1、溜張曲建戛利隹更辱和律晚課程設(shè)計(jì)（論文）用紙冨張曲建戛利隹更辱和博晚課程設(shè)計(jì)(論文)用紙第頁(yè)第頁(yè)第頁(yè)半導(dǎo)體陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景摘要：半導(dǎo)體陶瓷是當(dāng)今世界迅速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)領(lǐng)域。隨著電子工業(yè)的高速發(fā)展，發(fā)展半導(dǎo)體陶瓷正面臨著許多急待解決的重要問(wèn)題。本文對(duì)熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、光敏等五類半導(dǎo)體陶瓷的基本原理，主要陶瓷材料以及優(yōu)越特性的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要敘述，對(duì)半導(dǎo)體陶瓷現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析探討,并針對(duì)共性問(wèn)題提出了某些看法和建議。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體陶瓷；現(xiàn)狀；發(fā)展前景弓I言：半導(dǎo)體陶瓷是敏感元器件及傳感器技術(shù)的關(guān)鍵材料，是當(dāng)今世界迅速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)領(lǐng)域，它與現(xiàn)代信息技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)

2、技術(shù)密切相關(guān)，它的研究開(kāi)發(fā)乃至生產(chǎn)，涉及到物理、化學(xué)、材料科學(xué)與工程等多種學(xué)科,因此，半導(dǎo)體陶瓷屬技術(shù)密集和知識(shí)密集型產(chǎn)業(yè)。日本產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。美國(guó)，歐洲也占有相當(dāng)數(shù)量。相比之下我國(guó)半導(dǎo)體陶瓷起步較晚產(chǎn)品性能、生產(chǎn)水平和國(guó)際先進(jìn)水平相比還有明顯差距。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著電子工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體陶瓷的要求愈來(lái)愈高，發(fā)展半導(dǎo)體陶瓷正面臨著許多急待解決的重要問(wèn)題，本文就半導(dǎo)體陶瓷國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討，提出一些粗淺的看法進(jìn)行商榷，以期推動(dòng)我國(guó)半導(dǎo)體陶瓷產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。1現(xiàn)狀及發(fā)展前景半導(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。1.1熱敏

3、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熱敏電阻器以BaTiO或BaTiO固溶體為主晶相的半33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，表現(xiàn)出所謂的PTC效應(yīng)。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(kāi)關(guān)型。PTC熱敏電阻器的實(shí)用化基本上是從20世紀(jì)60年代開(kāi)始的，到70年代中期得到了很大的發(fā)展，各種不同用途的PTC熱敏電阻元件相繼出現(xiàn)。到目前為止，無(wú)論是工業(yè)電子設(shè)備，還是家用電器產(chǎn)品，幾乎到處都可以看到PTC熱敏電阻元件。據(jù)世界上最大

4、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。近年來(lái)，隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)于程控電話交換機(jī)用PTC過(guò)電流保護(hù)元件、移動(dòng)電話石英晶體振蕩器用PTC恒溫器等需求劇增。為了降低汽車尾氣排放和提高冷啟動(dòng)速度，需要大量汽車?yán)鋯?dòng)用PTC加熱片。另外，PTC熱敏陶瓷在彩電消瓷器，空調(diào)器，暖風(fēng)機(jī)，節(jié)能燈軟啟動(dòng)等家用電器方面得到了普遍應(yīng)用。值得注意的是,PTC在航空航天、雷達(dá)、電子通信、儀器儀表等領(lǐng)域占有非常重要的地位。PTC的表面貼裝元件已在逐步開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。NTC熱敏電阻有三種不同類型的阻溫特性:一種是緩變型的熱敏電阻；另一種是負(fù)溫度突變型，又稱臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（C

5、TR），在特定溫度內(nèi)，其阻值急劇下降;再一種是阻溫特性為直線的陶瓷熱敏元件。常溫（300C）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MnOCuO-O系、MnO-CoO-0系、MnO-NiO-O222系等金屬氧化物陶瓷。三兀系熱敏陶瓷材料主要有Mn-Co-Ni系、Mn-Cu-Ni系Mn-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，現(xiàn)在各國(guó)生產(chǎn)的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，絕大部分是用這類陶瓷制成的。它們的電阻溫

6、度系數(shù)約為（-1%-6%）/C,工作溫度在-60+300C之間，廣泛用于測(cè)溫、控溫、補(bǔ)償、穩(wěn)壓、遙控、流量流速測(cè)量及時(shí)間延遲等技術(shù)領(lǐng)域。目前，源于多層陶瓷電容器（MLCC）的獨(dú)石型結(jié)構(gòu)和工藝在敏感元件領(lǐng)域的移植是一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，NTC已實(shí)現(xiàn)0603、0805、1206等標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)格，以適應(yīng)電子產(chǎn)品普遍采用的表面貼裝技術(shù)（SMT）。臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CRT）是一種具有開(kāi)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、SiO、TiO等)。利用這種熱敏電阻可以制成固態(tài)無(wú)觸

7、點(diǎn)開(kāi)關(guān)，具有廣泛22的應(yīng)用前景。VO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2路的過(guò)熱保護(hù)等。從產(chǎn)量來(lái)看NTC最大，PTC居次，CTR最小。1.2氣敏常見(jiàn)的氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料無(wú)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。氣敏陶瓷可分為電導(dǎo)式和電話式兩類。氣敏材料主要有SnO系，F(xiàn)eO系,VO系，VO系，ZrO系，NiO系，CoO系及稀土過(guò)度金22323252屬氧化物系，如Ln(Ni,Co)O等。SnO氣敏傳感器至今仍是應(yīng)用最廣和性能最32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、

8、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。選擇納米級(jí)的材料可以大幅度提高SnO氣敏陶瓷傳感器的氣敏性能。今后的目標(biāo)2是研究低溫或常溫下工作的氣敏傳感器，此外SnO氣敏傳感器在如何消除環(huán)境2氣氛對(duì)濕度的影響方面的問(wèn)題還沒(méi)有很好地解決。ZrO氧敏傳感器在汽車方面2的應(yīng)用近年來(lái)取得了很多進(jìn)展，已開(kāi)發(fā)出了檢測(cè)空/燃比(A/F)=14.524的疊層式傳感器，但由于我國(guó)汽車目前常用摻有四乙鉛的汽油作為燃料，它會(huì)使ZrO氧氣敏傳感器中毒失靈，因此開(kāi)發(fā)使用TiO和CoO+MgO系陶瓷氧敏傳感22來(lái)檢測(cè)汽車排氣比用ZrO氧氣敏傳感器更適用。采用集成電路工藝把超微粒薄2膜集成在硅襯

9、底上，可制成對(duì)還原性氣體靈敏度很高的氣敏元件，它是一種很有發(fā)展前途的新型半導(dǎo)體氣敏傳感器。隨著人們對(duì)食品衛(wèi)生的日益重視,氣敏傳感器用于酒類識(shí)別和肉類的鮮度鑒定得到了迅速發(fā)展。1.3濕彳濕敏陶瓷具有當(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。最近關(guān)于濕敏傳感器的開(kāi)發(fā)研究的顯著特征是對(duì)濕敏陶瓷材料進(jìn)行改性和探索，諸如利用質(zhì)子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)型溫度傳感器和利用熱敏電阻組成的絕對(duì)濕度濕敏傳感器等。但目前主要還是用電阻式陶

10、瓷濕敏傳感器。最近對(duì)致密型的濕敏材料也有研究，取得了一些進(jìn)展。常見(jiàn)濕敏瓷有MgCrO-TiO系，Si-NaO-VO系,ZnO-LiO-VO242225225系，ZnO-CrO系，F(xiàn)eO,FeO，NiO等，特別是近幾年ABO型材料的研究，232334233對(duì)濕敏陶瓷的發(fā)展和制作濕敏傳感器有很大推進(jìn)。主要應(yīng)用于空調(diào)，食品加工，輕紡等烘干系統(tǒng)所用的溫度檢測(cè)和控制元件。1.4壓敏壓敏電阻器的特點(diǎn)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(shì)壘模型等理論進(jìn)行解釋。材料主晶相主要有ZnO,SiC,BaTiO,FeO,TOC o

11、1-5 h z323SnO,SrTiO等。其中BaTiO,FeO利用的是電極與燒結(jié)體界面的非歐姆性，23323而SiC,ZnO,SnO,SrTiO利用的是晶界的非歐姆特性。目前，應(yīng)用最廣、性23能最好的是ZnO壓敏半導(dǎo)體陶瓷。ZnO壓敏陶瓷材料的研究從最初對(duì)電子設(shè)備小型化和高可靠性的要求而展開(kāi)，發(fā)展到今天已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這個(gè)范圍。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(guò)電壓保護(hù)，高能至數(shù)十萬(wàn)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(wú)間隙避雷器等，已獲得廣泛應(yīng)用。1.5光敏半導(dǎo)

12、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)。溜張曲建戛利隹更辱和律晚課程設(shè)計(jì)(論文)用紙轡張曲建戛利隹更辱#頸學(xué)晚課程設(shè)計(jì)（論文）用紙第頁(yè)第頁(yè)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。典型的產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的光敏陶瓷有CuSCdS、CdTe-CdS2等oCuS-CdS陶瓷太陽(yáng)能電池雖在轉(zhuǎn)換效率方面比不上硅太陽(yáng)能電池，但它的2成本低，而且耐輻射能力比硅太陽(yáng)能電池強(qiáng)。因此它宜在空間或地面某些特殊裝置中作小功率電源，尤其在我國(guó)西部地區(qū)廣漠無(wú)垠的沙漠或草原上，利用其豐富

13、的日照條件，解決部分用電電源是有前途的，但是CuS-CdS陶瓷太陽(yáng)能2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。CdTe-CdS陶瓷太陽(yáng)能電池是一種厚膜型電池，由于采用厚膜工藝，生產(chǎn)過(guò)程易于自動(dòng)化，成本低，是一種很有前途的陶瓷太陽(yáng)能電池。2討論以上所列舉的5類半導(dǎo)體陶瓷我國(guó)目前已全部能夠生產(chǎn)，然而和國(guó)際先進(jìn)水平相比還有某些差距，尤其是產(chǎn)業(yè)化方面的差距更為明顯，主要表現(xiàn)在：高純超細(xì)粉料制備技術(shù)；先進(jìn)裝備及現(xiàn)代化檢測(cè)手段;組分設(shè)計(jì)，晶界相與顯微結(jié)構(gòu)控制；新材料，新工藝與新應(yīng)用的探索。新型半導(dǎo)體陶瓷及其傳感技術(shù)中的研究應(yīng)用方面，應(yīng)該考慮下面三種情況：在原有材料中發(fā)掘新的“效應(yīng)”，“現(xiàn)

14、象”，或“反應(yīng)”等，并把這些“現(xiàn)象”應(yīng)用于傳感技術(shù)，使之實(shí)用化;依賴材料化學(xué)發(fā)現(xiàn)新材料，利用老的“效應(yīng)”，“現(xiàn)象”等研制新的傳感元件，并使之實(shí)用化；應(yīng)用新材料，新效應(yīng)于傳感技術(shù)中，并使之實(shí)用化。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)瓷正向著高性能，小型化，薄、輕，集成化，多功能方向發(fā)展。半導(dǎo)體陶瓷及其敏感技術(shù)是建立在物理學(xué)的“效應(yīng)”，“現(xiàn)象”，化學(xué)的“反應(yīng)”，生物學(xué)的各種生物“機(jī)理”等基礎(chǔ)原理上的，并導(dǎo)入新的功能材料工程學(xué)，使之實(shí)用化而發(fā)展起來(lái)的學(xué)科。當(dāng)前開(kāi)發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)以工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備控制為主，信息處理，科技檢測(cè)和防火，防爆居次。此外，在現(xiàn)代通訊，交通及家電等方面應(yīng)尋求更廣泛的應(yīng)用。3結(jié)束語(yǔ)我國(guó)在高性能半導(dǎo)體陶瓷材料的研究方面已經(jīng)取得了一些成果，與國(guó)際先進(jìn)水平的差距正在縮小,一大批引進(jìn)產(chǎn)品已逐步被國(guó)產(chǎn)化，許多產(chǎn)品已受到國(guó)際上的重視，某些產(chǎn)品已經(jīng)出口。當(dāng)前我們正處在科學(xué)興國(guó)，以技術(shù)一一