安大陶瓷材料课件06功能陶瓷-6半导体陶瓷

半导体陶瓷的电阻率约为10-4~107Ω·cm。在半导体的能带分布中，禁带较窄，所以价带中的部分电子易被激发越过禁带，进入导带成为自由电子，产生导电性。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特性。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷半导体陶瓷的共同特点是：它们的导电性随着环境而变化。利用这一特性可制成各种不同类型的陶瓷敏感元件，如：热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷半导体精密陶瓷半导体型陶瓷电容器

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷一热敏半导体陶瓷

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷热敏半导体是半导体陶瓷材料中的一类。热敏陶瓷温度传感器是利用材料的电阻、磁性、介电性等随着温度而变化的现象制作的器件。可用于制作温度的测定、线路温度补偿及稳频等元件，具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简单及价格便宜等特点。

按照热敏陶瓷的电阻-温度特性，一般可分为三大类：

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷电阻随着温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻（PTC是PositiveTemperatureCoefficientThermister的缩写。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷电阻随着温度升高而减小的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻（NTC是NegativeTemperatureCoefficientThermister的缩写）。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷电阻在特定温度范围内急剧变化的热敏电阻，简称CTR临界温度热敏电阻（CTR是CriticalTemperatureResistor的缩写）。二气敏半导体陶瓷

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷随着现代科学技术的发展，人们使用和接触的气体越来越多，其中某些易燃、易爆、有毒气体，既危及安全，又严重污染环境。对这些气体进行严格的检测、监控及报警，已成当务之急，各种气体传感器应运而生。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷半导体气敏陶瓷传感器由于具有灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格低廉、使用方便等优点，得到迅速发展。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷半导体表面吸附气体分子时，半导体的电导率随半导体类型和气体分子种类的不同而变化。吸附气体分物理吸附和化学吸附两类。前者吸附热低，可以是多分子层吸附，无选择性；后者吸附热高，只能是单分子吸附，有选择性。两种吸附不能截然分开，可能同时发生。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力，即所谓的范德华力(Vander

waals)。化学吸附是固体表面与被吸附物间的化学键力起作用的结果。这类型的吸附需要一定的活化能，故又称“活化吸附”。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷被吸附的气体一般也可分两类。若气体传感器材料的功函数比被吸附气体分子的电子亲和力小，则被吸附气体分子就会从材料表面夺取电子而以阴离子形式吸附。具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性（或电子受容性）气体，如O2、NOx等。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷若材料的功函数大于被吸附气体的离子能量，被吸附气体将把电子给予材料而以阳离子形式吸附。具有阳离子吸附性质的气体称为还原性气体，如、H2、CO、乙醇等。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷氧化性气体吸附于N型半导体或还原性气体吸附于P型半导体气敏材料，都会使载流子数目减少，电导率下降。还原性气体吸附于N型半导体或氧化性气体吸附于P型半导体气敏材料，都会使载流子数目增加，电导率增大。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷气敏半导体陶瓷传感器由于要在较高温度下长期暴露在氧化性或还原性气氛中，因此要求半导体陶瓷元件必须具有良好的物理和化学稳定性、很高的灵敏度以及良好的选择性等特性。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷典型的气敏半导体陶瓷有SnO2系气敏半导体陶瓷ZnO系气敏半导体陶瓷Fe2O3系气敏半导体陶瓷ZrO2系氧气敏感陶瓷。三湿敏半导体陶瓷

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷湿度与人类的日常生活和生产活动有着十分密切的关系，因此需要随时监测空气湿度。新型湿度传感器，可将湿度的变化以电信号形式输出，易于实现远距离监测、记录和反馈的自动控制。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷利用多孔半导体陶瓷电阻随湿度变化关系制成的湿度传感器，有可靠性高、一致性好、响应速度快、灵敏度高、抗老化、寿命长、抗其它气体的侵袭和污染、在尘埃烟雾环境中能保持性能稳定和检测精度高等优点，因此，湿敏半导体陶瓷传感器得到了很快发展。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷湿度有两种表示方法，即绝对湿度和相对湿度，一般常用相对湿度表示。相对湿度为某一待测蒸汽压与相同温度下饱和蒸汽压之比值百分数，用%RH表示。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷湿敏元件的技术参数是衡量其性能的主要指标，下面列出一些主要参数。

湿度量程：在规定的环境条件下，湿敏元件能正常测量的湿度范围称为湿度量程。湿度量程越宽，湿敏元件的使用价值越高。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷灵敏度：湿敏元件的灵敏度可用元件的输出量变化与输入量变化之比来表示。对于湿敏电阻器来说，常以相对湿度变化1%RH时电阻值变化的百分数表示，单位%/%RH

。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷响应时间：响应时间标志湿敏元件在湿度变化时反应速度的快慢，一般以在相应的起始湿度和终止湿度这一变化区间内，63%的相对湿度变化所需时间作为。一般说来，吸湿的响应时间较脱湿的响应时间要短些。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷分辨率：指湿敏元件测湿时的分辨能力，以相对湿度表示，其单位为（%RH）。

温度系数：表示温度每变化1℃时，湿敏元件的阻值变化相当于多少%RH的变化，其单位为%RH/℃

。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷湿敏陶瓷的主晶相成分一般以氧化物半导体构成，其电阻率ρ=10-2~100Ω•m。其导电形式一般认为是电子导电和质子导电，或者两者共存

。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷不论导电形式如何，湿敏陶瓷根据其湿敏特性可分为当湿度增加时电阻率减小的负特性湿敏陶瓷和电阻率增加的正特性湿敏陶瓷两种，如图6-7和图6-8所示。湿敏陶瓷用作湿度传感器，有着十分广泛的应用前景。表6-8列出其应用领域及各种用途。100604020032110610510410380相对湿度ф/%RH电阻R/Ω图6-7几种负特性湿敏半导瓷1:ZnO-Li2O-V2O3系；2:SiO2-Na2O-V2O3系；3:TiO2-MgO-Cr2O3系。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷2001801601401201001008060804020相对湿度ф/%RH图6-8Fe2O3半导瓷的正湿敏特性

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷表6-8湿敏陶瓷的应用领域及各种用途(续1)行业应用领域使用温湿度范围备注温度/℃湿度/%RH家电空调机5~4040~70控制空气状态干燥机800~40干燥衣物电炊灶5~1002~100食品防热、控制烹调VTR-5~6060~100防止结露汽车车窗去雾-20~8050~100防止结露

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷表6-8湿敏陶瓷的应用领域及各种用途(续2)行业应用领域使用温湿度范围备注温度/℃湿度/%RH医疗治疗器10~3080~100呼吸器系统保育器10~3050~80空气状态调节工业纤维10~3050~100制丝干燥机50~1000~50窑业及木材干燥粉体水分5~1000~50窑业原料食品干燥50~1000~50电器制造5~400~50磁头、LSI、IC

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷行业应用领域使用温湿度范围备注温度/℃湿度/%RH农、林、畜牧房屋空调5~400~100空气状态调节茶田防冻-10~6050~100防止结露肉鸡饲养20~2540~70保健

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷表6-8湿敏陶瓷的应用领域及各种用途(续3)行业应用领域使用温湿度范围备注温度/℃湿度/%RH计测恒温恒湿槽-5~1000~100精密测量无线电探测器-50~400~100气象台高精度测定湿度计-5~1000~100控制记录装置其它土壤水分植物培育、泥土崩塌

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷表6-8湿敏陶瓷的应用领域及各种用途(续4,完)四压敏半导体陶瓷

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷压敏陶瓷的性质压敏陶瓷具有优良的非线性伏安特性。在某一临界电压以下，其电阻值相当高，几乎是绝缘体，但当超过这一临界电压时，随着电压的少许增加，电阻急剧减小、电流急剧增大，如图6-8所示。

I：压敏电阻电流（A）；U：施加电压(V)；：非线性系数；C：非线性电阻值。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷压敏陶瓷是一种非线性电阻，用这种陶瓷材料制作的器件称为非线性电阻器。其非线性可由下式表示：

图6-8压敏陶瓷的伏安特性曲线1—齐纳二极管；2—SiC压敏陶瓷；3—ZnO压敏陶瓷；4—线性电阻；5—ZnO压敏陶瓷。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷对上式两边取对数：两边微分：

即

越大，则电压增量所引起的电流相对变化越大，压敏性越好。在临界电压以下，逐步减小，到电流很小的区域，

→1，表现为线性伏安特性,压敏陶瓷成为欧姆器件。

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷

6.6半导体陶瓷第六章功能陶瓷一定材料C为常数，由于精确测量C值非常困难，而实际上