在大多數(shù)人的印象中，陶瓷一直都是絕緣體的代名詞。但在上世紀(jì)五十年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些本該是絕緣體的金屬氧化物陶瓷（如鈦酸鋇、二氧化鈦、二氧化錫和氧化鋅等），只要摻入微量的其他金屬氧化物，就會(huì)變得有導(dǎo)電能力，它們的電阻介于絕緣體和金屬之間，人們稱它們?yōu)榘雽?dǎo)體陶瓷。

金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的電子帶隙對(duì)比

備注：帶隙是導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差。帶隙越大，電子由價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶越難，本征載流子濃度就越低，電導(dǎo)率也就越低。

半導(dǎo)體陶瓷與現(xiàn)代信息技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)密切相關(guān)，是物理、化學(xué)、材料科學(xué)與工程等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，采用半導(dǎo)體陶瓷制作的各種傳感器在我們的日常生活中隨處可見。下面小編便來帶你了解一下半導(dǎo)體陶瓷，并看看它讓我們的生活都產(chǎn)生了哪些變化。

一、半導(dǎo)體陶瓷是怎么形成的？

以BaTiO₃為例，當(dāng)用離子半徑與Ba²⁺相近的三價(jià)離子（如La³⁺、Gd³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Sb³⁺等）來置換Ba²⁺離子，或是用離子半徑與Ti⁴⁺相近的五價(jià)離子（如Ta⁵⁺、Nb⁵⁺、Sb⁵⁺、V⁵⁺、W⁵⁺等）置換Ti⁴⁺離子。這時(shí)，為了保持電中性，容易變價(jià)的鈦離子會(huì)有一部分Ti⁴⁺俘獲電子變?yōu)?/span>Ti³⁺（即（Ti⁴⁺·e）），發(fā)生電子補(bǔ)償產(chǎn)生導(dǎo)電載流子，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。

二、半導(dǎo)體陶瓷的分類及應(yīng)用

半導(dǎo)體陶瓷品種繁多，具有產(chǎn)業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的主要有：熱敏、氣敏、濕敏、壓敏及光敏電阻器等。

1.熱敏

熱敏電阻器一般可分為正溫度系數(shù)（PTC），負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和臨界溫度電阻器（CTR）三類。

PTC熱敏電阻器：PTC材料多半是以BaTiO₃或BaTiO₃固溶體為主晶相的半導(dǎo)體陶瓷元件。在一定的溫度范圍內(nèi)，其阻值隨溫度的增加而增加，當(dāng)發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡時(shí)，此電阻就保持恒定的阻值和溫度，可做為恒溫加熱使用。按材料居里點(diǎn)(Tc)可分為低溫、高溫，按阻值可分為低阻、高阻，按使用電壓可分為低壓、常壓和高壓，按曲線陡度可分為緩變型和開關(guān)型。

PTC熱敏電阻

據(jù)世界上最大的電子陶瓷生產(chǎn)公司之一的日本村田制作所報(bào)導(dǎo)，PTC產(chǎn)品的品種規(guī)格已達(dá)169種。利用PTC陶瓷既發(fā)熱又控溫的特性，可以制造許多家用電熱電器，如彩電消瓷器、暖風(fēng)機(jī)、卷發(fā)器、暖腳器、手爐等等。近年，人們將半導(dǎo)體陶瓷材料涂復(fù)在玻璃、陶瓷、搪瓷等器皿上，通電發(fā)熱用來制造電熱壺、電火鍋、電熱水器等。

NTC熱敏電阻：該類有三種不同類型的阻溫特性。一是緩變型的熱敏電阻；二是負(fù)溫度突變型，又稱臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)，在特定溫度內(nèi)，其阻值急劇下降；三是阻溫特性為直線的陶瓷熱敏元件。

常溫(300℃)NTC熱敏陶瓷材料，大多數(shù)是尖晶石型氧化物半導(dǎo)體陶瓷，其中包括二元系材料及多元系材料。二元系陶瓷材料主要有MnO-CuO-O₂系、MnO-CoO-O₂系、MnO-NiO-O₂系等金屬氧化物陶瓷。三元系熱敏陶瓷材料主要有Mn-Co-Ni系、M n-Cu-Ni系、M n-Cu-Co系等含Mn的金屬氧化物。也有不含Mn的NTC熱敏陶瓷材料，如Cu-Ni系、Cu-Co-Ni系等。這些氧化物按一定配比混合，經(jīng)燒結(jié)后，性能穩(wěn)定，可在空氣中直接使用，它們的電阻溫度系數(shù)約為(-1%～-6%)/℃，工作溫度在-60～+300℃之間，廣泛用于測溫、控溫、補(bǔ)償、穩(wěn)壓、遙控、流量流速測量及時(shí)間延遲等技術(shù)領(lǐng)域。

采用NTC熱敏電阻的橋式溫度計(jì)電路，可測出0.005℃的溫度變化

CRT熱敏電阻：臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CRT)是一種具有開關(guān)特性的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。由于某些材料的轉(zhuǎn)變溫度較低，因此必須在低溫情況下使用。如果需要轉(zhuǎn)變溫度較高一些的CTR熱敏電阻，就必須攙雜一些氧化物(如CaO、SrO、BaO、SiO₂、TiO₂等)。利用這種熱敏電阻可以制成固態(tài)無觸點(diǎn)開關(guān)，VO₂系臨界溫度熱敏陶瓷已應(yīng)用于恒溫箱溫度控制、火災(zāi)報(bào)警和電路的過熱保護(hù)等。

2.氣敏

常見的氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料無論是n型，還是p型半導(dǎo)瓷，其氣敏特性都是由于表面物理吸附，化學(xué)吸附或物理化學(xué)吸附引起表面能態(tài)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率的變化。材料系統(tǒng)主要有SnO₂系，Fe₂O₃系，V₂O₃系，V₂O₅系，ZrO₂系，NiO系，CoO系及稀土過度金屬氧化物系，如Ln(Ni，Co)O₃等。目前SnO₂氣敏傳感器是目前應(yīng)用最廣和性能最優(yōu)的一種，對(duì)許多可燃?xì)怏w，如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、城市煤氣和天然氣等都有相當(dāng)高的靈敏度，并且有較高的重復(fù)性和使用壽命。

由于這些材料的電阻會(huì)隨各種氣體的濃度改變幾百~幾萬倍，因此可利用這些陶瓷制造各種氣體傳感器，人們通俗地稱它們?yōu)殡娮颖恰１热缯f廚房中的煤氣報(bào)警器，一有煤氣泄漏，報(bào)警器就會(huì)自動(dòng)發(fā)出閃光和鳴叫，警告人們立即采取措施，而用電阻隨酒精蒸汽濃度而變的陶瓷可制造酒敏傳感器，將這種傳感器裝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制電路上，如果駕駛員喝了酒，汽車就不能發(fā)動(dòng)，這可以防止酒后開車肇事。

煤氣報(bào)警器

3.濕敏

濕敏陶瓷具有當(dāng)環(huán)境溫度變化導(dǎo)致其電性質(zhì)相應(yīng)變化的一類材料。陶瓷濕敏材料大部分是利用微孔吸附水份與晶粒表面作用使電導(dǎo)發(fā)生變化制成濕敏傳感器，利用電容量變化制成的濕敏陶瓷傳感器因濕敏特性曲線的非線性變化、器件不穩(wěn)定和壽命短等原因，應(yīng)用范圍較窄。目前常見的濕敏陶瓷有MgCr₂O₄-TiO₂系，Si-Na₂O-V₂O₅系，ZnO-Li₂O-V₂O₅系，ZnO-Cr₂O₃系，Fe₂O₃，Fe₃O₄，Ni₂O₃等。

用電阻隨空氣濕度而變的陶瓷制造的濕敏傳感器，可以測量和控制大氣濕度。裝有這種傳感器的空調(diào)機(jī)，不僅冬暖夏涼，而且能始終保持著人類最舒適的濕度，既不會(huì)有黃梅天的濕悶，也不會(huì)有寒冬的干燥感。裝有濕敏傳感器的微波爐，可使菜肴烹任完全自動(dòng)化。另外干衣機(jī)之所以能使衣服既能干透，又不烤焦，全靠濕度傳感器在控制。

4.壓敏

壓敏電阻器是伏安特性呈非線性，對(duì)電壓變化敏感的半導(dǎo)體陶瓷。壓敏電阻器的非線性伏安特性是由材料的晶界效應(yīng)引起的結(jié)果，可用分立的雙肖特基勢壘模型等理論進(jìn)行解釋。材料主晶相主要有ZnO，SiC，BaTiO₃，Fe₂O₃，SnO₂，SrTiO₃等。其中BaTiO₃，Fe₂O₃利用的是電極與燒結(jié)體界面的非歐姆性，而SiC，ZnO，SnO₂，SrTiO₃利用的是晶界的非歐姆特性。目前，應(yīng)用最廣、性能最好的是ZnO壓敏半導(dǎo)體陶瓷。

摻雜了鉍的ZnO微觀結(jié)構(gòu)

目前，低壓至集成電路，高壓至數(shù)百千伏超高壓輸電系統(tǒng)的瞬態(tài)過電壓保護(hù)，高能至數(shù)十萬千瓦大型發(fā)電機(jī)滅磁保護(hù)，高頻至數(shù)十億赫茲的發(fā)射天線都是陶瓷壓敏電阻的應(yīng)用領(lǐng)域。利用上述優(yōu)越的壓敏特性所制作的電阻器有浪涌吸收，高壓穩(wěn)壓，超導(dǎo)移能，無間隙避雷器等，已獲得廣泛應(yīng)用。

5.光敏

半導(dǎo)體陶瓷在光的照射下，往往會(huì)引發(fā)其一些電性質(zhì)的變化，由于陶瓷電特性的不同及光子能量的差異，可能產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，也可能產(chǎn)生伏特效應(yīng)。利用這些效應(yīng)，可以制造光敏電阻和光電池。典型的產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的光敏陶瓷有CdS、CdSe等；產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的光敏陶瓷有Cu₂SCdS、CdTe-CdS等。

Cu₂S-CdS陶瓷太陽能電池雖在轉(zhuǎn)換效率方面比不上硅太陽能電池，但它的成本低且耐輻射能力比硅太陽能電池強(qiáng)，宜在空間或地面某些特殊裝置中作小功率電源，如我國西部地區(qū)廣漠無垠的沙漠或草原，但是Cu₂S-CdS陶瓷太陽能電池存在轉(zhuǎn)換效率不高和易于老化的缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步研究解決。而CdTeCdS陶瓷太陽能電池是一種厚膜型電池，由于采用厚膜工藝，生產(chǎn)過程易于自動(dòng)化，成本低，是一種很有前途的陶瓷太陽能電池。

三、結(jié)語

顯而易見，半導(dǎo)體陶瓷在我們的生活中有著舉足輕重的作用，利用這些陶瓷制造的各種各樣的電子器件，正顯著地改善著我們生活的舒適度并提高身心的安全感。相信在日后，科學(xué)家針對(duì)這一塊的投入及研究還將不斷深化，繼續(xù)設(shè)計(jì)出更多有益國家發(fā)展的新半導(dǎo)體陶瓷材料。

資料來源：

半導(dǎo)體陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，徐翠艷，王文新，李成。

陶瓷半導(dǎo)體的原理及應(yīng)用，天津大學(xué)化工系技術(shù)陶瓷教研室

我們生活中的半導(dǎo)體陶瓷，王天寶

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