及對應用表現的影響基於以上導通機理分析，當片式TVS管兩端經受瞬間的高能量衝擊時
，它能以納秒級時間使其PN結阻抗驟然降低
，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數值上，從而確保後麵的電路元件免受瞬態高能量的衝擊而損壞。由於TVS管內部僅是雪崩PN結結構，在導通時TVS兩端呈現導體低阻值特性
，從而限製電壓較壓敏電阻更低
，在TVS上支路上的通流更大，該特性適合應用於耐ESD電壓特別差或者被保護部位阻抗特別小的部位(如聽筒，MIC,音頻等)。但TVS無法吸收瞬間脈衝能量，隻能將能量單方向傳導至線路的公用地線上，有可能對連接到該公共地的其他ESD敏感器件造成二次破壞。壓敏電阻內部微觀結構是無數個PNjiehejinglidechuanbinglianjieheti
，keyixishouhechuandaonengliang，dangxianluzhongchanshengrenheguodianyashi，yamindianzuqixunsucongzhaooujijueyuandianzubianweioumujidedianzu，jiangguodianyayizhidaojiaodideshuipingbingxishoubufennengliang
，yinciyamindianzudexishounengliangdenenglibiTVS管要強，並且能防止ESD造成的瞬態EMIheercipohuai。yamindianzudetexingtebieshiheyudianyuanbuweihejiaodashuntainengliangdebuweiguoyafanghu。xiangyingshijianzuoweiguodianyabaohuyuanjian

，dangguodianyachuxianshi，baohuyuanjianconggaozuzhijueyuantibianweididianzudaoti、即ji將jiang過guo電dian壓ya的de峰feng值zhi電dian壓ya大da幅fu降jiang低di的de時shi間jian，稱cheng為wei過guo電dian壓ya保bao護hu元yuan件jian的de響xiang應ying時shi間jian。隻zhi有you過guo電dian壓ya保bao護hu元yuan件jian的de響xiang應ying時shi間jian小xiao於yu過guo電dian壓ya的de上shang升sheng時shi間jian，才cai具ju有you過guo電dian壓ya的de抑yi製zhi功gong能neng。過guo電dian壓ya保bao護hu元yuan件jian響xiang應ying時shi間jian是shi由you元yuan件jian材cai料liao及ji結jie構gou決jue定ding的de，當dang產chan品pin結jie構gou中zhong存cun在zai寄ji生sheng電dian感gan、dianrongshi，chuduibaohuyuanjianxiangyingshijianyingxiangwai，haihuiyingxiangguodianyachanshengshunjianxianludezhendangguocheng。muqianhenduoshejirenyuandeyishilicunzaiyamindianzuxiangyingshijianbiTVS慢的誤區
，器件的響應時間一般由材料和產品結構決定，下麵對這兩個因素進行分析。

 

1、材(cai)料(liao)本(ben)征(zheng)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)由(you)上(shang)麵(mian)的(de)導(dao)通(tong)機(ji)理(li)分(fen)析(xi)可(ke)以(yi)知(zhi)道(dao)，氧(yang)化(hua)鋅(xin)壓(ya)敏(min)陶(tao)瓷(ci)導(dao)電(dian)機(ji)理(li)是(shi)隧(sui)道(dao)擊(ji)穿(chuan)，所(suo)以(yi)其(qi)材(cai)料(liao)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)就(jiu)是(shi)其(qi)隧(sui)道(dao)電(dian)子(zi)擊(ji)穿(chuan)時(shi)間(jian)，一(yi)般(ban)為(wei)0.3ns。TVS管導電機理是雪崩擊穿
，其響應時間就是其雪崩電子擊穿時間，一般在0.5~1ns之間。

 

2、chanpinjiegouduixiangyingshijianyingxiangpianshiyanghuaxinyamindianzuqicaiyongduocengdushijiegou，qijishengdianganfeichangxiao，duiqixiangyingshijianyingxiangshenwei，youxieshejirenyuantandaodeyamindianzuxiangyingshijianmanzhuyaozhiyongyuAC端防浪湧的插件壓敏電阻
，因為較長的引線引入寄生的電感導致響應時間較慢（25ns）。而TVS管為了SMT要求，在其兩端設計電極引線，也會產生寄生電感，對其響應時間有一定影響。而ESD放電波形一般在1nS達到峰值（如圖6），這就需要過電壓防護器件在1nS內迅速響應，鉗製過電壓，保護IC和ESD敏感線路。從響應時間看，片式壓敏電阻和TVS的響應時間都滿足ESD防護的需求，從而起到良好的防護效果。

 

綜合以上分析和對比，片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻和TVS管均是抑製ESD的有效器件，TVS管限製電壓較低，瞬態內阻較小，適合應用於耐ESD電壓特別差或者被保護部位阻抗特別小的部位(如聽筒，MIC,音頻等)。而壓敏電阻的吸收能量的能力比TVS管要強，除了一般的ESD防(fang)護(hu)，也(ye)特(te)別(bie)適(shi)合(he)於(yu)電(dian)源(yuan)部(bu)位(wei)和(he)較(jiao)大(da)瞬(shun)態(tai)能(neng)量(liang)的(de)部(bu)位(wei)過(guo)壓(ya)防(fang)護(hu)。在(zai)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)方(fang)麵(mian)
，要(yao)避(bi)免(mian)陷(xian)入(ru)片(pian)式(shi)氧(yang)化(hua)鋅(xin)壓(ya)敏(min)陶(tao)瓷(ci)電(dian)阻(zu)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)慢(man)的(de)誤(wu)區(qu)。由(you)於(yu)工(gong)藝(yi)的(de)差(cha)異(yi)，片(pian)式(shi)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)的(de)價(jia)格(ge)要(yao)遠(yuan)低(di)於(yu)TVS，表現出良好的性價比
，設計人員可以根據電路的實際應用靈活選擇片式壓敏電阻或者TVS。

 

TVS 是半導體保護器件，具有響應速度快
，可靠性高的優點。弱點一是無法承受太大的瞬間電流
，二是其箝位電壓隨著電流增加而增加。

 

特別適合於不需要旁路大能量的低電壓場合應用。示例電路如下：

 

 

壓敏電阻的突破承載取決於它的物理尺寸，因而可以獲得較高的浪湧電流值。其箝位特性使他可以為AC或DC電源線應用中作為瞬態保護元件。壓敏電阻的價格較為低廉。

 

相比TVS二極管它的缺點是寄生電容較大，響應時間較慢，離散性大。

 

另外，壓敏電阻會產生蛻化，因此存在可靠性和性能問題。

 

實例電路AC200V電源防雷：

 

 

DC12V/24V 電源防雷：

 

 

本文整理自《選壓敏電阻還是TVS管? 二者導通機理和應用的分析與對比》順絡電子

 

《TVS管和壓敏電阻的區別以及TVS管的應用》百度知道

 

 

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