ntc溫敏陶瓷指導(dǎo)書

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1、附件1NTC熱敏陶瓷一．NTC熱敏陶瓷的概念與分類通常將電阻率隨溫度升高而下降的材料，稱為負(fù)溫度系數(shù)材料，簡(jiǎn)稱NTC材料。NTC熱敏電阻器是研究較早的半導(dǎo)體陶瓷元件之一，它具有靈敏度高（比鉑電阻高10倍以上），響應(yīng)速度快，體積小，價(jià)格便宜，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制的特點(diǎn)，而廣泛的應(yīng)用于測(cè)溫、控溫、補(bǔ)償、穩(wěn)壓、遙控、流量流速測(cè)量以及時(shí)間延遲等設(shè)備。這類熱敏電阻材料絕大部分都是Mn、Co、Ni、Fe等過渡金屬的尖晶石型氧化物陶瓷，其電阻率p與溫度一般遵循熱激活特征的Arrhenius方程。按使用溫區(qū)大致分為低溫?zé)崦舨牧?4~70K),常溫?zé)崦舨牧?-60~300℃),高溫?zé)崦舨牧?>30

2、0℃)。二．NTC熱敏電子陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理對(duì)于含微量雜質(zhì)的單質(zhì)半導(dǎo)體（如硅、鍺）及共價(jià)半導(dǎo)體（如GaAs、GaP）導(dǎo)電機(jī)制較好的符合能帶模型理論。NTC熱敏陶瓷材料主要是通過摻入的雜質(zhì)原子而成為價(jià)控半導(dǎo)體，一般遵循小極化子模型。所謂的極化子理論，是指載流子（電子或空穴）在離子晶體中慢速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于離子帶電荷，載流子與晶格離子之間相互作用而產(chǎn)生極化，并使載流子處于半束縛狀態(tài)。這種極化狀態(tài)稱為極化子。極化子又有大極化子（電子云重疊較多，可認(rèn)為載流子在能帶中運(yùn)動(dòng)）和小極化子之分。如NiO是典型的金屬缺位型半導(dǎo)體，當(dāng)晶格中存在鎳空位或低價(jià)外來雜質(zhì)，會(huì)使Ni2+變成Ni3+離子而產(chǎn)生空穴電導(dǎo)。但

3、導(dǎo)電并不是由于空穴在滿帶中運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而是通過在能級(jí)間跳躍進(jìn)行的，即所謂跳躍式電導(dǎo)。其在適當(dāng)高的溫區(qū)，載流子的遷移現(xiàn)象可用大極化子理論來解釋或用介于大極化子和小極化子中間的新型模型才能合理的解釋其躍遷電性能。6CoO類似于NiO屬于低遷移率的P型半導(dǎo)體（金屬缺位型），在284K以上為NaCl結(jié)構(gòu)，低于此溫度時(shí)將發(fā)生微小的晶格畸變，其導(dǎo)電機(jī)理，一般認(rèn)為在120K以下屬于小極化子能帶半導(dǎo)體機(jī)制，而在此溫度以上則變?yōu)樾O化子的跳躍電導(dǎo)機(jī)制，這一點(diǎn)已被塞貝克系數(shù)的測(cè)量所證實(shí)；MnO同屬于金屬缺位型p型半導(dǎo)體，但它與NiO不同，高溫下隨氧分壓的變化，電導(dǎo)出現(xiàn)極小值，即發(fā)生P?N型轉(zhuǎn)變。通過測(cè)量

4、電導(dǎo)和塞貝克系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系，證明其電導(dǎo)機(jī)制符合小極化子跳躍模型。NTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料通常都是以MnO為主材料，同時(shí)引入CoO、NiO、CuO、FeO等，使其在高溫下形成半反或全反尖晶石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料。以下分三種情況討論其導(dǎo)電機(jī)理。1）MnO中引入可變價(jià)的氧化物FO（F:過渡金屬離子），經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成尖晶石結(jié)構(gòu)，其過程可作如下描述。一般認(rèn)為高溫下（>800oC）氧化錳可以以正尖晶石結(jié)構(gòu)的Mn3O4形式存在，其結(jié)構(gòu)式為Mn2+(Mn3+Mn3+)O42-。當(dāng)引入FO氧化物時(shí)，部分F離子占據(jù)B位而形成半反或全反尖晶石結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)式為,或者,或者,或者等。顯然上述結(jié)構(gòu)式滿足電

5、子交換條件，因而可以形成半導(dǎo)體材料。式中B位離子如果取二、三價(jià)的形式，則電導(dǎo)過程為：Mn2++F3+?Mn3++F2+（1）式中B位離子如果取二、四價(jià)的形式，則電導(dǎo)過程為：Mn4++F2+?Mn3++F3+(2)另外由于F2+與Mn3+均是變價(jià)離子，自然還應(yīng)該考慮下述電導(dǎo)過程：F3++F2+?F2++F3+(3)Mn4++Mn3+?Mn3++Mn4+(4)究竟那一種過程占主導(dǎo)地位，取決于電子交換的激活能。但一般來說，對(duì)于B位同時(shí)存在兩種變價(jià)離子的情況，它們之間電子交換的激活能總是小于其它情況的電子交換激活能，因而當(dāng)以此種情況為主。B位離子的電子交換決定了載流子的濃度，因而電導(dǎo)率隨組分

6、變化的最大點(diǎn)往往出現(xiàn)在兩種組分含量相當(dāng)?shù)牟课弧?）MnO中引入非變價(jià)的氧化物FO，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)同樣會(huì)形成反尖晶石結(jié)構(gòu)，即有部分F離子進(jìn)入B位而將B位的三價(jià)Mn3+置換出來，形成下列結(jié)構(gòu)：。此結(jié)構(gòu)中由于B位F2+6離子不變價(jià)，因而不可能發(fā)生電子交換，其電導(dǎo)過程只可能是由于Mn3+變價(jià)引起的。此過程可以理解為晶格中存在固有金屬離子缺位及引入低價(jià)受主雜質(zhì)使其產(chǎn)生空穴電導(dǎo)。電導(dǎo)過程可用（4）式描述。3）含錳的三元系半導(dǎo)體陶瓷導(dǎo)電機(jī)理與二元系的相似，錳的作用是形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的立方尖晶石或連續(xù)的固溶體。目前應(yīng)用較多的有Mn-Co-Ni、Mn-Co-Cu、Mn-Ni-Cu等系列，在這些系列中Co、Ni

7、、Cu等主要以二價(jià)的形式存在，而Mn則以三價(jià)和四價(jià)的形式存在。在晶格中錳離子優(yōu)先占據(jù)B位，下面依次是Ni、Cu、Co，相反鈷離子則主要占據(jù)A位。導(dǎo)電過程主要依靠B位中異價(jià)錳離子之間的價(jià)鍵交換：Mn4++Mn3+?Mn3++Mn4+。顯然，在含錳三元體系中載流子的濃度與異價(jià)錳離子的濃度有關(guān)，即在一定范圍內(nèi)（小于60mol％），材料的電導(dǎo)率隨錳含量的增加而增加。應(yīng)當(dāng)指出，含錳三元系材料中的電導(dǎo)過程相當(dāng)復(fù)雜，相關(guān)因素很多。一方面材料的組分不同會(huì)造成晶格的顯著變化