PTC 熱(rè)敏(mǐn)陶(táo)瓷(cí)

　　1950年荷蘭Hayman等(děng)人，在BaTiO3材料(liào)中摻入(rù)微(wēi)量(liáng)元(yuán)素，如(rú)Sb，La，Sm,Gd,Ho等，其常(cháng)溫電阻率下降到10^-2~10⁴cm。與此同時(shí)當溫(wēn)度(dù)超過材料(liào)的(dí)居裏(lǐ)溫度，在幾十度(dù)溫(wēn)度(dù)範(fàn)圍內，其(qí)電(diàn)阻率增大4~10個(gè)數量級(jí)，即(jí)產生(shēng)所謂PTC效應。

　　BaTiO₃是一種典型的鈣鈦(tài)礦結構(gòu)。BaTiO₃係半(bàn)導(dǎo)體(tǐ)陶瓷(cí)的製造方(fāng)法與一(yī)般的電子陶瓷材(cái)料(liào)基本(běn)相(xiāng)同(tóng)。隻是對原材(cái)料的純度，摻(chān)雜(zá)成(chéng)分的均(jūn)匀性(xìng)及工藝過程(chéng)的控製(zhì)有(yǒu)較高(gāo)的要求。持別是(shì)BaTiO₃半(bàn)導體陶(táo)瓷(cí)與(yǔ)金屬銀電極(jí)的(dí)接(jiē)觸(chù)麵(miàn)電(diàn)阻(zǔ)可高(gāo)達10³Ω，並有整流(liú)特性，故一(yī)般(bān)采(cǎi)用鍍鎳電極等(děng)，形(xíng)成良(liáng)好的歐姆接(jiē)觸。用BaTiO₃製(zhì)成的PTC熱敏(mǐn)電(diàn)阻(zǔ)器(qì)，其電阻率(shuài)-溫(wēn)度(ρ-T)特(tè)性(xìng)如圖4.2-26所(suǒ)示；此(cǐ)外還有靜(jìng)態(tài)伏安(ān)特性；電流-時間特性和耐電壓特性等。與熱效應(yīng)有關的參(cān)數有耗(hào)散係數(shù)，熱時間常數(shù)和熱(rè)容量。

　　圖(tú)4.2-26BaTiO3係(xì)PTC熱(rè)敏(mǐn)陶瓷的電阻(zǔ)率-溫度(ρ-T)特性曲綫(xiàn)示意(yì)圖

　　為(wéi)了製(zhì)造(zào)優(yōu)良(liáng)的PTC熱敏電(diàn)阻，首(shǒu)先是(shì)使BaTiO₃半(bàn)導化(huà)，其途徑有兩條(tiáo)：①摻(chān)入(rù)施主雜質(zhì)，選擇化合(hé)價高於Ba2+的(dí)元素取代(dài)Ba²⁺位，如(rú)La³⁺等(děng)，或者選(xuǎn)擇化合價高於(yú)Ti⁴⁺的(dí)元素(sù)取代Ti⁴⁺，如(rú)Nb5+等(děng)，無(wú)論(lùn)那(nà)種(zhǒng)情(qíng)況(kuàng)都在禁(jīn)帶中(zhōng)形成施主能級(jí)，使(shǐ)BaTiO3成(chéng)為(wéi)n型半導(dǎo)體(tǐ)；②材(cái)料(liào)在還原(yuán)氣(qì)氛中燒結(jié)，使(shǐ)之(zhī)產生氧缺位(wèi)，因之(zhī)在禁(jīn)帶中(zhōng)產生施主能(néng)級，在室溫下(xià)形(xíng)成(chéng)n型電導(dǎo)；另(lìng)外，在配(pèi)料(liào)中(zhōng)引(yǐn)入適量(liáng)的(dí)Al₂0₃，SiO₂，TiO₂，這(zhè)種AST玻(bō)璃相(xiāng)可(kě)以吸附或吸收原料(liào)中(zhōng)帶入(rù)的對半導(dǎo)化有害(hài)的雜(zá)質，降(jiàng)低(dī)材(cái)料電阻率。在(zài)原料不純(chún)的(dí)條件下，還(huán)可(kě)通過(guò)適當縮短z高燒結溫(wēn)度(dù)，保(bǎo)溫(wēn)時(shí)間，快(kuài)速降溫與階段(duàn)保(bǎo)溫相結(jié)合(hé)等(děng)方法(fǎ)，在一定程度(dù)上降(jiàng)低(dī)材(cái)料(liào)電阻(zǔ)率(shuài)。

　　BaTiO3材料的居裏溫(wēn)度為120℃，電阻率-溫度(dù)特性在居(jū)裏溫度發(fā)生突(tū)變，由(yóu)於(yú)PbTiO₃，鐵電材料(liào)的居(jū)裏溫度約(yuē)為(wéi)500℃，故(gù)加(jiā)入(rù)PbO可以提高(gāo)居(jū)裏溫度(dù)，理(lǐ)論(lùn)上可在120~ 500℃之間調節(jié)。同理加入Sr²⁺，Sn⁴⁺，Zr⁴⁺等離(lí)子，可使居(jū)裏(lǐ)溫度向低溫(wēn)移(yí)動。Pb²⁺，Sr²⁺等離子(zǐ)都(dū)叫居裏點移(yí)峰劑。

　　關於BaTiO₃半(bàn)導瓷的PTC效應至(zhì)今沒有(yǒu)一種成熟的理論(lùn)解釋，但是(shì)單晶材料(liào)沒(méi)有(yǒu)PTC效(xiào)應，可見BaTiO₃半導瓷的PTC效應是晶界邊界(jiè)效應作用的結(jié)果(guǒ)。Heywang(海(hǎi)旺(wàng))假(jiǎ)設(shè)在施(shī)主摻(chān)雜(zá)BaTiO₃半導(dǎo)體陶(táo)瓷(cí)的晶(jīng)粒邊界(jiè)處存(cún)在(zài)著二(èr)維(wéi)受主型表麵(miàn)態，這些表(biǎo)麵態(tài)與晶界內載(zǎi)流子相(xiāng)互(hù)作用(yòng)，從(cóng)而在(zài)晶(jīng)粒表(biǎo)麵產生勢(shì)壘(lěi)層，這個(gè)表麵(miàn)勢全(quán)層的能(néng)帶(dài)如圖4.2-27所(suǒ)示(shì)。在耗盡(jìn)假設的前提下(xià)，由(yóu)泊(bó)鬆方程(chéng)推(tuī)得其(qí)勢壘高度為

　　式中(zhōng)，n_D是(shì)施主濃度；b是耗(hào)盡層(céng)厚度；ε₀是真空介電(diàn)常數；ns是表(biǎo)麵電(diàn)荷(hé)密度。圖(tú)中(zhōng)Ec是導帶底，EF是費(fèi)米能(néng)級。由(yóu)式可(kě)見ψ₀與(yǔ)ε_eff是(shì)相(xiāng)關(guān)的，但在居裏(lǐ)溫度(dù)以(yǐ)下(xià)，ε_eff高達10000左右(yòu)，ψ₀很(hěn)低，但(dàn)在(zài)居(jū)裏溫(wēn)度(dù)以上(shàng)時，由(yóu)於介電(diàn)常(cháng)數按居(jū)裏-外斯定律(lǜ)下(xià)降，所以(yǐ)ψ₀就隨之(zhī)升(shēng)高。另外(wài)，在(zài)居裏(lǐ)溫度(dù)以下(xià)時，由(yóu)於(yú)產(chǎn)生自發(fā)極化，表麵(miàn)電荷被(bèi)極(jí)化(huà)強度的(dí)垂直(zhí)分量所(suǒ)補(bǔ)償(cháng)，使(shǐ)有效ns大(dà)幅(fú)度下(xià)降，使ψ₀隨之(zhī)大(dà)幅度(dù)下(xià)降；而(ér)在(zài)居裏(lǐ)溫度以上時，自(zì)發(fā)極化消失(shī)，因此(cǐ)有(yǒu)效的ns 增(zēng)多(duō)，ψ₀進(jìn)一(yī)步增(zēng)高，故電阻率(shuài)急驟上(shàng)升。
 

圖4.2-27半導(dǎo)體陶瓷的(dí)晶(jīng)粒邊界(jiè)處(chǔ)勢壘(lěi)層的能(néng)帶示(shì)意圖

　　海(hǎi)旺(wàng)模(mó)型雖(suī)較為成(chéng)功地解釋(shì)了(liǎo)PTC效(xiào)應，但有些(xiē)實驗現象還解釋不(bù)了。Deniels(丹(dān)尼(ní)爾(ěr)斯(sī))等(děng)人(rén)又(yòu)提(tí)出(chū)了晶粒(lì)表(biǎo)麵鋇缺位高阻(zǔ)層(céng)模型，但仍(réng)有(yǒu)它的(dí)局限(xiàn)性。

　　PTC熱(rè)敏電阻主要用(yòng)於溫(wēn)度傳感(gǎn)器(qì)，溫(wēn)度(dù)補償，過熱(rè)過(guò)電流保護(hù)，時間(jiān)延(yán)遲(chí)元件，自動消(xiāo)磁(cí)，馬(mǎ)達(dá)啟(qǐ)動(dòng)器和加(jiā)熱(rè)器等。