半导体陶瓷ppt课件

6-1概述6-2BaTiO3瓷的半导化机理6-3PTC热敏电阻6-4半导体陶瓷电容器,第六章半导体陶瓷,1,6-1概述,1.装置瓷、电容器瓷、铁电压电瓷：V1012cm，防止半导化，保证高绝缘电阻率；半导体瓷：V106cm2.半导体瓷：传感器用，作为敏感材料，电阻型敏感材料为主：V或S对热、光、电压、气氛、湿度敏感，故可作各种热敏、光敏、压敏、气敏、湿敏材料。3.非半导体瓷体效应（晶粒本身）半导体瓷晶界效应及表面效应,2,6-1概述,1.BaTiO3半导体瓷a.PTC热敏电阻瓷PTC热敏电阻b.半导体电容器瓷晶界层电容器、表面层电容器2.NTC热敏半导体瓷（由Cu、Mn、Co、Ni、Fe等过渡金属氧化物烧成，二元、三元、多元系）NTC热敏电阻,种类：,3,6-1概述,半导体陶瓷按照利用的物性分类可分为：1.利用晶粒本身性质：NTC热敏电阻；2.利用晶粒间界及粒界析出相性质：PTC热敏电阻器，半导体电容器（晶界阻挡层型）；3.利用表面性质：半导体电容器（表面阻挡层型）；,4,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,纯BaTiO3陶瓷的禁带宽度2.53.2ev，因而室温电阻率很高(1010cm)，然而在特殊情况下，BaTiO3瓷可形成n型半导体，使BaTiO3成为半导体陶瓷的方法及过程，称为BaTiO3瓷的半导化。1原子价控制法（施主掺杂法）2强制还原法3AST法4.对于工业纯原料，原子价控制法的不足,5,在高纯（99.9）BaTiO3中掺入微量（0.3mol）的离子半径与Ba2+相近，电价比Ba2+离子高的离子或离子半径与Ti4+相近而电价比Ti4+高的离子，它们将取代Ba2+或Ti4+位形成置换固溶体，在室温下，上述离子电离而成为施主，向BaTiO3提供导带电子（使部分Ti4+eTi3+），从而V下降（102cm），成为半导瓷。,1原子价控制法（施主掺杂法）,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,6,Ti3+=Ti4+e,其中的e为弱束缚电子，容易在电场作用下运动而形成电导,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,7,电导率与施主杂质含量的关系,I区：电子补偿区II区：电子与缺位混合补偿区III区：缺位补偿区IV区：双位补偿区,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,8,原因：(1)若掺杂量过多，而Ti的3d能级上可容的电子数有限，为维持电中性，生成钡空位，而钡空位为二价负电中心，起受主作用，因而与施主能级上的电子复合，v。可表示为：,而:,实验发现：施主掺杂量不能太大，否则不能实现半导化，,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,9,（2）若掺杂量过多，三价离子取代A位的同时还取代B位，当取代A位时形成施主，提供导带电子e，而取代B位时形成受主，提供空穴h，空穴与电子复合，使V，掺量越多，则取代B位几率愈大，故V愈高。,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,10,在还原气氛中烧结或热处理，将生成氧空位而使部分Ti4+Ti3+，从而实现半导化。（102106cm）,取决于气氛与温度,2.强制还原法,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,11,强制还原法往往用于生产晶界层电容器，可使晶粒电阻率很低，从而制得介电系数很高（20000）的晶界层电容器。强制还原法所得的半导体BaTiO3阻温系数小，不具有PTC特性，虽然在掺入施主杂质的同时采用还原气氛烧结可使半导化掺杂范围扩展，但由于工艺复杂（二次气氛烧结：还原氧化）或PTC性能差（只用还原气氛），故此法在PTC热敏电阻器生产中，目前几乎无人采用。,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,12,3.AST法,当材料中含有Fe、K等受主杂质时，不利于晶粒半导化。加入SiO2或AST玻璃（Al2O3SiO2TiO2）可以使上述有害半导的杂质从晶粒进入晶界，富集于晶界，从而有利于陶瓷的半导化。AST玻璃可采用Sol-Gel法制备或以溶液形式加入。,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,13,对于工业纯原料，由于含杂量较高，特别是含有Fe3+、Mn3+(或Mn2+)、Cu+、Cr3+、Mg2+、Al3+(K+、Na+)等离子，它们往往在烧结过程中取代BaTiO3中的Ti4+离子而成为受主，防碍BaTiO3的半导化。例如：,4.工业纯原料原子价控法的不足,6-2BaTiO3瓷的半导化机理,14,1PTC热敏电阻简介2BaTiO3基PTCR的研究进展3.BaTiO3半导化瓷的PTC机理4.PTC热敏电阻瓷的制备5.PTC热敏电阻器的特性及其应用,6-3PTC热敏电阻,15,普通半导体T0，即T，v，原因是载流子数目；绝缘体T0，即T，v，原因是杂质电离基质电离；金属T0即T,v原因是振动加剧，散射，B曲线；PTCT0，A曲线NTCT0，C曲线CTRTA，SbBMn，则可直接从掺Mn量按一定锑锰比估算掺Sb量。,选择配方步骤：,6-3PTC热敏电阻,58,解：a）用Sr作移动剂，SrTiO3量为（12060）3.7at=16.2molb)BaTiO3用量：10016.2=83.8c）耐压较高，故掺AST：3mold）采用Y作半导化剂，试验得A=0.2mol，取B=1.5e）为使PTC特性较高，取掺Mn量为0.1mol掺Y的量为：0.2mol1.50.1mol=0.35mol则Y2O3量为：0.35/2=0.175mol故配方为：BaTiO(C2O4)24H2OSrCO3TiO2ASTY2O3Mn(NO3)2mol：83.816.216.230.350.1以上配方通过试验，若PTC特性较好，但25较高，可固定掺Mn量，调整Y量（或缩短1200处保温时间微调）或固定Y，调Mn。若25较低而PTC性能欠佳，可固定掺Y量，增加Mn量。,例：彩电消磁热敏电阻，耐压300V，max17，Tc60，试确定其配方:,6-3PTC热敏电阻,59,1.分类及性能2.表面型半导体陶瓷电容器3.晶界型半导体陶瓷电容器,6-4半导体陶瓷电容器,60,1.分类及其性能,半导体陶瓷电容器按其结构、工艺可分为三类：表面阻挡层型表面还原再氧化型晶界层型。,6-4半导体陶瓷电容器,61,6-4半导体陶瓷电容器,62,2.表面型半导体陶瓷电容器,表面型电容器的显微结构为晶粒半导而表面为高阻介质层。整个结构相当于电容器的串联。由于介质层的电阻远大于半导体瓷的电阻，因此两个介质层承担主要的压降，半导体瓷的压降可忽略不计。,以BaTiO3为主,6-4半导体陶瓷电容器,63,优点：比体积电容大工艺简单，价廉缺点：介质损耗偏大工作电压偏低绝缘电阻较小电容随温度变化大,6-4半导体陶瓷电容器,制备工艺：12801350烧成10001100还原处理900950大气中再氧化,64,3.晶界层（BL）半导体陶瓷电容器,BL电容器是利用陶瓷中的晶界效应。显微结构为晶粒半导而晶界为高阻绝缘层。整个结构相当于许多电容器的串联和并联。,CG,CB,RG,RB,SrTiO3为主,6-4半导体陶瓷电容器,G,B,65,当晶界电阻RB晶粒电阻RG时，可用串联模型设比容为C（单位面积的容量）又设为晶界厚度为原材料（BaTiO3）的介电系数，又设晶粒直径为d，材料总厚度D一般，则,晶界层电容器的视在（表现）介电系数,6-4半导体陶瓷电容器,66,将代入得设l=1，d=50m，b=1000（一般为20003000）得0=50000，可见晶界层电容器视在系数很大。,6-4半导体陶瓷电容器,67,BL电容器的制备工艺：,与普通陶瓷电容器大致相同，差别仅在于晶界绝缘化工艺。首先在BaTiO3或（Ba，Sr）TiO3中进行半导掺杂（Nb、Y、La、Dy），第一次烧结使其形成n型半导晶粒（n）。然后在瓷表面涂上高温下形成玻璃相的氧化物（Pb、Bi、B的氧化物），进行