第六章半导体陶瓷

1、第六章 半导体陶瓷一、教学基本要求了解半导体瓷的种类，掌握BaTiO3陶瓷的半导化机理，PTC效应机理，了解半导体陶瓷电容器的分类及其性能，理解表面层、晶界层电容效应。掌握金属与半导体的接触形式及原因。二、基本内容概述6.1 半导体陶瓷的基本概念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6.2 BaT

2、iO3瓷的半导化机理1、原子价控制法（施主掺杂法）         在高纯（）BaTiO3中掺入微量（mol）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。2、强制还原法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。3、AST法当材料中含有Fe、K等受主杂质时，不利

3、于晶粒半导化。加入SiO2或AST玻璃（Al2O3·SiO2·TiO2）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。6.3 PTC热敏电阻 1、PTC效应：半导体BaTiO3陶瓷，当温度超过居里温度时，在几十度的范围内，电阻率会增大410个数量级，即PTC效应。2、电阻-温度特性、电压-电流特性，电流-时间特性。3、PTC机理：l         海旺模型l         丹尼尔斯模

4、型6.4 半导体陶瓷电容器1、分类及性能半导体陶瓷电容器按其结构、工艺可分为三类：l        表面阻挡层型l        表面还原再氧化型l        晶界层型。2、表面型半导体陶瓷电容器3、晶界型半导体陶瓷电容器三、重点、难点分析1、BaTiO3陶瓷的半导化机理       纯BaTiO3陶瓷的禁带宽度，因而室温电

5、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。       BaTiO3陶瓷的半导化方法主要包括原子价控制法和强制还原法。l         原子价控制法在高纯（）BaTiO3中掺入微量（mol）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

6、，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。l         强制还原法在还原气氛中烧结或热处理时，氧以分子状态逸出，将生成氧空位，氧空位带正电，为维持电中性氧空位可束缚电子。这些多余的电子被Ti4+捕获，而使部分Ti4+Ti3+，从而实现半导化。2、PTC效应机理实验发现，掺杂BaTiO3半导体陶瓷在居里点以下无PTC效应，电阻率很低，在Tc以上v随T升高呈指数的增加。这与BaTiO3铁电体的在Tc以下很高，Tc以上迅速降低相对应。因此

7、，PTC效应必然与铁电性有关。实验还发现：单晶BaTiO3无PTC特性，强制还原法所得半导体BaTiO3的PTC特性很小或没有PTC特性。因此，PTC效应与晶界有关。       根据以上的实验现象，海旺提出了PTC效应模型：BaTiO3半导体陶瓷晶粒内部为n型半导体，在晶界处，由于吸附氧或受主杂质偏析，在晶界上形成“电子陷阱”，因此从导带或施主能级上来的电子，首先填充在表面态中，从而在晶界形成受主电荷，并在晶粒内距晶界一定宽度形成相反电荷的空间电荷层（阻挡层），从而出现晶界势垒。晶界势垒与存在以下关系：因此，当TTc时，T，0，即势垒高度0随温度T而迅速升高。随T呈指数式迅速升高，显示出PTC特性。       然而，海旺模型本身存在一定的局限性，有一些实验