10半导体陶瓷

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。
E
P区电子
n
p
_ +
p
n
n区空穴
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
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（Eg≥3 eV）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。
• 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(GridConnected PV System, 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)。
•
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）
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。
太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！
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
• 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。
感湿陶瓷
护圈电极
基板
电极引线
陶瓷湿敏元件结构图
氧化还原
• 富氧气氛 • MO • 还原气氛 MO1+X
• MO
MO1-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
此外，还有TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、
ZrO2－MgO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 于一种开口毛细管,容易吸附水分。材料的主晶相是 MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多 氧化钌电极 相的混合物。 加热器
全世界太阳能电池市场量
400 350
US JAPAN EUROPE ROW
Shipment (Pmp MW)
300 250 200 150 100 50 0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Year
太阳能发电综合利用系统 光伏电站
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。
3～4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（RT—T）
106 105 104 103 102 101 100 0
铂丝
RT/Ω
2 4 1
3
40 60 120 160 温度T/º C
热敏电阻的电阻--温度特性曲线 1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC
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
施主杂质
n-型半导体
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
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
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
T
产品
应用
温控器
水温感应塞
还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等
汽车发动机传感器
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
半导体陶瓷
宋 鹏
济南大学材料科学与工程学院
敏感陶瓷
具有半导体特性、电导率约在10-6～105S/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
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10～100
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1～10M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
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
光电导效应
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
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。
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。
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MgCr2O4－TiO2系。
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。
P
- + - + - +
N
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；
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+Ti 4+O2-3+xLa 3+ =Ba2+1-xLa3+x(Ti 4+1-xTi3+x)O2-3+xBa 2+ 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。
三、NTC热敏电阻
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。 R
高纯半导体
“掺杂”
受主杂质
p-型半导体
Si
Si Si Si As Si
Si
Si
B
Ｂ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
பைடு நூலகம்
理是基于一些物质的光电效应。
光电导效应 光生伏特效应
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）