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粉体百科|各显神通的半导体陶瓷材 料


来源:中国粉体网   初末

[导读]  半导体陶瓷是指导电性能介于导电陶瓷和绝缘介质陶瓷的一类材 料 ,一般是由一种或数种金属氧化物 ,采用陶瓷工艺制成的多晶半导体材 料。

中国粉体网讯  半导体陶瓷是指导电性能介于导电陶瓷和绝缘介质陶瓷的一类材 料 ,一般是由一种或数种金属氧化物 ,采用陶瓷工艺制成的多晶半导体材 料。半导体陶瓷有一个十分显著的特点 ,就是其导电性质对电压、温度、湿度、气氛等外界条件十分敏感。因 此 ,半导体陶瓷是敏感元器件及传感器技术的关键材 料 ,在现代工业技术特别是计算机、人工智能、机器人模式识别技术中起着非常重要的作用。




半导体陶瓷品种繁多 ,主要有热敏陶瓷、气敏陶瓷、湿敏陶瓷、压敏陶瓷以及光敏陶瓷等。


热敏陶瓷


热敏陶瓷是对温度变化敏感的陶瓷材 料 ,可用来探测和控制某一特定的温度 ,也可作为电流限制器使用。例如马达和变压器的过热保护 ,当温度高度高于某一温度(如80℃)时 ,则热敏陶瓷的电阻急剧增大 ,使线路中的电流减小 ,温度下降 ,同时发出报警信号。热敏电阻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。


典型的PTC半导体陶瓷系列材 料有BaTiO3或以BaTiO3为基的(Ba ,Sr ,Pb)TiO3固溶半导体陶瓷材 料 ,氧化钒等材 料及以氧化镍为基的多元半导体陶瓷材 料。PTC材 料所具有的独特电阻率随温度的变化关系 ,使其应用十分广泛。目前主要应用于温度自控 ,过电流和过热保护、彩电消磁、马达启动、液面深度探测等方面。


NTC热敏半导体陶瓷是研究最早、生产最成熟、应用最广泛的半导体陶瓷之一。这类热敏半导体陶瓷材 料大都是由锰、钴、镍、铁等过渡金属氧化物按一定比例混合 ,采用陶瓷工艺制备而成的。NTC半导体陶瓷目前已广泛用于电路的温度补偿、控温和测量传感器的制作 ,在汽车发动机排气和工业上  高温设备的温度检测及家用电器、防止公害污染的温度检测等方面的应用。


CTR半导体陶瓷是利用材 料从半导体相转变到金属状态时电阻的急剧变化而制成 ,故称为急变温度热敏电阻。主要是以V2O5为基础的半导体材 料。这类材 料常掺杂MgO ,CaO ,SrO ,BaO ,Ba2O ,P2O5 ,GeO2 ,NiO ,WO3 ,MoO3等稀土氧化物来改善其性能。用CTR半导体陶瓷材 料制成的传感器在火灾报警、温度报警等方面有很大的用途 ,在固定温度控制和测温方面也有许多优点 ,其可靠性高 ,反应时间快。


气敏陶瓷


气敏陶瓷亦称气敏半导体 ,是用二氧化锡等材 料经压制烧结而成的 ,是用于吸收某种气体后陶瓷电阻率发生变化的一种功能陶瓷 ,它对许多气体的反应十分灵敏 ,可应用于气敏检漏仪等装置进行自动报警 ,在不少场合可保障人们的生命财产安全。


气敏陶瓷可分为电导式和电话式两类。气敏材 料主要有SnO2系 ,Fe2O3系 ,V2O3系 ,ZrO2系 ,NiO系 ,CoO系及稀土过渡金属氧化物系 ,如Ln(Ni ,Co)O3等。SnO2气敏传感器至今仍是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。


湿敏陶瓷


湿敏陶瓷是当环境温度变化其电性质也相应变化的一类材 料。陶瓷湿敏材 料大部分是利用微孔吸附水分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。常见的湿敏陶瓷有MgCr2O4-TiO2系 ,SiNa2O-V2O5系 ,ZnO-Cr2O3系 ,Fe2O3 ,Fe3O4 ,Ni2O3等 ,主要应用于空调、食品加工、轻纺等烘干系统所用的温度检测和控制元件。


压敏陶瓷


压敏陶瓷是指对电压变化敏感的陶瓷材 料。这种陶瓷的电阻值会随电压呈现非线性的变化 ,在低压下 ,电阻值高 ,因 此流过的电流很小 ,但当电压高于某一定值后 ,电阻值则迅速下降 ,流过的电流快速增大。把这种陶瓷做成的元件并联在电路中 ,可以用来吸收(分流)供电系统中经常可能发生的过电压、过电流冲脉 ,以保护电器设备勉遭破坏。材 料的主晶相主要有ZnO ,SiC ,BaTiO3 ,Fe2O3 ,SnO2 ,SrTiO3等。


典型的压敏陶瓷是氧化锌压敏陶瓷 ,在一般的电器和电子仪器设备中 ,氧化锌压敏陶瓷用于过电压保护。目前 ,它已成为家用电器、工业电子设备、通信、汽车以及电力设备的过电压保护、稳压和浪涌电压的吸收性元件。


光敏陶瓷


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 ,典型的产生光伏特效应的光敏陶瓷有Cu2S-CdS ,CdTe-CdS等。


参考资料:

徐翠艳、王文新等.半导体陶瓷的研究现状及发展前景

周戟.新材 料产业[M]. 2014

殷景华.功能材 料概论[M].2004

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