半导体陶瓷物理效应.ppt

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无电场
ZnO晶粒 晶界 ZnO晶粒
双 肖 特 基 势 垒 图
有电场
热激发
隧 道 效 应
※ 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。
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晶界效应（压敏和PTC效应）
本 节
表面效应（气敏效应）
内
容
西贝克效应 P105
p–n结（光电效应）
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几个基本概念
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。
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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
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4. 压敏电阻的应用
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。
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。
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。
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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。
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2.4 半导体陶瓷的物理效应
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。
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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。
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3. 压敏特性的微观机理
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。
压敏电阻器，“Voltage Dependent Resister” (VDR)， 现在大量使用的是ZnO压敏电阻。
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2. 压敏电阻电压－电流特性曲线 I
V V
I
ZnO压敏电阻对称的非线性电压－电流特性曲线
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2.4 半导体陶瓷的物理效应
二、PTC和NTC效应
1. PTC效应
PTC 是 Positive Temperature coefficient (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3～7个数 量级。
电饭锅）以及大功率蜂窝状发热元件。
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3. NTC效应
NTC 是 Negative Temperature coefficient (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（-130～0℃）、常温（-50～ 350℃）及高温（＞300℃）用三种 类型。
第二章 材料的导电性能
2.4 半导体陶瓷的 物理效应
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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。