第二章材料的導電性能2.4半導體陶瓷的物理效應第二章材料的導電性能2.4半導體陶瓷的物理效應12.4半導體陶瓷的物理效應敏感陶瓷是某些傳感器中的關鍵材料，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多屬于半導體陶瓷，是繼單晶半導體材料之后，又一類新型多晶半導體電子陶瓷。敏感陶瓷是根據(jù)某些陶瓷的電阻率、電動勢等物理量對熱、濕、光、電壓及某些氣體，某種離子的變化特別敏感這一特性，按其相應的特性，可把這些材料分別稱為熱敏、濕敏、光敏、壓敏、氣敏及離子敏感陶瓷。陶瓷材料可以通過摻雜或者使化學計量比偏離而造成晶格缺陷等方法獲得半導性。2.4半導體陶瓷的物理效應敏感陶瓷是某些傳感器中2晶界效應（壓敏和PTC效應）本節(jié)內容表面效應（氣敏效應）西貝克效應p–n結（光電效應）P105晶界效應（壓敏和PTC效應）本節(jié)內容表面效應（氣敏效應）西貝3多數(shù)載流子：n型半導體中的電子和p型半導體中的空穴。少數(shù)載流子：p型半導體中的電子和n型半導體中的空穴。空間電荷區(qū)：電離施主和電離受主所帶電荷存在的區(qū)域。表面空間電荷層：表面與內層產生電子授受關系，在表面附近形成表面空間電荷層。電子耗盡層：空間電荷層中多數(shù)載流子濃度比內部少。電子積累層：空間電荷層中多數(shù)載流子濃度比內部大。反型層：空間電荷層中少數(shù)載流子成為多數(shù)載流子。幾個基本概念多數(shù)載流子：n型半導體中的電子和p型半導體中的空穴。幾個基本4一、壓敏效應1.什么是壓敏效應？對電壓變化敏感的非線性電阻效應，即：在某一臨界電壓以下，電阻值非常高，幾乎無電流通過，可以認為是絕緣體；當超過該臨界電壓（敏感電壓），電阻迅速降低，讓電流通過。2.4半導體陶瓷的物理效應壓敏電阻器，“VoltageDependentResister”(VDR)，現(xiàn)在大量使用的是ZnO壓敏電阻。一、壓敏效應1.什么是壓敏效應？對電壓變化5ZnO壓敏電阻對稱的非線性電壓－電流特性曲線2.壓敏電阻電壓－電流特性曲線IVVIZnO壓敏電阻對稱的非線性電壓－電流特性曲線2.壓敏電阻電6ZnO壓敏陶瓷是由ZnO晶粒及晶粒邊界物質組成。ZnO晶粒中摻有施主雜質而呈n型半導體，晶界物質中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài)，這樣每一微觀單元是一個背靠背肖特基勢壘，整個陶瓷就是由許多背靠背肖特基勢壘串并聯(lián)的組合體。3.壓敏特性的微觀機理ZnO壓敏陶瓷是由ZnO晶粒及晶粒邊界物質組成。ZnO晶粒中7雙肖特基勢壘圖※

電壓較低時，熱激勵電子必須越過肖特基勢壘而流過；※

電壓增大到某一值以上，晶界面上捕獲的電子，由于隧道效應通過勢壘，造成電流急劇增大。ZnO晶粒ZnO晶粒晶界無電場隧道效應熱激發(fā)有電場雙肖特基勢壘圖※電壓較低時，熱激勵電子必須越過肖特基勢壘而8ZnO壓敏電阻已廣泛應用于半導體和電子儀器的穩(wěn)壓和過壓保護以及設備的避雷器。4.壓敏電阻的應用壓敏電阻器是一種無極性過電壓保護元件，無論是交流還是直流電路，只需將壓敏電阻器與被保護電器設備或元器件并聯(lián)即可達到保護設備的目的。ZnO壓敏電阻已廣泛應用于半導體和電子儀器的9應用原理：當電路出現(xiàn)雷電過電壓或瞬態(tài)操作過電壓Vs時，壓敏電阻器和被保護的設備及元器件同時承受Vs，由于壓敏電阻器響應很快，它以納秒級時間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線性導電特性(擊穿區(qū))，此時壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠遠小于Vs，這樣被保護的設備及元器件上實際承受的電壓就遠低于電壓Vs，從而使設備及元器件免遭過電壓的沖擊。應用原理：當電路出現(xiàn)雷電過電壓或瞬態(tài)操作過電壓Vs時，壓敏電10二、PTC和NTC效應1.PTC效應2.4半導體陶瓷的物理效應PTC是PositiveTemperaturecoefficient(正溫度系數(shù))的縮寫，是一種以鈦酸鋇(BaTiO3)為主要成分的半導體功能陶瓷材料，具有電阻值隨著溫度升高而增大的特性，特別是在居里溫度點附近電阻值躍升有3～7個數(shù)量級。

二、PTC和NTC效應1.PTC效應2.4半導體陶瓷的112.PTC熱敏電阻的應用1）溫度敏感元件用于各種家用電器的過熱報警器以及馬達的過熱保護。2）限電流元件用于電子電路的過流保護、彩電的自動消磁以及冰箱、空調的馬達啟動。3）PTC恒溫發(fā)熱元件用于小功率發(fā)熱元件（如電熱水壺、電吹風和電飯鍋）以及大功率蜂窩狀發(fā)熱元件。2.PTC熱敏電阻的應用1）溫度敏感元件123.NTC效應NTC是NegativeTemperaturecoefficient(負溫度系數(shù))的縮寫，是以尖晶石結構為主的半導體功能陶瓷，具有電阻值隨著溫度升高而減小的特性，按照使用溫度可分為低溫（-130～0℃）、常溫（-50～350℃）及高溫（＞300℃）用三種類型。NTC熱敏電阻通常都是以Mn3O4為主材料，同時引入CoO、NiO、CuO、Fe2O3等，使其在高溫下形成尖晶石結構的半導體材料，主要有二元、三元及四元系材料。3.NTC效應NTC是NegativeTempe131）溫度補償：用于石英振蕩器（2~3個NTC）2）抑制浪涌電流用于控制開關電源、電機、變壓器等在接通瞬時產生的大電流。3）溫度檢測用于熱水器、空調、廚房設備、辦公用品、汽車電控等。4.NTC熱敏電阻的應用1）溫度補償：4.NTC熱敏電阻的應用14三、氣敏效應2.4半導體陶瓷的物理效應半導體表面吸附氣體（如H2、O2、CO、CH4、H2O等）時電導率發(fā)生變化。利用表面電導率變化的信號來檢測各種氣體的存在和濃度。如果吸附氣體的電子親和力大于半導體的功函數(shù)，吸附分子從半導體中捕獲電子而帶負電；相反吸附分子帶正電。★

n型半導體負電吸附，p型半導體正電吸附時，表面均形成耗盡層，表面電導率減小。★p型半導體負電吸附，n型半導體正電吸附時，表面均形成積累層，表面電導率增加。三、氣敏效應2.4半導體陶瓷的物理效應半15四、光電效應2.4半導體陶瓷的物理效應1.p-n結形成及其能帶結構pn根據(jù)靜電作用的原理，如在p型區(qū)產生了電子－空穴對，那么電子很容易通過n區(qū)的正電場進入n區(qū)，而空穴則被正電場擋在p型區(qū)；同理，n型區(qū)的空穴進入P區(qū)，而電子留在n區(qū)。n型區(qū)的電子和p型區(qū)的空穴向對方擴散，直到所形成的電場阻止載流子進一步擴散，從而形成了內建電場。P85四、光電效應2.4半導體陶瓷的物理效應1.p-n結形成16p區(qū)整個電子能級向上移動eVd，恰好補償EF原來的差別，即：eVd＝EFn-EFp

p與n型半導體接觸前后的能帶結構p區(qū)整個電子能級向上移動eVd，恰好補償EF原來的差別，即：172.光電效應1）用能量等于或大于禁帶寬度的光子照射p-n結；2）p、n區(qū)都產生電子-空穴對，產生非平衡載流子；3）非平衡載流子破壞原來的熱平衡；4）非平衡載流子在內建電場作用下，n區(qū)空穴向p區(qū)擴散，p區(qū)電子向n區(qū)擴散；5）若p-n結開路，在結的兩邊積累電子－空穴對，產生開路電壓（電位差）。太陽能電池的工作原理P122半導體受光照時產生電動勢（或電位差）的現(xiàn)象，稱為光生伏特效應。2.光電效應1）用能量等于或大于禁帶寬度的光子照射p-n結18半導體材料，薄膜用襯底材料，減反射膜材料，電極與導線材料，組件封裝材料光生伏特效應半導體材料，薄膜用襯底材料，減反射膜材料，電極與導線材料，組19第二章材料的導電性能2.4半導體陶瓷的物理效應第二章材料的導電性能2.4半導體陶瓷的物理效應202.4半導體陶瓷的物理效應敏感陶瓷是某些傳感器中的關鍵材料，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多屬于半導體陶瓷，是繼單晶半導體材料之后，又一類新型多晶半導體電子陶瓷。敏感陶瓷是根據(jù)某些陶瓷的電阻率、電動勢等物理量對熱、濕、光、電壓及某些氣體，某種離子的變化特別敏感這一特性，按其相應的特性，可把這些材料分別稱為熱敏、濕敏、光敏、壓敏、氣敏及離子敏感陶瓷。陶瓷材料可以通過摻雜或者使化學計量比偏離而造成晶格缺陷等方法獲得半導性。2.4半導體陶瓷的物理效應敏感陶瓷是某些傳感器中21晶界效應（壓敏和PTC效應）本節(jié)內容表面效應（氣敏效應）西貝克效應p–n結（光電效應）P105晶界效應（壓敏和PTC效應）本節(jié)內容表面效應（氣敏效應）西貝22多數(shù)載流子：n型半導體中的電子和p型半導體中的空穴。少數(shù)載流子：p型半導體中的電子和n型半導體中的空穴。空間電荷區(qū)：電離施主和電離受主所帶電荷存在的區(qū)域。表面空間電荷層：表面與內層產生電子授受關系，在表面附近形成表面空間電荷層。電子耗盡層：空間電荷層中多數(shù)載流子濃度比內部少。電子積累層：空間電荷層中多數(shù)載流子濃度比內部大。反型層：空間電荷層中少數(shù)載流子成為多數(shù)載流子。幾個基本概念多數(shù)載流子：n型半導體中的電子和p型半導體中的空穴。幾個基本23一、壓敏效應1.什么是壓敏效應？對電壓變化敏感的非線性電阻效應，即：在某一臨界電壓以下，電阻值非常高，幾乎無電流通過，可以認為是絕緣體；當超過該臨界電壓（敏感電壓），電阻迅速降低，讓電流通過。2.4半導體陶瓷的物理效應壓敏電阻器，“VoltageDependentResister”(VDR)，現(xiàn)在大量使用的是ZnO壓敏電阻。一、壓敏效應1.什么是壓敏效應？對電壓變化24ZnO壓敏電阻對稱的非線性電壓－電流特性曲線2.壓敏電阻電壓－電流特性曲線IVVIZnO壓敏電阻對稱的非線性電壓－電流特性曲線2.壓敏電阻電25ZnO壓敏陶瓷是由ZnO晶粒及晶粒邊界物質組成。ZnO晶粒中摻有施主雜質而呈n型半導體，晶界物質中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài)，這樣每一微觀單元是一個背靠背肖特基勢壘，整個陶瓷就是由許多背靠背肖特基勢壘串并聯(lián)的組合體。3.壓敏特性的微觀機理ZnO壓敏陶瓷是由ZnO晶粒及晶粒邊界物質組成。ZnO晶粒中26雙肖特基勢壘圖※

電壓較低時，熱激勵電子必須越過肖特基勢壘而流過；※

電壓增大到某一值以上，晶界面上捕獲的電子，由于隧道效應通過勢壘，造成電流急劇增大。ZnO晶粒ZnO晶粒晶界無電場隧道效應熱激發(fā)有電場雙肖特基勢壘圖※電壓較低時，熱激勵電子必須越過肖特基勢壘而27ZnO壓敏電阻已廣泛應用于半導體和電子儀器的穩(wěn)壓和過壓保護以及設備的避雷器。4.壓敏電阻的應用壓敏電阻器是一種無極性過電壓保護元件，無論是交流還是直流電路，只需將壓敏電阻器與被保護電器設備或元器件并聯(lián)即可達到保護設備的目的。ZnO壓敏電阻已廣泛應用于半導體和電子儀器的28應用原理：當電路出現(xiàn)雷電過電壓或瞬態(tài)操作過電壓Vs時，壓敏電阻器和被保護的設備及元器件同時承受Vs，由于壓敏電阻器響應很快，它以納秒級時間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線性導電特性(擊穿區(qū))，此時壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠遠小于Vs，這樣被保護的設備及元器件上實際承受的電壓就遠低于電壓Vs，從而使設備及元器件免遭過電壓的沖擊。應用原理：當電路出現(xiàn)雷電過電壓或瞬態(tài)操作過電壓Vs時，壓敏電29二、PTC和NTC效應1.PTC效應2.4半導體陶瓷的物理效應PTC是PositiveTemperaturecoefficient(正溫度系數(shù))的縮寫，是一種以鈦酸鋇(BaTiO3)為主要成分的半導體功能陶瓷材料，具有電阻值隨著溫度升高而增大的特性，特別是在居里溫度點附近電阻值躍升有3～7個數(shù)量級。

二、PTC和NTC效應1.PTC效應2.4半導體陶瓷的302.PTC熱敏電阻的應用1）溫度敏感元件用于各種家用電器的過熱報警器以及馬達的過熱保護。2）限電流元件用于電子電路的過流保護、彩電的自動消磁以及冰箱、空調的馬達啟動。3）PTC恒溫發(fā)熱元件用于小功率發(fā)熱元件（如電熱水壺、電吹風和電飯鍋）以及大功率蜂窩狀發(fā)熱元件。2.PTC熱敏電阻的應用1）溫度敏感元件313.NTC效應NTC是NegativeTemperaturecoefficient(負溫度系數(shù))的縮寫，是以尖晶石結構為主的半導體功能陶瓷，具有電阻值隨著溫度升高而減小的特性，按照使用溫度可分為低溫（-130～0℃）、常溫（-50～350℃）及高溫（＞300℃）用三種類型。NTC熱敏電阻通常都是以Mn3O4為主材料，同時引入CoO、NiO、CuO、Fe2O3等，使其在高溫下形成尖晶石結構的半導體材料，主要有二元、三元及四元系材料。3.NTC效應NTC是NegativeTempe321）溫度補償：用于石英振蕩器（2~3個NTC）2）抑制浪涌電流用于控制開關電源、電機、變壓器等在接通瞬時產生的大電流。3）溫度檢測用于熱水器、空調、廚房設備、辦公用品、汽車電控等。4.NTC熱敏電阻的應用1）溫度補償：4.NTC熱敏電阻的應用33三、氣敏效應2.4半導體陶瓷的物理效應半導體表面吸附氣體（如H2、O2、CO、CH4、H2O等）時電導率發(fā)生變化。利用表面電導率變化的信號來檢測各種氣體的存在和濃度。如果吸附氣體的電子親和力大于半導體的功函數(shù)，吸附分子從半導體中捕獲電子而帶負電；相反吸附分子帶正電。★

n型半導體負電吸附，p型半導體正電吸附時，表面均形成耗盡層，表面電導率減小。★p型半導體負電吸附，n型半導體正電吸附時，表面均形成積累層，表面電導率增加。三、氣敏效應2.4半導體陶瓷的