10半导体陶瓷

半导体陶瓷,济南大学材料科学与工程学院,宋鹏,敏感陶瓷,具有半导体特性、电导率约在10-6105S/m的陶瓷。半导体陶瓷的电导率因外界条件（温度、光照、电场、气氛和温度等）的变化而发生显著的变化，因此可以将外界环境的物理量变化转变为电信号，制成各种用途的敏感元件。,压敏陶瓷热敏陶瓷光敏陶瓷气敏陶瓷湿敏陶瓷,5.1陶瓷的半导体化,半导体陶瓷一般是氧化物或复杂氧化物。在正常情况下陶瓷具有较宽的禁带（Eg3eV）所以通常为绝缘体。要使这些绝缘体成为半导体，必须对绝缘体进行半导体化处理。处理的途径有两种：一、控制成分使其偏离化合物的化学计量，即氧化、还原；二、添加能形成附加能级的杂质，即掺杂。,氧化还原,富氧气氛MOMO1+X还原气氛MOMO1-X,掺杂,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。杂质半导体掺入杂质的本征半导体。,硅晶体的空间排列,硅的原子结构简化模型及晶体结构,1.N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,2.P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。,半导体掺杂示意图,高纯半导体,“掺杂”,施主杂质,受主杂质,n-型半导体,p-型半导体,掺杂Si形成p型半导体,As掺杂Si形成n型半导体,5.2光敏半导体陶瓷,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,光电导效应光生伏特效应,光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。,光电导效应,光生伏特效应,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,光生伏特效应：1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；2）p、n区都产生电子空穴对，产生非平衡载流子；3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；4）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散；5）若p-n结开路，在结的两边积累电子空穴对,产生开路电压。,太阳能电池,太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。,太阳能的利用,洁净能源：与石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”，也不会造成环境污染,资源丰富：40分钟照射地球辐射的能量全球人类一年的能量需求,使用方便：同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。,太阳能发电(光伏发电,Photovoltaic,PV)的特点,1.太阳能电池通常为一种固体半导体元件，将光能直接转换为(直流)电能，但本身不储存能量。2.太阳能电池使用方便、无废弃物、无污染、无噪音、可阻隔辐射热、或可设计为半透光。3.太阳能电池模板寿命长久，可达二十年以上。4.太阳能电池外型尺寸可随意变化，应用广泛(小至消费性产品-如计算机，大至发电厂皆实用)。5.发电量大小随日光强度而变，可以辅助尖峰电力之不足(并联型)。6.太阳能电池未來与建筑物结合，将可普及化。,太阳能发电系统之效益,总体效益：经济效益（偏远岛屿、紧急发电成本投资回收）环保效益（降低石化燃料的CO2、NOx、SOx污染）节能效益（以自然能源替代石化燃料、建立自主能源）社会效益（疏解尖峰、紧急救灾用电之社会效益）产业效益（创造高科技产业及就业机会）,太阳能发电之重要历史,1956年第一个太阳能电池制作成功。1958年开始太空应用(GaAs)。1970年开始太阳能发电系统地面应用(Si)(能源危机)。1980年消费性薄膜太阳能电池应用(a-Si,CdS/CdTe)。1990年与公用电力并联之太阳光发电系统技术成熟(Grid-ConnectedPVSystem,Si)(电力电子技术)。1992年起欧、美、日各国推动太阳能发电系统之辅助奖励政策。2000年建材一体型太阳能电池应用(BIPV)。,全世界太阳能电池市场量,太阳能发电综合利用系统光伏电站,申奥用太阳能路灯彩图,清华大学电力国家重点实验室开发综合利用系统清华大学电力国家实验室开发综合利用系统,5.3热敏陶瓷,热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：,正温度系数热敏电阻器（PTC）负温度系数热敏电阻器（NTC）突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）,正温度系数热敏电阻器（PTC）电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。负温度系数热敏电阻器（NTC）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。,热敏电阻器的电阻温度特性（RTT）,1,2,3,4,铂丝,40,60,120,160,0,100,101,102,103,104,105,106,RT/,温度T/C,热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4PTC,一、热敏电阻的特点,1电阻温度系数的范围甚宽有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。2材料加工容易、性能好可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为0.2mm。3阻值在110M之间可供自由选择使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。,4稳定性好商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。5原料资源丰富，价格低廉烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。,二、PTC热敏陶瓷,陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体，而陶瓷PTC热敏电阻是以钛酸钡为基，掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的，具有较低的电阻及半导特性。通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的：在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代，因而得到了一定数量产生导电性的自由电子。,例如：BaTiO3的半导化通过添加微量的稀土元素，在其禁带间形成杂质能级，实现半导化。添加La的BaTiO3原料在空气中烧成，反应式如下:Ba2+Ti4+O2-3+xLa3+=Ba2+1-xLa3+x(Ti4+1-xTi3+x)O2-3+xBa2+缺陷反应：La2O3=LaBa+2e+2Oo+O21/2(g),PTC陶瓷应用,（1）温度控制和测量（2）过热保护（3）定温加热器利用PTC陶瓷既发热又控温的特性，可以制造许多家用电热电器，如暖风机、卷发器、暖脚器、手炉等等。,NTC半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,三、NTC热敏电阻,产品,温控器,应用,汽车发动机传感器,水温感应塞,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,5.4压敏陶瓷,压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。即在某一临界电压以下，电阻值非常高，可以认为是绝缘体，当超过临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，让电流通过。电压与电流是非线性关系。,现代压敏电阻的主导品种：氧化锌压敏电阻，是一种金属氧化物陶瓷半导体电阻器。它以氧化锌（ZnO）为基料，加入Bi、Mn、Co、Ba、Pb、Sb、Cr、Si等金属氧化物添加剂，经压制成坯体，高温烧结，两面印烧银电极，焊接引出端，最后包封等工序而制成。,压敏电阻器的特性是电阻值对电压十分敏感，当系统中的电压稳定时，压敏元件呈绝缘状态，当系统发生意外事故，如感应雷击或操作过电压，而使系统的电压升高时，压敏元件的电阻值即急剧下降，一个大电流从元件中通过，系统中的电压迅速下降。随后压敏元件又恢复到初始的绝缘状态，系统电压也随之趋于稳定。电子设备就是在压敏电阻器的这种瞬态特性中获得保护，而压敏电阻器本身并未破坏。,压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护，但是它的类似于半导体稳压管的伏安特性，还使它具有多种电路元件功能，例如可用作：（1）直流高压小电流稳压元件，其稳定电压可高达数千伏以上，这是硅稳压管无法达到的。（2）电压波动检测元件。（3）直流电瓶移位元件。（4）均压元件。（5）荧光启动元件,5.5湿敏半导体陶瓷,利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器。具有许多优点：测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150以下，而高温湿度传感器的工作温度可达800，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉。,典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4TiO2系。此外，还有TiO2-V2O5系、ZnOLi2OV2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。这类湿度传感器的感湿特征量大多数为电阻。湿敏传感器在精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。,结构该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关,相当