熱敏電阻材料課件

1、功 能 材 料 1功 能 材 料 1導(dǎo)電功能材料是指那些具有導(dǎo)電特性的物質(zhì)，它包括電阻材料、電熱與電光材料、導(dǎo)電與超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、介電材料、離子導(dǎo)體和導(dǎo)電高分子材料等。第二章 導(dǎo)電功能材料2導(dǎo)電功能材料是指那些具有導(dǎo)電特性的物質(zhì)，它包括電阻材料、 一、固體導(dǎo)電理論 自由電子理論 （量子自由電子理論） 能帶理論 近代電導(dǎo)理論 第一節(jié) 固體的導(dǎo)電性3 一、固體導(dǎo)電理論第一節(jié) 固體的導(dǎo)電性3 二、導(dǎo)電功能材料的分類 導(dǎo)體 (電導(dǎo)率 106 108 S/m) 絕緣體 (電導(dǎo)率 1020 10 S/m) 半導(dǎo)體 (電導(dǎo)率 109 105 S/m)4 二、導(dǎo)電功能材料的分類4第二節(jié) 金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電

2、材料是指用以傳送電流而無或只有很小電能損失的材料。它包括：1. 電力工業(yè)用的電線、電纜等強(qiáng)電用的導(dǎo)電引線材料2. 電子工業(yè)中傳送弱電流的導(dǎo)體布線材料、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電 粘接劑及導(dǎo)電透明材料。5第二節(jié) 金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料是指用以傳送電流而無或只導(dǎo)電引線材料要求： 高的導(dǎo)電性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、不易氧化、不易腐蝕、易加工、可焊接。 、導(dǎo)電引線材料6導(dǎo)電引線材料要求： 高的導(dǎo)電性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、不易氧化 要求：膜電阻小、附著力強(qiáng)、可焊性和抗焊熔性好等。 材料：Au、Ag、Cu、Al等電導(dǎo)率高的材料；或使用金屬粉和石墨粉與非金屬混合的復(fù)合導(dǎo)電材料。其電阻率通常比強(qiáng)電用材料高得多，并有厚膜和薄膜之分。、

3、導(dǎo)體布線材料7 要求：膜電阻小、附著力強(qiáng)、可焊性和抗焊熔性好等。、導(dǎo)體厚膜布線導(dǎo)體可分為如下二類：Au、Ag、Pt、Pd等貴金屬系 采用導(dǎo)體漿料絲網(wǎng)印刷后燒結(jié)而成，膜層致密，附著力強(qiáng)，可用非活性焊劑焊接，抗焊熔性好，絲網(wǎng)印刷性好，與多種電阻及介質(zhì)材料兼容。Cu、Ni、Al、Cr等賤金屬系 價格低廉，膜電阻小、可焊性和抗焊熔性好、無離子遷移；但工藝要求高，老化性能較差。8厚膜布線導(dǎo)體可分為如下二類：Au、Ag、Pt、Pd等貴金屬薄膜布線導(dǎo)體也可分為二類：單種金屬形成的單層薄膜導(dǎo)體（單元膜） 有良好的導(dǎo)電性，易于成膜，無需其它金屬做底層就可具有良好的附著力、可超聲焊和熱壓焊、成本低，薄膜表面生成的

4、氧化層有利提高多層布線的絕緣性。 缺點：鋁薄膜表面的氧化層造成焊接困難，焊點易脫開，抗電遷移能力弱。 9薄膜布線導(dǎo)體也可分為二類：單種金屬形成的單層薄膜導(dǎo)體（單元不同金屬膜所構(gòu)成的多層薄膜導(dǎo)體（復(fù)合膜） 一般包括底層和頂層：底層主要作用是使頂層導(dǎo)體膜牢固附在基片上。常見有Cr、NiCr、Ti等易氧化的金屬，以便與基片中的氧形成共價鍵，厚度約2050nm； 頂層通常為導(dǎo)電性好、抗電遷移能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、可焊性好的Au膜，厚度1000nm； 有時為阻止底層和頂層間的互擴(kuò)散，提高穩(wěn)定性和抗蝕能力，加入100300nm阻擋層（如Cu）。10不同金屬膜所構(gòu)成的多層薄膜導(dǎo)體（復(fù)合膜） 10第三節(jié) 電

5、阻 材 料 凡利用物質(zhì)的固有電阻特性來制造不同功能元件的材料都稱為電阻材料。它包括：1. 調(diào)節(jié)器、電位器、精密儀器儀表用的精密電阻合金2. 加熱器用的電阻材料。3. 傳感器用的電阻合金4. 電子工業(yè)用的膜電阻材料11第三節(jié) 電 阻 材 料 凡利用物質(zhì)的固有電阻特性來制電阻系數(shù),又叫電阻率,是指電熱體當(dāng)溫度在20,1m長度的電熱體1mm2端面所具有的電阻值,其單位：mm2/m 。電熱體的電阻隨著溫度變化而變化，衡量這個變化程度的叫電阻溫度系數(shù)?？砂聪率接嬎悖菏街?0 為電熱元件在20的電阻率； 為電阻溫度系數(shù)， -1； t 為電熱元件的工作溫度，。12電阻系數(shù),又叫電阻率,是指電熱體當(dāng)溫度在20

6、,1m長度的電特點：在盡可能寬的溫度范圍內(nèi)具有低的電阻溫度系數(shù)TCR及二次電阻溫度系數(shù)；電阻值均勻性好；良好的加工工藝性能和力學(xué)性能；耐磨性和抗氧化性好。材料：包括錳銅合金、鎳銅合金、改良型鎳鉻電阻合金、貴金屬精密電阻合金以及改良型鐵鉻鋁等其它系列精密電阻合金等。一、精密電阻合金13特點：在盡可能寬的溫度范圍內(nèi)具有低的電阻溫度系數(shù)TCR及二 包括工作在1350C以下的普通中低溫電熱合金和在1350 C以上使用的貴金屬電熱合金及陶瓷電熱材料。特點：在高溫下具有良好的抗氧化性及穩(wěn)定性；具有高的電阻率和低的電阻溫度系數(shù)；良好的加工工藝性能；足夠的高溫強(qiáng)度；價格低廉。二、電熱器用電阻材料14 包括工作

7、在1350C以下的普通中低溫電熱合金和在132.1 電熱合金康銅(Cu-Ni)合金，使用溫度500 C以下，具有不大的電阻溫度系數(shù)和較高的電阻率。 Ni基或Fe基電熱合金，使用溫度9001300 C。Ni基合金隨Cr含量不同，其抗氧化能力不同，w(Cr)為15以上，其性能良好，Ni80Cr20合金綜合性能最好；Fe基合金的耐熱性隨Al和Cr的含量增加而增高，且長時間使用永久伸長率較大。152.1 電熱合金康銅(Cu-Ni)合金，使用溫度500 CNi基及Fe基合金在10001300范圍內(nèi)，空氣中使用最多。它們抗氧化、價格便宜、易加工、電阻大和電阻溫度系數(shù)小。注意： 它們抗氧化因為在高溫下由于空

8、氣的氧化能生成(致密的）Cr2O3或NiCrO4，阻止進(jìn)一步氧化。16Ni基及Fe基合金在10001300范圍內(nèi)，空氣中使用最 純金屬電熱體鎢、鉬、鉭（Mo、W、Ta）共性：在真空或適當(dāng)氣氛下獲得更高的溫度； 電阻系數(shù)大，熔點高，抗氧化差(不能在空氣中使用) 鉬： 常 用 溫 度 16001700 鎢： 22002400,熔點3400鉭：20002100 ，熔點2900高純氫,氨分解氣,無水酒精蒸汽,真空鉬在氧化氣氛下生成氧化鉬升華，易滲碳變脆，最高使用溫度2500使 用 氣 氛 真空、高純氫氣或惰性氣體 真空和惰性保護(hù)氣氛（注意：氮氣中不能用)最高使用溫度2200注意:不能處滲碳?xì)夥罩?.2

9、 電熱貴金屬17 純金屬電熱體鎢、鉬、鉭（Mo、W、Ta）共性：在真空或適 鉑和鉑銠合金(Pt, Pt-Rh)鉑：多用于微型電熱爐中,如臥式顯微鏡的微型加熱爐,測定冶金熔體熔點的小型電爐及標(biāo)定熱電偶的小型電路中； 使用溫度為13001400, 鉑銠合金絲可用到1600。 鉑電熱體 優(yōu)點，。能經(jīng)受氧化氣氛電阻系數(shù)小升溫導(dǎo)熱快電熱性能穩(wěn)定缺點不能經(jīng)受還原性氣氛及硅、鐵、硫、碳元素的侵蝕價格十分昂貴18 鉑和鉑銠合金(Pt, Pt-Rh)鉑：多用于微型電熱爐中2.3 電熱陶瓷碳化硅(SiC) 二硅化鉬(MoSi2)鉻酸鑭（LaCrO3） 二氧化錫（SnO2）192.3 電熱陶瓷碳化硅(SiC) 19

10、 碳化硅（SiC）碳化硅是通過鍵能很高的共價鍵結(jié)合的晶體。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱至高溫還原而成：SiO2+3CSiC+2CO。碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等。20 碳化硅（SiC）20碳化硅的最大特點是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。 碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。SiC軸承 碳化硅陶瓷坩堝 21碳化硅的最大特點是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐

11、腐蝕、抗蠕變形狀: 常為棒狀或管狀，也有U型及W型。 耐溫度驟變性好， 化學(xué)性能穩(wěn)定，不與酸性材料反應(yīng)； 耐高溫，在空氣中常用溫度為1450。注意: SiC電熱體不能在真空和氫氣氣氛中使用 ; 可以在1300 將它浸于B2O3中并升溫至1500， 則其表面形成硼化膜，增加其使用壽命。在使用過程中電阻率緩慢增大老化如何延長其使用壽命?優(yōu)點22形狀: 常為棒狀或管狀，也有U型及W型。 在使用過程中電阻率 二硅化鉬 特性： 熔點較高(2030)； 密度適中(6.24g/cm3)； 抗氧化性優(yōu)良； 導(dǎo)電導(dǎo)熱性好； 熱膨脹系數(shù)較低。23 二硅化鉬23 發(fā)熱元件 24 242525 適用于空氣，可用于氮氣

12、、惰性氣體中;使用到1200 1650;沒有“老化”現(xiàn)象,在空氣中長時間使用而電阻 率不變 MoSi2特有的優(yōu)點注意:不能用于還原性氣氛和真空中“MoSi2疫” 低溫(500700 )空氣中使用時，Mo被大量氧化，而又不能形成保護(hù)膜。MoSi2疫避免低溫空氣中使用為何MoSi2電熱體可以在高溫下，氧化性氣氛中使用？在高溫下，發(fā)熱體表面生成MoO3揮發(fā)出去，從而在發(fā)熱體表面形成致密的SiO2保護(hù)膜，阻止其進(jìn)一步受到氧化。26 適用于空氣，可用于氮氣、惰性氣體中;使用 鉻酸鑭（LaCrO3）鉻酸鑭發(fā)熱元件是以鉻酸鑭為主要成分， 在高溫氧化氣氛電爐中使用的電阻發(fā)熱元件； 其耗能少，可以精確控制溫度。

13、 能夠在空氣氣氛表面溫度允許1900， 可獲 得1850的爐溫； 能在氧化氣氛下長期使用， 適合于高精度溫度的自動化控制， 其爐溫穩(wěn)定度可在1之內(nèi)。優(yōu)點27 鉻酸鑭（LaCrO3）鉻酸鑭發(fā)熱元件是以鉻酸鑭為主要成分二氧化錫（SnO2）二氧化錫主要用作高溫導(dǎo)體、歐姆電阻器、透明薄膜電極和8氣體敏感元件等。 二氧化錫本身不能被燒結(jié)成致密的陶瓷，往往需要加入氧化鋅和氧化銅等燒結(jié)劑并摻雜V族元素Sb和As以形成半導(dǎo)體，這樣可以得到致密度為98%的SnO2。 該陶瓷主要用于制作熔融特種玻璃電極。28二氧化錫（SnO2）二氧化錫主要用作高溫導(dǎo)體、歐姆電阻器、碳質(zhì)電熱體為防止高溫氧化而燒毀，應(yīng)在保護(hù)氣氛中（

14、氫氣、氮氣、二氧化碳、氬氣）和真空中使用。 以碳系發(fā)熱體做熱源的高溫爐，常用溫度18002200。最高使用溫度可達(dá)360029碳質(zhì)電熱體為防止高溫氧化而燒毀，應(yīng)在保護(hù)氣氛中（氫氣、氮氣 敏感陶瓷是某些傳感器中的關(guān)鍵材料，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多屬于半導(dǎo)體陶瓷，是繼單晶半導(dǎo)體材料之后，又一類新型多晶半導(dǎo)體電子陶瓷。 敏感陶瓷是根據(jù)某些陶瓷的電阻率、電動勢等物理量對熱、濕、光、電壓及某些氣體，某種離子的變化特別敏感這一特性，按其相應(yīng)的特性，可把這些材料分別稱為熱敏、濕敏、光敏、壓敏、氣敏及離子敏感陶瓷。三、熱敏電阻材料30 敏感陶瓷是某些傳感器中的關(guān)鍵材料，用于制作敏熱敏陶瓷是半導(dǎo)體陶瓷材料中

15、的一類，其電阻率約為10-4107.cm。陶瓷材料可以通過摻雜或者使化學(xué)計量比偏離而造成晶格缺陷等方法獲得半導(dǎo)性。半導(dǎo)體陶瓷的共同特點是：它們的導(dǎo)電性隨環(huán)境而變化，利用這一特性，可制成各種不同類型的陶瓷敏感器件，如熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、光敏器件等。31熱敏陶瓷是半導(dǎo)體陶瓷材料中的一類，其電阻率約為10-410熱敏陶瓷 thermistor ceramics熱敏陶瓷是指對溫度變化敏感的陶瓷材料。熱敏陶瓷熱敏電容熱敏電阻熱釋電材料正溫度系數(shù)熱敏電阻（BaTiO3半導(dǎo)體瓷）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（MnCoNi半導(dǎo)體瓷）熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的電阻元件。電阻值隨溫度升高而增加的稱為正溫度系數(shù)（P

16、TC）熱敏電阻電阻值隨溫度升高而減小的稱為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻32熱敏陶瓷 thermistor ceramics熱敏陶 熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料就是利用它的電阻、磁性、介電性等性質(zhì)隨溫度而變化，用它作成的器件可作為溫度的測定、線路溫度補(bǔ)償及穩(wěn)頻等，且具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、制造工藝簡單及價格便宜等特點。 按照熱敏陶瓷的電阻-溫度特性，一般可分為三大類：1電阻隨溫度升高而增大的熱敏電阻稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱PTC熱敏電阻；2電阻隨溫度的升高而減少的熱敏電阻稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱NTC熱敏電阻；3電阻在某特定溫度范圍內(nèi)急劇變化的熱敏電阻，簡稱為CTR臨界溫度熱敏電阻。33 熱敏半導(dǎo)

17、體陶瓷材料就是利用它的電阻、磁性基本特性1、標(biāo)準(zhǔn)阻值（R） 熱敏電阻器在規(guī)定溫度下（25），采用引起電阻值不超過0.1%的功率測得的電阻值，稱為標(biāo)準(zhǔn)阻值。2、材料常數(shù)（B） 表征熱敏電阻材料物理特性的常數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)阻值的關(guān)系如下式：PTC熱敏電阻NTC熱敏電阻AP、AN為與形狀尺寸相關(guān)的常數(shù)34基本特性1、標(biāo)準(zhǔn)阻值（R） 熱敏電阻器在規(guī)定溫度下（253、耗散系數(shù)（H） 表示熱敏電阻溫度升高1所消耗的功率，描述了熱敏電阻工作時與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換的大小。其中：W 熱敏電阻消耗的功率(mW)T 熱敏電阻的溫度T0 環(huán)境溫度I 在溫度T時通過熱敏電阻的電流（mA）R 在溫度T時熱敏電阻的電阻值()35

18、3、耗散系數(shù)（H） 表示熱敏電阻溫度升高1所消耗的功率4、時間常數(shù)（） 熱敏電阻在零功率狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度由一個特定溫度向另一個特定溫度突變時，熱敏電阻阻值變化63.2%所需時間。 起始溫度：2585或01005、溫度系數(shù)（T） 當(dāng)溫度變化1時，熱敏電阻阻值的變化率。 T和RT對應(yīng)于溫度T（K）時的電阻溫度系數(shù)和電阻值，在工作溫度范圍內(nèi)，T不是一個常數(shù)。364、時間常數(shù)（） 熱敏電阻在零功率狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度一、PTC熱敏陶瓷1、PTC熱敏電阻的基本特性（1）電阻溫度特性 其電阻溫度曲線（R-T曲線）見圖8-1。 居里溫度Tc可通過摻雜來調(diào)整。（2）電阻溫度系數(shù) 是指零功率電阻值的溫度系數(shù)，其

19、定義為： T=1/RT*dRT/dT對于PTC，T=2.303/(T2-T1)*lgR2/R137一、PTC熱敏陶瓷37PTC熱敏電阻 PTC是Positive Temperature coefficient (正溫度系數(shù))的縮寫，是一種以鈦酸鋇(BaTiO3)為主要成分的半導(dǎo)體功能陶瓷材料，具有電阻值隨著溫度升高而增大的特性，特別是在居里溫度點附近電阻值躍升有37個數(shù)量級。 利用其最基本的電阻溫度特性及電壓-電流特性與電流-時間特性，PTC系列熱敏電阻已廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子設(shè)備，汽車及家用電器等產(chǎn)品中，以達(dá)到自動消磁、過熱過流保護(hù)，馬達(dá)啟動，恒溫加熱，溫度補(bǔ)償、延時等作用。38PTC熱敏電阻

20、PTC是Positive Tempera（3）室溫電阻率 是指25時的零功率電阻率a。（4）電壓-電流特性：見圖8-2（5）耐壓特性 是指PTC熱敏電阻陶瓷所承受的最高電壓Vmax。（6）電流-時間特性（7）放熱特性39（3）室溫電阻率39二、PTC熱敏陶瓷材料 PTC熱敏電阻器有兩大系列：一類是采用BaTiO3為基材料制作的PTC；另一類是以氧化釩為基的材料。1、 BaTiO3系PTC熱敏電阻陶瓷（1） BaTiO3陶瓷產(chǎn)生PTC效應(yīng)的條件 當(dāng)BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半導(dǎo)化，而晶界具有適當(dāng)絕緣性時，才具有PTC效應(yīng)。 PTC效應(yīng)完全是由其晶粒和晶界的電性能決定，沒有晶界的單晶不具有P

21、TC效應(yīng)。 40二、PTC熱敏陶瓷材料40（2）陶瓷的半導(dǎo)化 由于在常溫下是絕緣體，要使它們變成半導(dǎo)體，需要一個半導(dǎo)化。所謂半導(dǎo)化，是指在禁帶中形成附加能級：施主能級或受主能級。在室溫下，就可以受到熱激發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)電載流子，從而形成半導(dǎo)體。 形成附加能級的方法：通過化學(xué)計量比偏離和摻雜。A、化學(xué)計量比偏離 在氧化物半導(dǎo)體陶瓷的制備過程中，通過控制燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛以及冷卻氣氛等，產(chǎn)生化學(xué)計量的偏離。41（2）陶瓷的半導(dǎo)化41B、摻雜 在氧化物中，摻入少量高價或低價雜質(zhì)離子，引起氧化物晶體的能帶畸變，分別形成施主能級和受主能級。從而形成n型或p型半導(dǎo)體陶瓷。（3） BaTiO3陶瓷的半導(dǎo)化 一般采用

22、摻雜施主金屬離子。在高純BaTiO3陶瓷中，用La3+、Ce4+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Sb3+、Bi3+等置換Ba2+?；蛴肗b5+、Ta5+、W6+等置換Ti4+。 摻雜量一般在0.2%0.3%之間，稍高或稍低均可能導(dǎo)致重新絕緣化。42B、摻雜42（4） BaTiO3PTC陶瓷的生產(chǎn)工藝 以居里點Tc為100的PTC BaTiO3陶瓷為例。(1-y)(Ba1-xCaxTi1.01O3).ySrSnO3+0.002La2O3+0.006Sb2O3+0.0004MnO2+0.0025SiO2+0.00167Al2O3+0.001Li2CO3A、原料：一般應(yīng)采用高純度的原料，特別要控制受主

23、雜質(zhì)的含量，把Fe、Mg等雜質(zhì)含量控制在最低限度。一般控制在0.01mol%以下。B、摻雜：施主摻雜物L(fēng)a2O3、Nb2O5、Y2O3等宜在合成時引入，含量在0.20.3mol%這樣一個狹窄的范圍內(nèi)。C、瓷料制備及成型：傳統(tǒng)的工藝難以解決純度和均勻性的問題，現(xiàn)已經(jīng)開始采用液相法。D、燒成：PTC陶瓷必須在空氣或氧氣氛中燒成。43（4） BaTiO3PTC陶瓷的生產(chǎn)工藝43（5）影響PTC熱敏陶瓷性能的影響A、組成對居里溫度的影響 不同的PTC熱敏陶瓷對Tc(開關(guān)溫度)有不同的要求。通過控制BaTiO3的居里點可以解決。改變Tc稱“移峰”，通過改變組成，即加入某些化合物可以達(dá)到“移峰”的目的，這

24、些加入的化合物稱為“移峰劑”。 “移峰劑”具有與Ba2+、Ti4+離子大小、價態(tài)相似的金屬離子，可以取代Ba2+、Ti4+離子，形成連續(xù)固溶體。如PbTiO3 （高于120，Tc=490）、 SrTiO3（低于120，Tc=-150）。44（5）影響PTC熱敏陶瓷性能的影響44B、晶粒大小的影響 晶粒大小與正溫度系數(shù)、電壓系數(shù)及耐壓值有密切的關(guān)系。一般說來，晶粒越細(xì)小，晶界的比重越大，外加電壓分配到每個晶粒界面層的電壓就越小。因此，晶粒細(xì)小可降低電壓系數(shù)，提高耐壓值。 BaTiO3熱敏陶瓷的PTC特性的高低，與陶瓷的晶粒大小密切相關(guān)。研究表明，晶粒在5um左右的細(xì)晶陶瓷具有極高的正溫度系數(shù)。

25、要獲得細(xì)晶陶瓷，首先要求原料細(xì)、純、勻、來源穩(wěn)定，其次可通過添加一些晶粒生長抑制劑，達(dá)到均勻細(xì)小凈粒結(jié)構(gòu)的目的。此外，加入玻璃形成劑和控制升溫速度也可以抑制晶粒長大。45B、晶粒大小的影響45C、化學(xué)計算比（Ba/Ti）的影響 在TiO2稍微過量時通常會呈現(xiàn)最低體積電阻率；在Ba過量時體積電阻率往往會增高，且使瓷料易于實現(xiàn)細(xì)晶化。D、Al2O3對PTC陶瓷的影響 Al3+在BaTiO3基陶瓷中有三種存在位置：當(dāng)TiO2高度過量時，Al3+有可能被擠到BaTiO3晶格的Ba2+位置，這時Al3+的作用是施主；在Al2O3-SiO2-TiO2摻雜的PTC瓷料中，Al3+處于玻璃相中，能夠起到吸收受

26、主雜質(zhì)、純化主晶相的作用；在未引入SiO2、且TiO2也不過量的情況下，Al3+將取代BaTiO3晶格中的Ti4+，起受主作用。顯然，、種情況下對PTC瓷料的半導(dǎo)化起有益作用。是有害的。46C、化學(xué)計算比（Ba/Ti）的影響46三、PTC熱敏電阻的應(yīng)用 為溫度敏感特性的應(yīng)用、延遲特性的應(yīng)用及加熱器方面的應(yīng)用。1、溫度監(jiān)控傳感器2、彩色電視機(jī)消磁3、電冰箱起動器4、PTC陶瓷作為發(fā)熱體 47三、PTC熱敏電阻的應(yīng)用47四、NTC熱敏電阻陶瓷 NTC熱敏電阻陶瓷是指隨溫度升高而其電阻率按指數(shù)關(guān)系減小的一類陶瓷。 RT=R0exp（B/T-B/T0） B=lgRT-lgR0/（1/T-1/T0） R

27、T、R0為溫度T、T0時熱敏電阻的電阻值（），B熱敏電阻常數(shù)（K）。 熱敏電阻常數(shù)B可以表征和比較陶瓷材料的溫度特性，B值越大，熱敏電阻的電阻對于溫度的變化率越大。一般常用的熱敏電阻陶瓷的B=20006000K，高溫型熱敏電阻陶瓷的B值約為1000015000K。48四、NTC熱敏電阻陶瓷48NTC熱敏電阻 NTC是Negative Temperature coefficient (負(fù)溫度系數(shù))的縮寫，是以尖晶石結(jié)構(gòu)為主的半導(dǎo)體功能陶瓷，具有電阻值隨著溫度升高而減小的特性，按照使用溫度可分為低溫（-1300）、常溫（-50350）及高溫（300）用三種類型，主要應(yīng)用于溫度測量和溫度補(bǔ)償。 NT

28、C熱敏電阻通常都是以MnO為主材料，同時引入CoO、NiO、CuO、FeO等，使其在高溫下形成尖晶石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，主要有二元、三元及四元系材料。49NTC熱敏電阻 NTC是Negative Tempera NTC熱敏電阻陶瓷大多數(shù)是尖晶石結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，主要成分是CoO、NiO、MnO、CuO、ZnO、MgO、Fe2O3、Cr2O3、ZrO2、TiO2等。其主要成分和應(yīng)用見表8-3。 分為三大類：低溫型、中溫型及高溫型陶瓷。50 NTC熱敏電阻陶瓷大多數(shù)是尖晶石結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu)1.中溫NTC熱敏電阻陶瓷1）材料體系：二元系 ：CuO-MnO-O2 CoO-MnO-O2 NiO-M

29、nO-O2三元系： MnO-NiO-CoO-O2 MnO-NiO-CuO-O2 MnO-CuO-CoO-O2 511.中溫NTC熱敏電阻陶瓷51二元系NTC熱敏電阻材料 常用的二元系NTC熱敏電阻材料有：MnO-CoO-O， MnO-CuO-O2， MnO-NiO-O、 CoO-CuO-O，CoO-NiO-O，CuO-NiO-O系等。 缺點：對組分敏感，組分稍有變化，電導(dǎo)率就可能變化幾個數(shù)量級，使產(chǎn)品一致性和重復(fù)性差。52二元系NTC熱敏電阻材料 常用的二元系NTC熱敏電阻材料常用的三元系材料：MnO-CoO-NiO-OMnO-CuO-NiO-OMnO-CuO-CoO-O三元系NTC熱敏電阻材

30、料 在三元系濃度三角形中央?yún)^(qū)域內(nèi)，材料的電導(dǎo)率對陽離子成分不敏感，組分稍有變化，電導(dǎo)率變化很小，可以生產(chǎn)出一致性、重復(fù)性、穩(wěn)定性優(yōu)良的NTC熱敏電阻。53常用的三元系材料：三元系NTC熱敏電阻材料 在三元系濃度四元系NTC熱敏電阻材料 常用的含錳四元系熱敏電阻材料有：MnO-CoO-NiO-FeO-OMnO-CoO-NiO-CuO-OMnO-NiO-FeO-CuO-OMnO-CoO-FeO-CuO-O54四元系NTC熱敏電阻材料 常用的含錳四元系熱敏電阻2）NTC熱敏電阻陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理：（1）化學(xué)計量比偏離 采用氧化或還原氣氛燒結(jié)，分別產(chǎn)生p型和n型半導(dǎo)體，形成電子或空穴導(dǎo)電。（2）摻雜 在主

31、成分中引入少量與主成分金屬離子種類不同、電價不等的金屬離子，產(chǎn)生不等價置換，從而產(chǎn)生產(chǎn)生p型和n型半導(dǎo)體，實現(xiàn)電子或空穴導(dǎo)電。552）NTC熱敏電阻陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理：552.高溫NTC熱敏電阻陶瓷 一般要求為：熔點高、性能穩(wěn)定、熱敏感性高、電阻溫度系數(shù)大、元件燒成后，與電極的接觸狀態(tài)好、可通過調(diào)整配方和晶粒度能夠改變電阻的溫度特性。材料體系有以下兩類：ZrO2-CaO、ZrO2-Y2O3等螢石型結(jié)構(gòu)陶瓷以Al2O3、MgO為主要成分的尖晶石型陶瓷562.高溫NTC熱敏電阻陶瓷563.NTC熱敏電阻陶瓷的應(yīng)用1）溫度補(bǔ)償： 用于石英振蕩器（23個NTC）2）抑制浪涌電流： 用于控制開關(guān)電源、電機(jī)、

32、變壓器等在接通瞬時產(chǎn)生的大電流。3）溫度檢測 用于熱水器、空調(diào)、廚房設(shè)備、辦公用品、汽車電控等。573.NTC熱敏電阻陶瓷的應(yīng)用57 片式NTC熱敏電阻主要應(yīng)用在移動電話、手提電腦、液晶顯示器、個人計算機(jī)、傳真機(jī)以及汽車工業(yè)，其中44%用于通訊領(lǐng)域，26%用于汽車工業(yè)，30%用于消費(fèi)類電器。近年來，由于移動通訊、計算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品（如彩電、VCD、DVD、LD、CD等）、辦公自動化設(shè)備、汽車電子裝備以及軍用無線電設(shè)備和航空、航天高新數(shù)字電子技術(shù)產(chǎn)品在我國的迅猛發(fā)展，國內(nèi)市場對片式化NTC熱敏電阻的需求與日俱增，市場前景大為看好。因此，國內(nèi)外對片式NTC熱敏電阻的需求以每年2030%的速率遞

33、增。58 片式NTC熱敏電阻主要應(yīng)用在移動電話、手提電腦、液晶顯4.NTC熱敏電阻陶瓷的生產(chǎn)工藝及特點1）電極制備：與銀形成可靠的歐姆電極2）阻值調(diào)整：3）敏化處理：594.NTC熱敏電阻陶瓷的生產(chǎn)工藝及特點59四 膜電阻材料膜電阻材料的優(yōu)點： 體積下，重量輕，性能好，可靠性高，便于混合集成化。 是電子應(yīng)用方面的首選材料，它包括厚膜電阻和薄膜電阻材料兩類。60四 膜電阻材料膜電阻材料的優(yōu)點：60厚膜電阻材料 厚膜電阻是指用厚膜雜化制造加工技術(shù)制成的膜電阻。 厚膜電阻材料統(tǒng)稱為厚膜電阻漿料，一般由0.20.3um粒度的導(dǎo)體粉料。0.510um粒度的玻璃粉末和有機(jī)載體等三部分組成。61厚膜電阻材料

34、 厚膜電阻是指用厚膜雜化制造加工技術(shù)制成的膜 根據(jù)不同原料可分為： 貴金屬系，賤金屬系和聚合物電阻漿料等三大類，其膜厚通常為1015um。62 根據(jù)不同原料可分為：62薄膜電阻材料 薄膜電阻材料是采用如濺射，蒸發(fā)等真空鍍膜工藝制成的膜電阻。電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用薄膜電子材料來制造分立電阻原件及集成電路中的電阻原件。63薄膜電阻材料 薄膜電阻材料是采用如濺射，蒸發(fā)等真空鍍膜工藝制薄膜電阻材料有兩類： 一類是碳膜，另一類是金屬膜。 早期大量使用碳膜電阻，但由于工藝上的原因，碳膜電阻的容許誤差高達(dá)10以上，而且溫度系數(shù)大，因此在要求高的場合普遍使用金屬膜電阻。當(dāng)金屬的厚度小于電子在金屬中的平均自由程是，

35、電阻率急劇增加。利用這一效應(yīng)可制成體積很笑而阻值很高的金屬膜電阻。其阻值誤差可控制在2.55以內(nèi)。而且電阻系數(shù)遠(yuǎn)小于碳膜電阻。64薄膜電阻材料有兩類：64薄膜電阻的特點：金屬膜電阻的時 間穩(wěn)定性較好，體積比相同功率的碳膜電阻小得多。薄 膜電阻一般成膜于陶瓷或玻璃基體上。碳膜還可以成 膜于絕緣紙板上。金屬成膜可采用蒸鍍法、陰極濺射 法、還原法和氧化物燒結(jié)法。65薄膜電阻的特點：65 常用的金屬膜材料有鎳鉻 合金(Ni一Cr)、氮化擔(dān)(TaN)、Cr一510、氧化錫 (SnOZ)等。其中Cr一510用于制造zMn以上的高值 電阻。金屬膜電阻的溫系數(shù)大致是10一7(1/)量 級，有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度

36、系數(shù)二類。碳膜電阻具有負(fù) 的溫度系數(shù)，數(shù)值是10一3(1/)量級，其時間穩(wěn)定 性比金屬膜電阻差得多。66 常用的金屬膜材料有鎳鉻 合金(Ni一Cr)、氮化擔(dān)(電阻材料的發(fā)展趨勢：普遍使用的高精度，高可靠性，在大溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定的高阻電阻數(shù)控和數(shù)字顯示用的高頻特性好，電阻溫度系數(shù)小的膜電阻宇航，軍事，科研等極低溫下的電阻材料把電阻材料的發(fā)展與電阻原件的制造工藝融為一體非晶化電阻材料67電阻材料的發(fā)展趨勢：67第四節(jié) 半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體 (電導(dǎo)率 109 105 S/m) 68第四節(jié) 半導(dǎo)體材料 68 兩種載流子：空穴和電子 N型半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料以電子導(dǎo)電占主導(dǎo)作 用 P型半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料以空穴

37、導(dǎo)電占主導(dǎo)作 用69 兩種載流子：空穴和電子69 雜質(zhì)與缺陷對半導(dǎo)體的性能有重大的影響 根據(jù)半導(dǎo)體的含物質(zhì)的情況分：本征半導(dǎo)體、 雜質(zhì)半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體：純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 雜質(zhì)半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，那么在里面摻入微量的其他元素，就會有很明顯的變化，現(xiàn)在形成的有雜質(zhì)的半導(dǎo)體就是雜質(zhì)半導(dǎo)體。實際中用的都是雜質(zhì)半導(dǎo)體。它分N型和P型兩種。 70 雜質(zhì)與缺陷對半導(dǎo)體的性能有重大的影響70 本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。一. 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體化學(xué)成分

38、純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。71 本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。 當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。72 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。 當(dāng)溫度升高 可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。 外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。 動畫演示 與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象復(fù)合在一定溫度

39、下，本征激發(fā)和復(fù)合同時進(jìn)行，達(dá)到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對73 可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。 動畫演示 與本征自由電子 帶負(fù)電荷 電子流動畫演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E總電流載流子空穴 帶正電荷 空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制74自由電子 帶負(fù)電荷 電子流動畫演示+4+4+4+4+4+二. 雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1. N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)

40、元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。 75二. 雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子自由電子少數(shù)載流子 空穴+N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對76N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子自由電子少數(shù)載流 在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子 空穴少數(shù)載流子自由電子P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對2. P型半導(dǎo)體77 在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪与s質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖+N型半導(dǎo)體多子電子少子空穴P型半導(dǎo)體多子空穴少子電子少子濃度與溫度有關(guān)多子濃度與溫度無關(guān)78雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖+N型半導(dǎo)

41、體多子電 按其組成半導(dǎo)體材料可分成： 元素半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體，有機(jī)物半導(dǎo)體，玻璃半導(dǎo)體，非晶半導(dǎo)體和半導(dǎo)體陶瓷。 79 按其組成半導(dǎo)體材料可分成：79一 元素半導(dǎo)體 具有半導(dǎo)體特性的元素，如硅、鍺、硼、硒、碲、碳、碘等組成的材料。 工業(yè)上應(yīng)用最多的是硅、鍺、硒。 用于制作各種晶體管、整流器、集成電路、太陽能電池等方面。 其他硼、碳(金剛石、石墨)、碲、碘及紅磷、灰砷、灰銻、灰鉛、硫也是半導(dǎo)體，但都尚未得到應(yīng)用。80一 元素半導(dǎo)體80二 化合物半導(dǎo)體 由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)。包括晶態(tài)無機(jī)化合物(如III-V族、II-VI族化

42、合物半導(dǎo)體)及其固溶體、非晶態(tài)無機(jī)化合物(如玻璃半導(dǎo)體)、有機(jī)化合物(如有機(jī)半導(dǎo)體)和氧化物半導(dǎo)體等。81二 化合物半導(dǎo)體81 通常所說的化合物半導(dǎo)體多指晶態(tài)無機(jī)化合物半導(dǎo)體。主要是二元化合物如：砷化鎵、磷化銦、硫化鎘、碲化鉍、氧化亞銅等，其次是二元和多元化合物，如鎵鋁砷、銦鎵砷磷、磷砷化鎵、硒銦化銅及某些稀土化合物(如SeN、YN、La2S3等)。多采用布里奇曼法(由熔體生長單晶的一種方法)、液封直拉法、垂直梯度凝固法制備化合物半導(dǎo)體單晶，用外延法、化學(xué)氣相沉積法等制備它們的薄膜和超薄層微結(jié)構(gòu)化合物材料。用于制備光電子器件、超高速微電子器件和微波器件等方面。82 通常所說的化合物半導(dǎo)體多指晶

43、態(tài)無機(jī)化合物 化合物半導(dǎo)體的寬帶會產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)。 例如，對ZnS等n型半導(dǎo)體在生長時滲入或生長后用擴(kuò)散方法摻入p型雜質(zhì)會在半導(dǎo)體中不斷產(chǎn)生起施主作用的晶格缺陷，這些缺陷中和掉了所摻入的p型雜質(zhì)，使ZnS等不能用摻雜的方法形成p型半導(dǎo)體，反之，ZnTe等p型半導(dǎo)體材料不能通過摻雜形成n型半導(dǎo)體。83 化合物半導(dǎo)體的寬帶會產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)。83三 有機(jī)物及玻璃半導(dǎo)體 到目前為止，有機(jī)物及玻璃半導(dǎo)體材料中只有不多的液晶材料得到了應(yīng)用，已知的液晶材料都是有機(jī)化合物，它是處于液相與固相之間的一種中間相，它像液體一樣，不能承受切應(yīng)力但能夠流動。84三 有機(jī)物及玻璃半導(dǎo)體84 液晶分子有棒狀和碟狀兩類幾何形狀，

44、大多數(shù)液晶高分子是棒狀分子且只有棒狀分子組成的液晶才具有技術(shù)應(yīng)用價值。人們根據(jù)分子排列的不同把液晶分為膽甾相，近晶相，向列相等形態(tài)。低溫下它是晶體結(jié)構(gòu)，高溫時則變?yōu)橐后w，在中間溫度則以液晶形態(tài)存在。85 液晶分子有棒狀和碟狀兩類幾何形狀，大多數(shù)液四 非晶態(tài)半導(dǎo)體 非晶態(tài)半導(dǎo)體材料是指不具有晶格平移對稱性的半導(dǎo)體材料。 主要特征：(1)它是一種非平衡的亞穩(wěn)態(tài)，其自由能高于同質(zhì)的晶體；（2）長程無序和短程有序。短程有序是在近鄰原子間有著與同質(zhì)晶體類似的結(jié)構(gòu)，但近鄰原子間距及鍵角等與晶體相比稍有不規(guī)則的畸變。 86四 非晶態(tài)半導(dǎo)體86 由于非晶態(tài)禁帶中局域態(tài)能級的存在，非晶態(tài)摻雜成為n型；p型半導(dǎo)體更困難。 制備非晶態(tài)半導(dǎo)體的主要方法有兩大類： 一類是從液態(tài)經(jīng)快淬冷卻制得，制備塊狀硫系非晶半導(dǎo)體多采用這種方法，得到的常是玻璃態(tài)；另一類是用真空蒸發(fā)、濺射、輝光放電及化學(xué)氣相沉積(CVD)等方法，可制得薄膜狀非晶態(tài)半導(dǎo)體，制備a-si，a-Ge及其他四度配位化合物非晶態(tài)半導(dǎo)體多采用這類方法。87 由于非晶態(tài)禁帶中局域態(tài)能級的存在，非晶態(tài) 常見的非晶態(tài)半導(dǎo)體材料為四