2.4-半导体陶瓷物理效应

第二章材料的导电性能,2.4半导体陶瓷的物理效应,2.4半导体陶瓷的物理效应,敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多属于半导体陶瓷，是继单晶半导体材料之后，又一类新型多晶半导体电子陶瓷。敏感陶瓷是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某些气体，某种离子的变化特别敏感这一特性，按其相应的特性，可把这些材料分别称为热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。陶瓷材料可以通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导性。,晶界效应（压敏和PTC效应）,本节内容,表面效应（气敏效应）,西贝克效应,pn结（光电效应）,P105,多数载流子：n型半导体中的电子和p型半导体中的空穴。少数载流子：p型半导体中的电子和n型半导体中的空穴。空间电荷区：电离施主和电离受主所带电荷存在的区域。表面空间电荷层：表面与内层产生电子授受关系，在表面附近形成表面空间电荷层。电子耗尽层：空间电荷层中多数载流子浓度比内部少。电子积累层：空间电荷层中多数载流子浓度比内部大。反型层：空间电荷层中少数载流子成为多数载流子。,几个基本概念,一、压敏效应,1.什么是压敏效应？,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，几乎无电流通过，可以认为是绝缘体；当超过该临界电压（敏感电压），电阻迅速降低，让电流通过。,2.4半导体陶瓷的物理效应,压敏电阻器，“VoltageDependentResister”(VDR)，现在大量使用的是ZnO压敏电阻。,ZnO压敏电阻对称的非线性电压电流特性曲线,2.压敏电阻电压电流特性曲线,I,V,ZnO压敏陶瓷是由ZnO晶粒及晶粒边界物质组成。ZnO晶粒中掺有施主杂质而呈n型半导体，晶界物质中含有大量金属氧化物形成大量界面态，这样每一微观单元是一个背靠背肖特基势垒，整个陶瓷就是由许多背靠背肖特基势垒串并联的组合体。,3.压敏特性的微观机理,双肖特基势垒图,电压较低时，热激励电子必须越过肖特基势垒而流过；电压增大到某一值以上，晶界面上捕获的电子，由于隧道效应通过势垒，造成电流急剧增大。,ZnO压敏电阻已广泛应用于半导体和电子仪器的稳压和过压保护以及设备的避雷器。,4.压敏电阻的应用,压敏电阻器是一种无极性过电压保护元件，无论是交流还是直流电路，只需将压敏电阻器与被保护电器设备或元器件并联即可达到保护设备的目的。,应用原理：当电路出现雷电过电压或瞬态操作过电压Vs时，压敏电阻器和被保护的设备及元器件同时承受Vs，由于压敏电阻器响应很快，它以纳秒级时间迅速呈现优良非线性导电特性(击穿区)，此时压敏电阻器两端电压迅速下降，远远小于Vs，这样被保护的设备及元器件上实际承受的电压就远低于电压Vs，从而使设备及元器件免遭过电压的冲击。,二、PTC和NTC效应,1.PTC效应,2.4半导体陶瓷的物理效应,PTC是PositiveTemperaturecoefficient(正温度系数)的缩写，是一种以钛酸钡(BaTiO3)为主要成分的半导体功能陶瓷材料，具有电阻值随着温度升高而增大的特性，特别是在居里温度点附近电阻值跃升有37个数量级。,2.PTC热敏电阻的应用,1）温度敏感元件用于各种家用电器的过热报警器以及马达的过热保护。2）限电流元件用于电子电路的过流保护、彩电的自动消磁以及冰箱、空调的马达启动。3）PTC恒温发热元件用于小功率发热元件（如电热水壶、电吹风和电饭锅）以及大功率蜂窝状发热元件。,3.NTC效应,NTC是NegativeTemperaturecoefficient(负温度系数)的缩写，是以尖晶石结构为主的半导体功能陶瓷，具有电阻值随着温度升高而减小的特性，按照使用温度可分为低温（-1300）、常温（-50350）及高温（300）用三种类型。,NTC热敏电阻通常都是以Mn3O4为主材料，同时引入CoO、NiO、CuO、Fe2O3等，使其在高温下形成尖晶石结构的半导体材料，主要有二元、三元及四元系材料。,1）温度补偿：用于石英振荡器（23个NTC）2）抑制浪涌电流用于控制开关电源、电机、变压器等在接通瞬时产生的大电流。3）温度检测用于热水器、空调、厨房设备、办公用品、汽车电控等。,4.NTC热敏电阻的应用,三、气敏效应,2.4半导体陶瓷的物理效应,半导体表面吸附气体（如H2、O2、CO、CH4、H2O等）时电导率发生变化。,利用表面电导率变化的信号来检测各种气体的存在和浓度。,如果吸附气体的电子亲和力大于半导体的功函数，吸附分子从半导体中捕获电子而带负电；相反吸附分子带正电。n型半导体负电吸附，p型半导体正电吸附时，表面均形成耗尽层，表面电导率减小。p型半导体负电吸附，n型半导体正电吸附时，表面均形成积累层，表面电导率增加。,四、光电效应,2.4半导体陶瓷的物理效应,1.p-n结形成及其能带结构,p,n,根据静电作用的原理，如在p型区产生了电子空穴对，那么电子很容易通过n区的正电场进入n区，而空穴则被正电场挡在p型区；同理，n型区的空穴进入P区，而电子留在n区。,n型区的电子和p型区的空穴向对方扩散，直到所形成的电场阻止载流子进一步扩散，从而形成了内建电场。,P85,p区整个电子能级向上移动eVd，恰好补偿EF原来的差别，即：eVdEFn-EFp,p与n型半导体接触前后的能带结构,2.光电效应,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-