第六章半導(dǎo)體陶瓷

1、第六章 半導(dǎo)體陶瓷一、教學(xué)基本要求了解半導(dǎo)體瓷的種類，掌握BaTiO3陶瓷的半導(dǎo)化機(jī)理，PTC效應(yīng)機(jī)理，了解半導(dǎo)體陶瓷電容器的分類及其性能，理解表面層、晶界層電容效應(yīng)。掌握金屬與半導(dǎo)體的接觸形式及原因。二、基本內(nèi)容概述6.1 半導(dǎo)體陶瓷的基本概念1、裝置瓷、電容器瓷、鐵電壓電瓷：V1012cm ，防止半導(dǎo)化，保證高絕緣電阻率；半導(dǎo)體瓷：V106cm2、半導(dǎo)體瓷：傳感器用，作為敏感材料，電阻型敏感材料為主：    V或S對(duì)熱、光、電壓、氣氛、濕度敏感，故可作各種熱敏、光敏、壓敏、氣敏、濕敏材料。3、非半導(dǎo)體瓷體效應(yīng)（晶粒本身）半導(dǎo)體瓷晶界效應(yīng)及表面效應(yīng)6.2 BaT

2、iO3瓷的半導(dǎo)化機(jī)理1、原子價(jià)控制法（施主摻雜法）         在高純（）BaTiO3中摻入微量（mol）的離子半徑與Ba2+相近，電價(jià)比Ba2+離子高的離子或離子半徑與Ti4+相近而電價(jià)比Ti4+高的離子，它們將取代Ba2+或Ti4+位形成置換固溶體，在室溫下，上述離子電離而成為施主，向BaTiO3提供導(dǎo)帶電子（使部分Ti4+eTi3+），從而V下降（102cm），成為半導(dǎo)瓷。2、強(qiáng)制還原法在還原氣氛中燒結(jié)或熱處理，將生成氧空位而使部分Ti4+Ti3+，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。3、AST法當(dāng)材料中含有Fe、K等受主雜質(zhì)時(shí)，不利

3、于晶粒半導(dǎo)化。加入SiO2或AST玻璃（Al2O3·SiO2·TiO2）可以使上述有害半導(dǎo)的雜質(zhì)從晶粒進(jìn)入晶界，富集于晶界，從而有利于陶瓷的半導(dǎo)化。6.3 PTC熱敏電阻 1、PTC效應(yīng)：半導(dǎo)體BaTiO3陶瓷，當(dāng)溫度超過居里溫度時(shí)，在幾十度的范圍內(nèi)，電阻率會(huì)增大410個(gè)數(shù)量級(jí)，即PTC效應(yīng)。2、電阻-溫度特性、電壓-電流特性，電流-時(shí)間特性。3、PTC機(jī)理：l         海旺模型l         丹尼爾斯模

4、型6.4 半導(dǎo)體陶瓷電容器1、分類及性能半導(dǎo)體陶瓷電容器按其結(jié)構(gòu)、工藝可分為三類：l        表面阻擋層型l        表面還原再氧化型l        晶界層型。2、表面型半導(dǎo)體陶瓷電容器3、晶界型半導(dǎo)體陶瓷電容器三、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析1、BaTiO3陶瓷的半導(dǎo)化機(jī)理       純BaTiO3陶瓷的禁帶寬度，因而室溫電

5、阻率很高(>1010cm)，然而在特殊情況下，BaTiO3瓷可形成n型半導(dǎo)體，使BaTiO3成為半導(dǎo)體陶瓷的方法及過程，稱為BaTiO3瓷的半導(dǎo)化。       BaTiO3陶瓷的半導(dǎo)化方法主要包括原子價(jià)控制法和強(qiáng)制還原法。l         原子價(jià)控制法在高純（）BaTiO3中摻入微量（mol）的離子半徑與Ba2+相近，電價(jià)比Ba2+離子高的離子或離子半徑與Ti4+相近而電價(jià)比Ti4+高的離子，它們將取代Ba2+或Ti4+位形成置換固溶體，在室溫下

6、，上述離子電離而成為施主，向BaTiO3提供導(dǎo)帶電子（使部分Ti4+eTi3+），從而V下降（102cm），成為半導(dǎo)瓷。l         強(qiáng)制還原法在還原氣氛中燒結(jié)或熱處理時(shí)，氧以分子狀態(tài)逸出，將生成氧空位，氧空位帶正電，為維持電中性氧空位可束縛電子。這些多余的電子被Ti4+捕獲，而使部分Ti4+Ti3+，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。2、PTC效應(yīng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻雜BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷在居里點(diǎn)以下無PTC效應(yīng)，電阻率很低，在Tc以上v隨T升高呈指數(shù)的增加。這與BaTiO3鐵電體的在Tc以下很高，Tc以上迅速降低相對(duì)應(yīng)。因此

7、，PTC效應(yīng)必然與鐵電性有關(guān)。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)尉aTiO3無PTC特性，強(qiáng)制還原法所得半導(dǎo)體BaTiO3的PTC特性很小或沒有PTC特性。因此，PTC效應(yīng)與晶界有關(guān)。       根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，海旺提出了PTC效應(yīng)模型：BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷晶粒內(nèi)部為n型半導(dǎo)體，在晶界處，由于吸附氧或受主雜質(zhì)偏析，在晶界上形成“電子陷阱”，因此從導(dǎo)帶或施主能級(jí)上來的電子，首先填充在表面態(tài)中，從而在晶界形成受主電荷，并在晶粒內(nèi)距晶界一定寬度形成相反電荷的空間電荷層（阻擋層），從而出現(xiàn)晶界勢(shì)壘。晶界勢(shì)壘與存在以下關(guān)系：因此，當(dāng)TTc時(shí)，T，0，即勢(shì)壘高度0隨溫度T而迅速升高。隨T呈指數(shù)式迅速升高，顯示出PTC特性。       然而，海旺模型本身存在一定的局限性，有一些實(shí)驗(yàn)