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正改变我们生活的半导体陶瓷
2020年04月02日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:1477
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在大多数人的印象中,陶瓷一直都是绝缘体的代名词。但在上世纪五十年代,科学家发现这些本该是绝缘体的金属氧化物陶瓷(如钛酸钡、二氧化钛、二氧化锡和氧化锌等),只要掺入微量的其他金属氧化物,就会变得有导电能力,它们的电阻介于绝缘体和金属之间,人们称它们为半导体陶瓷。

 

金属、半导体、绝缘体之间的电子带隙对比

备注:带隙是导带的最低点和价带的最高点的能量之差。带隙越大,电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低。

半导体陶瓷与现代信息技术、通讯技术、计算机技术密切相关,是物理、化学、材料科学与工程等多学科交叉的产物,采用半导体陶瓷制作的各种传感器在我们的日常生活中随处可见。下面小编便来带你了解一下半导体陶瓷,并看看它让我们的生活都产生了哪些变化。

一、半导体陶瓷是怎么形成的?

BaTiO3为例,当用离子半径与Ba2+相近的三价离子(如La3+Gd3+Sm3+Dy3+Sb3+等)来置换Ba2+离子,或是用离子半径与Ti4+相近的五价离子(如Ta5+Nb5+Sb5+V5+W5+等)置换Ti4+离子。这时,为了保持电中性,容易变价的钛离子会有一部分Ti4+俘获电子变为Ti3+(即(Ti4+·e)),发生电子补偿产生导电载流子,实现半导化。

二、半导体陶瓷的分类及应用

半导体陶瓷品种繁多具有产业规模生产的主要有热敏、气敏、湿敏、压敏及光敏电阻器等。

1.热敏

热敏电阻器一般可分为正温度系数(PTC),负温度系数(NTC)和临界温度电阻器(CTR)三类。

PTC热敏电阻器:PTC材料多半是BaTiO3BaTiO3固溶体为主晶相的半导体陶瓷元件。在一定的温度范围内,其阻值随温度的增加而增加,发热和散热达到平衡时,此电阻就保持恒定的阻值和温度,可做为恒温加热使用。按材料居里点(Tc)可分为低温、高温,按阻值可分为低阻、高阻,按使用电压可分为低压、常压和高压,按曲线陡度可分为缓变型和开关型。

 

PTC热敏电阻

据世界上最大的电子陶瓷生产公司之一的日本村田制作所报导,PTC产品的品种规格已达169种。利用PTC陶瓷既发热又控温的特性,可以制造许多家用电热电器,如彩电消瓷器、暖风机、卷发器、暖脚器、手炉等等。近年,人们将半导体陶瓷材料涂复在玻璃、陶瓷、搪瓷等器皿上,通电发热用来制造电热壶、电火锅、电热水器等。

NTC热敏电阻:该类有三种不同类型的阻温特性。一是缓变型的热敏电阻;二是负温度突变型,又称临界温度系数热敏电阻(CTR),在特定温度内,其阻值急剧下降;三是阻温特性为直线的陶瓷热敏元件。

常温(300℃)NTC热敏陶瓷材料,大多数是尖晶石型氧化物半导体陶瓷,其中包括二元系材料及多元系材料。二元系陶瓷材料主要有MnO-CuO-O2系、MnO-CoO-O2系、MnO-NiO-O2系等金属氧化物陶瓷。三元系热敏陶瓷材料主要有Mn-Co-Ni系、M n-Cu-Ni系、M n-Cu-Co系等含Mn的金属氧化物。也有不含Mn的NTC热敏陶瓷材料,如Cu-Ni系、Cu-Co-Ni系等。这些氧化物按一定配比混合,经烧结后,性能稳定,可在空气中直接使用,它们的电阻温度系数约为(-1%~-6%)/℃,工作温度在-60~+300℃之间,广泛用于测温、控温、补偿、稳压、遥控、流量流速测量及时间延迟等技术领域。

 

采用NTC热敏电阻的桥式温度计电路,可测出0.005℃的温度变化

CRT热敏电阻:临界温度系数热敏电阻(CRT)是一种具有开关特性的负温度系数热敏电阻。由于某些材料的转变温度较低,因此必须在低温情况下使用。如果需要转变温度较高一些的CTR热敏电阻,就必须搀杂一些氧化物(如CaO、SrO、BaO、SiO2TiO2)。利用这种热敏电阻可以制成固态无触点开关,VO2系临界温度热敏陶瓷已应用于恒温箱温度控制、火灾报警和电路的过热保护等。

2.气敏

常见的气敏半导体陶瓷材料无论是n型,还是p型半导瓷,其气敏特性都是由于表面物理吸附,化学吸附或物理化学吸附引起表面能态发生改变,从而导致材料电导率的变化。材料系统主要有SnO2系,Fe2O3系,V2O3系,V2O5系,ZrO2系,NiO系,CoO系及稀土过度金属氧化物系,如Ln(Ni,Co)O3等。目前SnO2气敏传感器是目前应用最广和性能最优的一种,对许多可燃气体,如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、城市煤气和天然气等都有相当高的灵敏度,并且有较高的重复性和使用寿命。

由于这些材料的电阻会随各种气体的浓度改变几百~几万倍,因此可利用这些陶瓷制造各种气体传感器,人们通俗地称它们为电子鼻。比如说厨房中的煤气报警器,一有煤气泄漏,报警器就会自动发出闪光和鸣叫,警告人们立即采取措施,而用电阻随酒精蒸汽浓度而变的陶瓷可制造酒敏传感器,将这种传感器装在汽车发动机控制电路上,如果驾驶员喝了酒,汽车就不能发动,这可以防止酒后开车肇事。

 

煤气报警器

3.湿敏

湿敏陶瓷具有当环境温度变化导致其电性质相应变化的一类材料。陶瓷湿敏材料大部分是利用微孔吸附水份与晶粒表面作用使电导发生变化制成湿敏传感器,利用电容量变化制成的湿敏陶瓷传感器因湿敏特性曲线的非线性变化、器件不稳定和寿命短等原因,应用范围较窄。目前常见的湿敏陶瓷有MgCr2O4-TiO2系,Si-Na2O-V2O5系,ZnO-Li2O-V2O5系,ZnO-Cr2O3系,Fe2O3Fe3O4Ni2O3等。

用电阻随空气湿度而变的陶瓷制造的湿敏传感器,可以测量和控制大气湿度。装有这种传感器的空调机,不仅冬暖夏凉,而且能始终保持着人类最舒适的湿度,既不会有黄梅天的湿闷,也不会有寒冬的干燥感。装有湿敏传感器的微波炉,可使菜肴烹任完全自动化。另外干衣机之所以能使衣服既能干透,又不烤焦,全靠湿度传感器在控制。

 

4.压敏

压敏电阻器是伏安特性呈非线性,对电压变化敏感的半导体陶瓷。压敏电阻器的非线性伏安特性是由材料的晶界效应引起的结果,可用分立的双肖特基势垒模型等理论进行解释。材料主晶相主要有ZnO,SiC,BaTiO3Fe2O3SnO2SrTiO3等。其中BaTiO3Fe2O3利用的是电极与烧结体界面的非欧姆性,而SiC,ZnO,SnO2SrTiO3利用的是晶界的非欧姆特性。目前,应用最广、性能最好的是ZnO压敏半导体陶瓷。

 

掺杂了铋的ZnO微观结构

目前,低压至集成电路,高压至数百千伏超高压输电系统的瞬态过电压保护,高能至数十万千瓦大型发电机灭磁保护,高频至数十亿赫兹的发射天线都是陶瓷压敏电阻的应用领域。利用上述优越的压敏特性所制作的电阻器有浪涌吸收,高压稳压,超导移能,无间隙避雷器等,已获得广泛应用。

5.光敏

半导体陶瓷在光的照射下,往往会引发其一些电性质的变化,由于陶瓷电特性的不同及光子能量的差异,可能产生光电导效应,也可能产生伏特效应。利用这些效应,可以制造光敏电阻和光电池。典型的产生光电导效应的光敏陶瓷有CdS、CdSe等;产生光生伏特效应的光敏陶瓷有Cu2SCdS、CdTe-CdS等。

Cu2S-CdS陶瓷太阳能电池虽在转换效率方面比不上硅太阳能电池,但它的成本低且耐辐射能力比硅太阳能电池强,宜在空间或地面某些特殊装置中作小功率电源,如我国西部地区广漠无垠的沙漠或草原,但是Cu2S-CdS陶瓷太阳能电池存在转换效率不高和易于老化的缺点,需要进一步研究解决。而CdTeCdS陶瓷太阳能电池是一种厚膜型电池,由于采用厚膜工艺,生产过程易于自动化,成本低,是一种很有前途的陶瓷太阳能电池。

三、结语

显而易见,半导体陶瓷在我们的生活中有着举足轻重的作用,利用这些陶瓷制造的各种各样的电子器件,正显著地改善着我们生活的舒适度并提高身心的安全感。相信在日后,科学家针对这一块的投入及研究还将不断深化,继续设计出更多有益国家发展的新半导体陶瓷材料。

资料来源:

半导体陶瓷的研究现状与发展前景,徐翠艳,王文新,李成。

陶瓷半导体的原理及应用,天津大学化工系技术陶瓷教研室

我们生活中的半导体陶瓷,王天宝

粉体圈 小榆整理

 

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