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第1篇一、实验目的1. 掌握电学元件伏安特性的测量方法；2. 学习伏安特性曲线的绘制与分析；3. 了解线性电阻和非线性电阻的伏安特性；4. 熟悉实验器材的使用方法。
二、实验原理电学元件伏安特性是指元件两端电压与通过元件的电流之间的关系。
通过测量电压和电流，可以得到元件的伏安特性曲线，进而分析元件的特性。
1. 线性电阻元件：线性电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，符合欧姆定律。
其电阻值R为常数，与元件两端的电压U和通过该元件的电流I无关。
2. 非线性电阻元件：非线性电阻元件的伏安特性曲线不是一条通过坐标原点的直线，其电阻值R不是常数，即在不同的电压作用下，电阻值是不同的。
常见的非线性电阻有二极管、白炽灯丝等。
三、实验器材1. 直流稳压电源；2. 万用表；3. 电压表；4. 电流表；5. 线性电阻元件；6. 非线性电阻元件（如二极管）；7. 导线；8. 接线板。
四、实验步骤1. 将实验器材连接成电路，包括直流稳压电源、电压表、电流表、电阻元件和非线性电阻元件。
2. 调节直流稳压电源的输出电压，从低到高逐步增加，记录每个电压值对应的电流值。
3. 根据记录的电压和电流值，绘制伏安特性曲线。
4. 分析伏安特性曲线，确定元件的电阻值、非线性特性等。
五、实验结果与分析1. 线性电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，斜率等于元件的电阻值。
实验结果显示，线性电阻元件的伏安特性符合欧姆定律。
2. 非线性电阻元件的伏安特性曲线不是一条通过坐标原点的直线。
实验结果显示，非线性电阻元件的电阻值随电压的变化而变化，具有非线性特性。
3. 通过分析伏安特性曲线，可以了解元件的特性，如电阻值、非线性特性等。
六、实验心得1. 在实验过程中，要注意调节直流稳压电源的输出电压，确保电压的准确性。
2. 在记录电压和电流值时，要注意单位的统一，避免出现错误。
3. 在绘制伏安特性曲线时，要注意曲线的平滑性，避免出现明显的误差。
电阻选型：厚膜、薄膜电阻特性优缺点比较薄膜电阻由陶瓷基片上厚度为50 Å 至250 Å 的金属沉积层组成（采用真空或溅射工艺）。
薄膜电阻单位面积阻值高于线绕电阻或Bulk Metal® 金属箔电阻，而且更为便宜。
在需要高阻值而精度要求为中等水平时，薄膜电阻更为经济并节省空间。
它们具有最佳温度敏感沉积层厚度，但最佳薄膜厚度产生的电阻值严重限制了可能的电阻值范围。
因此，采用各种沉积层厚度可以实现不同的电阻值范围。
薄膜电阻的稳定性受温度上升的影响。
薄膜电阻稳定性的老化过程因实现不同电阻值所需的薄膜厚度而不同，因此在整个电阻范围内是可变的。
这种化学/机械老化还包括电阻合金的高温氧化。
此外，改变最佳薄膜厚度还会严重影响 TCR。
由于较薄的沉积层更容易氧化，因此高阻值薄膜电阻退化率非常高。
由于金属量少，薄膜电阻在潮湿的条件下极易自蚀。
浸入封装过程中，水蒸汽会带入杂质，产生的化学腐蚀会在低压直流应用几小时内造成薄膜电阻开路。
改变最佳薄膜厚度会严重影响 TCR。
由于较薄的沉积层更容易氧化，因此高阻值薄膜电阻退化率非常高。
如前所述，受尺寸、体积和重量的影响，线绕电阻不可能采用晶片型。
尽管精度低于线绕电阻，但由于具有更高的电阻密度（高阻值/小尺寸）且成本更低，厚膜电阻得到广泛使用。
与薄膜电阻和金属箔电阻一样，厚膜电阻频响速度快，但在目前使用的电阻技术中，其噪声最高。
虽然精度低于其他技术，但我们之所以在此讨论厚膜电阻技术，是由于其广泛应用于几乎每一种电路，包括高精密电路中精度要求不高的部分。
厚膜电阻依靠玻璃基体中粒子间的接触形成电阻。
这些触点构成完整电阻，但工作中的热应变会中断接触。
由于大部分情况下并联，厚膜电阻不会开路，但阻值会随着时间和温度持续增加。
因此，与其他电阻技术相比，厚膜电阻稳定性差（时间、温度和功率）。
由于结构中成串的电荷运动，粒状结构还会使厚膜电阻产生很高的噪声。
给定尺寸下，电阻值越高，金属成份越少，噪声越高，稳定性越差。
课题名称：二氧化钒薄膜的制备及光学性质研究学院：理学院专业：应用物理（光电信息技术）姓名：林延新学号： 040120116指导教师：徐晓峰2008 年5月10日[摘要]VO2是一种典型的热致相变化合物。
随温度的升高，在相变温度T=68℃附近VO2发生从高温金属相到低温半导体相的转变，而且它的物理性能也随之发生突变，如电阻(率)发生4~5个数量级的突变，同时还伴随着磁化率、光学折射率、透射率和反射率的突变，具有红外屏蔽功能。
重要的是可以通过掺杂来改变它的相变温度。
因此，VO2具有较大的应用潜力。
能够根据环境温度的变化而改变太阳红外辐射能量的窗户称之为智能窗或者灵巧窗。
利用智能窗可以按照需要调节进入室内的能量，它能根据室内温度自动调节对太阳光能的透过率。
在冬天，当室内温度低时，红外光进入室内，提高室内温度；在夏天室内温度高时，智能窗自动降低红外光的透过率，阻止室内温度升高，起到冬暖夏凉的作用。
在智能窗发展过程中，热致相变二氧化钒薄膜由于其具有独特的变色性能而受到人们越来越多的关注。
所以各发达国家对该领域的研究工作十分重视。
本文着重地研究了在石英玻璃基底上制备二氧化钒薄膜的工艺，并对薄膜电学特性和光学性能进行了测试和分析。
本文研究重点有三个部分：第一，通过直流磁控溅射和高温热处理技术在石英玻璃基底上制备出二氧化钒薄膜。
第二，运用四探针测试仪和X射线衍射(XRD)分析了薄膜的电阻和薄膜的相结构组成等电学性能。
薄膜的电学性能测试表明其相变温度已经靠近理论值68度，XRD显示这种薄膜含有纳米量级的VO2颗粒。
第三，用实验器材测试VO2薄膜的光学透过率并进行适当分析。
[关键词]热致相变化合物；VO2薄膜；相变；离子束溅射；智能窗；四探针ABSTRACTV02 is a typical thermochromic compound, the phase transition temperature is 68℃. With the increase of temperature, it has metal-to-semiconductor transition at 68C,and its physical properties change, too. For example, electrical resistance has 4-5magnitude abrupt changes, accompanied by abrupt changes in magnetic susceptibility,optical index of refraction transmissivity, and reflectivity and it has infrared screenfunction. The importance is that its phase transition temperature can be changed by doping. Therefore, V02 has great application potentials.The windows which can change infrared radiant energy of sun with temperature of environment is called as intelligence windows or smart windows.It can adjust the energy that come into the room by automatically changing the transmittance to energy of sun.In winter,radiant ray come into the room to increase the temperature;in summer,smart windows automatically change the transmittance of radiant ray to decrease the temperature.In the development of smart windows,thermochromic VO2 thin films have been payed much attention to due to their special properties.So developed countries attach more importance to this field.The thesis concentrates on preparation of thermal-sensitive nanocrystalline vanadium oxide thin films onto the glass substrate and tests on them,introduces a method to improve the optical performance in the end. The thesis focuses on three parts:Firstly, VO2 thin film has been prepared by ion beam sputtering and heat treatment by high temperature onto the glass substrate.Secondly, Four-point-test and XRD have been used to study the thinfilms’morphology and components.The four-point-test shows that the films'phase transition temperature has adienced the academic temperature-- 68℃;Nanometer-scale VO2 grains are found under XRD observation.Finally, Using optical-testing equipment to measure the transmittance spectra of sample very well.Keywords:Thermochromic compound ; VO2thin film ; Phase transition ; Ionbeam sputtering ; Intelligence windows ; Four-point-test第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 VO2薄膜的制备方法 (1)1.2.1 蒸发法 (1)1.2.2 溅射法 (2)1.2.3 脉冲激光沉积(PLD) (2)1.2.4 溶胶-凝胶法(Sol－Gel) (3)1.3 VO2薄膜典型性质 (3)1.3.1 相变及相变温度 (3)1.3.2 光学性质 (4)1.3.3 阻率突变特性 (5)1.4 VO2晶体结构 (6)1.5 应用前景 (7)1.6 本论文研究内容与创新 (8)1.7 本章小结 (8)第二章二氧化钒制备方案和实验装置 (9)2.1引言 (9)2.2二氧化钒制备方案分析 (9)2.3 实验的主要装置 (9)2.3.1磁控溅射 (9)2.4 本章小结 (13)第三章相变纳米VO2薄膜的制备实验研究 (14)3.1 引言 (14)3.2 实验所用靶材及衬底 (14)3.3 溅射过程 (14)3.4 热处理过程 (15)3.5 本章小结 (15)第四章相变纳米VO2薄膜的性质表征 (16)4.1 引言 (16)4.2 相变纳米VO2薄膜XRD检测 (16)4.3相变纳米VO2薄膜的方块电阻检测 (17)4.4 相变纳米VO2薄膜的光学性质检测 (20)4.5 本章小结 (23)第五章全文总结 (24)参考文献 (25)致谢 (27)译文及原文 (28)第一章绪论1.1 引言1831年瑞典化学家尼尔斯·加布里尔·西弗斯特姆(1787-1845)宣布在研究瑞典斯莫兰德的塔堡铁矿生产的铸造生铁时，发现了一种新元素，并以瑞典女神维拉斯之名命名为钒(Vanadium) 。
第1篇一、实验概述伏安特性实验是电学基础实验之一，旨在通过测量电学元件在电压与电流作用下的关系，绘制出伏安特性曲线，从而分析元件的电阻特性。
本实验采用逐点测试法，对线性电阻、非线性电阻元件的伏安特性进行了测量和绘制。
二、实验目的1. 理解伏安特性曲线的概念，掌握伏安特性曲线的绘制方法。
2. 通过实验验证欧姆定律，了解电阻元件的伏安特性。
3. 分析非线性电阻元件的特性，掌握其应用领域。
三、实验原理1. 伏安特性曲线：在电阻元件两端施加电压，通过电阻元件的电流与电压之间的关系称为伏安特性曲线。
根据伏安特性的不同，电阻元件分为线性电阻和非线性电阻。
2. 线性电阻：线性电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，斜率代表电阻值。
其阻值R为常数，与元件两端的电压U和通过该元件的电流I无关。
3. 非线性电阻：非线性电阻元件的伏安特性曲线不是一条经过坐标原点的直线，其阻值R不是常数，即在不同的电压作用下，电阻值是不同的。
四、实验步骤1. 准备实验仪器：直流稳压电源、直流电压表、直流电流表、电阻元件、导线等。
2. 连接实验电路：将电阻元件与直流稳压电源、直流电压表、直流电流表连接成闭合回路。
3. 测量电压与电流：逐步调节直流稳压电源的输出电压，记录对应的电流值。
4. 绘制伏安特性曲线：以电压为横坐标，电流为纵坐标，将实验数据绘制成曲线。
五、实验结果与分析1. 线性电阻伏安特性曲线：实验结果表明，线性电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线。
斜率代表电阻值，与实验理论相符。
2. 非线性电阻伏安特性曲线：实验结果表明，非线性电阻元件的伏安特性曲线不是一条经过坐标原点的直线。
在低电压下，电阻值较小，随着电压的增大，电阻值逐渐增大，直至趋于饱和。
这与实验理论相符。
3. 伏安特性曲线的应用：通过伏安特性曲线，可以分析电阻元件在不同电压下的电阻值，从而了解电阻元件的电阻特性。
在工程实践中，伏安特性曲线对于设计电路、选择电阻元件具有重要意义。
电阻元件的伏安特性_一、实验目的_报告电阻元件的伏安特性一、实验目的1.了解线性电阻元件和几种非线性电阻元件的伏安特性.2.学习电阻元件伏安特性的测试方法.二、实验原理与说明1.电阻元件的伏安特性电阻元件的伏安特性可以用该元件两端的电压与流过元件的电流的关系来表示,这种关系称为伏安特性. 线性电阻元件的伏安特性服从欧姆定律,画在-平面上是一条通过原点的直线.非线性电阻元件的伏安特性不服从欧姆定律,画在-平面上是一条通过原点的曲线.2.电阻元件伏安特性的测试方法对线性电阻元件及单调型的非线性电阻元件,调节电压或电流,读取相应的电流或电压,从而获得元件的伏安特性.三、实验内容图2-1 元件伏安特性的测量1.测定二极管IN4007的伏安特性按图2-1接线,调节稳压源的输出电压,逐一测量电压U及电流I,测试数据记录于表一中.表一、二极管IN4007的伏安特性U 0 0.20 0.40 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75I2.测量小电珠的伏安特性按图2-1接线,调节稳压源的输出电压,逐一测量电压U及电流I,测试数据记录于表二中.表二、小电珠的伏安特性U 0 0.50 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 5.50 6.00I3.测量小电珠的伏安特性按图2-1接线,调节稳压源的输出电压,逐一测量电压U及电流I,测试数据记录于表三中.表三、线性电阻的伏安特性元件I 0 20 40 60 80 100R=25Ω UR=50Ω U四、实验设备序号仪表设备名称选用挂箱型号数量备注1 直流稳压源GDS-02或GDS-03 12 直流稳流源GDS-03 13 IN4007二极管GDS-06D 14 小电珠GDS-06D 15 线性电阻GDS-0 16 直流电压表17 直流电流表2五、注意事项1.接线注意事项:接线时应在断电情况下接线,切勿带电接线接完线后确保无误后才通电接线时按电路图接线,从电源正极出发依次接线,先串后并,最后回到电源负极2.测定二极管的伏安特性注意区分二极管的阳极、阴极二极管导通电压较小,所以电压较小时,电流几乎没有,所以一开始需要用小量程的电流表测电流,电流表量程要从大到小进行调节3.测定小电珠的伏安特性加在小电珠两端的电压不能超过6.3伏4.测定25Ω、50Ω线性电阻的伏安特性电阻用电阻箱,要先把电阻阻值调节好,再接线5.其他注意事项注意选取合适的仪表量程:量程太大,误差大,有时会读不出数据;量程太小,容易损坏仪表每次更换被测元件时,电压源都要回到零发现异常,应及时报告老师实验完成后,需要将仪器归位,导线理顺好放入抽屉,板凳摆好每次做实验之前要写预习报告,并画出数据表格实验数据测完后,数据必须经过老师检查、签字;实验数据未经老师检查,请勿拆线实验原始数据必须附在实验报告中六、实验报告1.列出所有测试数据的表格2.根据所测数据,绘出所测元件的伏安特性曲线.。
氧化钒的用途和性质原理
氧化钒（Vanadium Oxide）是一种由钒和氧组成的化合物，化学式为V2O5。
它具有一些重要的用途和性质原理，下面是一些常见的介绍：
1. 催化剂：氧化钒是一种重要的催化剂，广泛用于化学反应中。
它可以催化多种反应，包括氧化、脱氢、氧化还原和氧化脱硝等。
例如，氧化钒可以用于催化二氧化硫转化为三氧化硫、氨氧化为硝酸和石油催化裂化等反应。
2. 电池材料：氧化钒也被用作锂离子电池和钠离子电池的正极材料。
它具有高比容量、良好的循环稳定性和较高的充放电效率，使其成为一种有潜力的能源存储材料。
3. 光学应用：由于氧化钒在可见光和红外光区域具有良好的吸收性能，它被广泛应用于光学领域。
例如，氧化钒可以用于制备红外吸收涂料、热成像材料和光学滤光器等。
4. 电子器件：氧化钒也可以用于制备电子器件，如场发射显示器（FED）和电致变色器件。
它具有可调变色性能和高电阻比，可以用于制备高分辨率的显示器件。
5. 热敏材料：氧化钒是一种重要的热敏材料，具有温度敏感的电阻特性。
它被广泛应用于温度测量、温度控制和热敏开关等领域。
以上是氧化钒的一些常见用途和性质原理。
希望对您有所帮助！如果还有其他问题，请随时提问。
伏安特性曲线结论分析引言伏安特性曲线是电子元件中常见的特性曲线之一，用于描述元件的电压和电流之间的关系。
伏安特性曲线可以通过实验或者模拟得到。
在电路设计和分析中，了解伏安特性曲线的特点和分析方法非常重要。
本文将通过对伏安特性曲线的结论分析，帮助读者更好地理解和应用伏安特性曲线。
伏安特性曲线的基本形状伏安特性曲线通常呈现出一种非线性的关系，可以分为三个主要区域：欧姆区、饱和区和截止区。
1.欧姆区：在欧姆区，电压和电流之间存在线性关系，即V = I * R，其中V是电压，I是电流，R是电阻。
在欧姆区，元件的电阻保持不变。
2.饱和区：在饱和区，电压增加时，电流基本不变，接近于一个饱和值。
在饱和区，元件的电阻变得非常小。
3.截止区：在截止区，电压增加时，电流非常接近于零。
在截止区，元件的电阻可以被看作无穷大。
伏安特性曲线的应用伏安特性曲线在电子元件的设计和分析中具有广泛的应用。
下面介绍几个主要的应用领域。
1.电阻的计算：欧姆区的伏安特性曲线可以用来计算电阻值。
根据R =V / I，可以通过测量电压和电流，在欧姆区内得到电阻的近似值。
2.元件类型判断：元件的伏安特性曲线可以帮助判断元件的类型。
例如，二极管的伏安特性曲线通常呈现出一个非线性的关系，在截止区域内电流几乎为零，而在饱和区域内有较大的电流。
3.电源设计：伏安特性曲线可以帮助设计电源电路。
通过测量负载在不同电压下的电流，可以了解相应负载的功耗特性，从而设计出合适的电源电路。
伏安特性曲线的分析方法对于给定的伏安特性曲线，可以采用以下方法进行分析。
1.斜率分析：在欧姆区，可以通过斜率分析得到电阻的值。
计算两点间的斜率，即可得到该区域的电阻近似值。
在非线性区域，可以选择合适的线性片段进行斜率分析，得到近似的电阻值。
2.特征点分析：伏安特性曲线上的特征点包括最大电流点、最大功耗点、截止点和饱和点等。
通过分析这些特征点，可以了解元件的工作状态和性能。
3.曲线拟合：对于复杂的伏安特性曲线，可以进行曲线拟合，得到一个数学模型。
电学元件伏安特性研究电学元件的伏安特性是指元件的电流-电压关系，即在不同电压下通过元件的电流大小。
对于电子元件来说，伏安特性是研究元件性能和工作状态的重要参数，也是设计和应用电路时必须考虑的因素。
本文将以电阻、电感和电容三种基本的电学元件为例，探讨它们的伏安特性及其应用。
一、电阻的伏安特性电阻是电路中最常用的元件之一，通过电阻的电流-电压关系可以研究电路的稳定性、功耗和能量转换等问题。
根据欧姆定律，电阻的电流与电压成正比，其伏安特性为直线关系。
换句话说，电压越高，通过电阻的电流就越大。
这个关系可以用下式表示：I=V/R其中，I为电流，V为电压，R为电阻。
当电压为0时，通过电阻的电流也是0，这意味着电阻是一个障碍，完全阻碍电流的流动。
电阻的伏安特性不仅仅是材料本身的特性，还与电阻的尺寸、环境温度等因素有关。
通常，电阻材料的温度系数越大，其伏安特性就越显著。
电阻的温度系数一般由材料的电阻率和温度变化率决定。
在实际应用中，电阻常用于调节电流和电压，限制电流大小和电路的功耗。
二、电感的伏安特性电感是由线圈或线圈组成的元件，通过电感的电流-电压关系可以研究电路的频率响应、能量存储和传输等问题。
根据电感的特性，当电流变化时，它会产生电压反向的感应电动势，这就是电感的自感现象。
电感的伏安特性可以用电压和电流的关系表示：V = L(di/dt)其中，V为电压，L为电感系数，di/dt为电流的变化率。
这个关系表示电感对电流变化的响应速度。
当电流变化越大，电感对电压的产生的作用力也就越大。
电感的伏安特性可以用来调整电流和电压的大小，限制电流的变化速度。
在实际应用中，电感常用于滤波电路、变压器等场合，以实现信号的处理和转换。
三、电容的伏安特性电容是由两个导体板和介质组成的元件，通过电容的电流-电压关系可以研究电路的储能和耦合效应等问题。
根据电容的特性，当电压变化时，它会存储一定数量的电荷，这就是电容的电荷-电压关系。
收稿日期:2007-10-11.材料、结构及工艺氧化钒薄膜电阻伏安特性分析陈 超,蒋亚东,吴志明(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054)摘 要: 对氧化钒薄膜电阻的伏安特性进行了仿真分析,结合实测氧化钒薄膜I V 曲线,指出在器件的应用当中,首先应避免氧化钒薄膜电阻发生相变;在此基础上,对氧化钒薄膜电阻加恒流偏置时,存在端电压过低的问题;指出应该采用脉冲电流为氧化钒薄膜电阻提供偏置,这样既可以提高其端电压,以驱动下一级读出电路,又可以避免氧化钒薄膜电阻发生相变。
关键词: 氧化钒;薄膜;伏安特性;脉冲电流偏置中图分类号:O484.4 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2008)05-0716-03Analysis of the I V Characteristic of Vanadium Oxide Thin FilmCH EN Chao,JIANG Ya dong,WU Zhi m ing(State Key Laboratory of Electronic Thin Film and Integrated Device,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,C HN)Abstract: T he I V char acteristic o f vanadium o xide thin film is simulated and analyzed.Co mbined w ith the tested I V curve,the first important thing is to avo id phase transform ation of the film in device applications.For such devices,there is one problem:the port vo ltag e is v ery low w hen the v anadium o xide thin film is under constant current bias.It is pointed out that the pulse current bias should be adopted to prov ide bias,then bo th the port vo ltag e can be increased to drive the nex t readout circuit and the phase transformation can be avoided.Key words: vanadium ox ide;thin film;volt am pere characteristic;pulse current bias1 引言氧化钒具有较高的温度 电阻系数、相对成熟的沉积技术、沉积条件与硅集成工艺兼容、适中的电阻率,是理想的电阻敏感材料。
氧化钒薄膜作为敏感材料的热探测器的研究已经取得突破性进展[1]。
由于其高温相变的特点,氧化钒电阻应用于器件上时,在偏置电流作用下,其端电压的变化以及伏安特性的变化都会极大地影响氧化钒电阻本身的性质和信号的读出[2],因此对氧化钒电阻在电流偏置条件下的工作状态和伏安特性进行研究就显得尤为重要,通过分析可以找到为氧化钒薄膜电阻施加电流偏置的合理方式和范围,保证其工作在正常状态,并为后端读出电路的设计提供依据。
2 恒流偏置下的氧化钒薄膜电阻伏安特性室温下氧化钒电阻呈半导体相,当工作在电流偏置条件下,不考虑辐射能量,可以得到其伏安特性[3]:V =IR (T s )expEk (T s +I V /G)(1)其中,T s 是衬底温度,G 是探测器的导纳,I 是施加的偏置电流,R(T s )是室温下的氧化钒薄膜电阻值, E =1/2E g 是激活能,而E g 是材料禁带宽度,这里E g 取1.6eV[3]。
当偏置电流产生的焦耳热使得氧化钒电阻温度超过其相变温度时,氧化钒电阻将会发生半导体 金属相变过程[4],进入高温金属相,其工作特性将随之716 SEMIC ONDUC TOR OPTOELECTRONIC S Vol.29No.5Oct.2008改变。
相变过程呈现一级相变特征,伴随相变潜热,电阻率在相变温区的变化存在热滞,故无法直接将高电阻率的变化用于热探测[5]。
氧化钒应用于热探测器时应避免工作在相变温区。
在相变温区,其伏安特性也将不再遵从式(1)的关系。
此时,其伏安特性可表示为[3]V =IR (T s )1+ I V/G(2)式中, 为氧化钒的温度 电阻系数。
结合式(1)和(2),采用计算机仿真手段分析实际中的氧化钒电阻的伏安特性。
让偏置电流从0开始增大,判断出由于焦耳热的聚集使得氧化钒电阻何时发生相变。
由于VO 2在温度为68 时会呈现出明显的半导体 金属相变特点[4],而实际制作的氧化钒电阻是以低价态的钒氧化物为主,因此仿真时近似取相变温度为68 。
取实际的一组典型数字实例,室温下: =-0.02K -1,R (T s )=60k ,G =2!10-7W/K,得到氧化钒电阻的伏安特性曲线如图1所示。
图1 直流偏置下的氧化钒电阻伏安特性仿真曲线对图1进行分析:当偏置电流从0增大时,氧化钒薄膜电阻的伏安特性曲线呈指数关系上升,当偏置电流I =30!A 时,端电压V =0.33V,此时电阻R(T )降至约11k ;此后由于温度聚集超过了相变温度,氧化钒电阻将处于相变区。
考虑到实际使用氧化钒电阻时并不会让它工作在相变区,因此对这一区域中的伏安特性暂不讨论。
在图1中用虚线表示相变区;当氧化钒薄膜电阻从低温半导体相进入高温金属相后,电阻值随偏置电流增大而下降。
从图1中的伏安特性曲线可以看到,在进入相变区前存在一个临界值:I =30!A 。
这就为实际应用器件的设计提供了一定依据。
在R(T s )=60k 时,理论上无论是在器件测试还是在后端读出电路的设计中,施加的恒流偏置电流都不能超过这一临界值,否则将使氧化钒薄膜电阻进入相变区,导致器件失效。
图2和3所示为实际测试得到的氧化钒伏安特性曲线。
从图2和图3看出,在偏置电流小于30!A 时,氧化钒电阻两端的电压一直呈单调上升趋势,而氧化钒电阻的阻值则一直随偏置电流的上升而单调下降。
这组测试数据充分验证了对氧化钒薄膜电阻伏安特性的理论分析和仿真结果,正是由于在测试中严格遵守了偏置点不能超过临界点这一原则,保证了器件始终能有效工作。
3 脉冲电流偏置下的氧化钒电阻伏安特性在前面的伏安特性仿真和测试中,发现在进入临界点以前薄膜电阻的端电压均未超过0.5V,而通常硅材料pn 结的阈值电压在0.7V 左右,恒流偏置下氧化钒电阻的实际端电压值往往还不足以驱动后端电路[6]。
因此,在设计中需要引入脉冲电流偏置,使氧化钒薄膜电阻上的电压能够提高到足以驱动下一级读出电路,同时,也可以避免薄膜电阻在短时间内聚集过多热量而进入相变区。
717 ∀半导体光电#2008年10月第29卷第5期陈 超等: 氧化钒薄膜电阻伏安特性分析当采用脉冲电流提供偏置时,热探测器的热平衡方程为[3]Cd T d t+G T =I 2R(T)(3)R(T)=R (T s )ex p EkT(4)在此次仿真分析中,暂取氧化钒薄膜电阻的阻值为初始电阻的阻值,因为在后面的仿真结果也能看出,其温升不大,氧化钒电阻近似不变。
取脉冲偏置电流I 的周期为15m s,其中脉冲作用时间t pulse =20!s,初始温度T s =300K,G =2!10-7W/K ,C =3!10-9J/K,R (T )=R (T s )=60k ,并连续改变偏置电流的取值,采用计算机仿真手段可求得方程(3)的数值解,如图4所示。
从图4可以看到,在脉冲电流作用时间t pulse 内,单元温度单调上升,当脉冲电流未作用时,单元温度略有回落;在经过足够多个脉冲周期后,单元温度会趋于稳定。
图4 脉冲电流偏置下的单元温升 T同时,从图4中也可以看到温升随脉冲电流变化的关系。
当偏置电流从0增加到45!A 时,氧化钒薄膜电阻的温升不到0.8K 。
由于温升较小,采用脉冲偏置能避免敏感材料上聚集过多的焦耳热,从而防止氧化钒发生相变而导致器件失效。
在脉冲电流作用的过程中,薄膜电阻随温度变化为R (T ),根据V =I R (T )便可得到此时薄膜电阻端电压值,绘出其伏安特性曲线,如图5所示。
可以明显地看到,随着偏置电流从0增加到45!A,由于温升值很小,氧化钒薄膜电阻的阻值下降不大,其端电压随着偏置电流以较好的线性度上升到约2.5V,且不会进入相变区。
这一分析结果为后端读出电路的设计提供了依据。
例如,当R(T s )=60k 时,采用20!A 的脉冲电流为薄膜电阻提供偏置时,其在室温下的端电压为1.2V,不会超过理论上的临界值,同时足以驱动下一级电路。
图5 脉冲电流偏置下的氧化钒薄膜电阻伏安特性曲线4 结论通过计算机仿真和实测数据分析了氧化钒的伏安特性。
结果表明,在未产生相变时,氧化钒表现出了良好的热敏性能。
但若采用恒流偏置,端电压过低,如果一味提高偏置电流,氧化钒薄膜电阻又很容易由于过多的焦耳热聚集发生相变而进入金属相,导致器件失效。
为了避免相变的发生,在非致冷红外探测器的应用当中,应采用脉冲电流对氧化钒敏感材料进行偏置,这样既能防止产生过多的焦耳热使氧化钒发生相变进入金属相,同时又能有效地提高其端电压值。
本文着重分析了恒流偏置下以及脉冲电流偏置下的氧化钒薄膜电阻伏安特性,并指出:对现有氧化钒薄膜,若采用20!A 的脉冲电流为其提供偏置,室温下的端电压为1.2V,足以驱动后端电路。
这给后端读出电路的设计提供了理论依据。
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