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热敏效应及应用(二)

日期:2020-08-20浏览:132次

  PTC 热敏陶瓷
 
  1950年荷兰Hayman等人,在BaTiO3材料中掺入微量元素,如Sb,La,Sm,Gd,Ho等,其常温电阻率下降到10-2~104cm。与此同时当温度超过材料的居里温度,在几十度温度范围内,其电阻率增大4~10个数量级,即产生所谓PTC效应。
 
  BaTiO3是一种典型的钙钛矿结构。BaTiO3系半导体陶瓷的制造方法与一般的电子陶瓷材料基本相同。只是对原材料的纯度、掺杂成分的均匀性及工艺过程的控制有较高的要求。持别是BaTiO3半导体陶瓷与金属银电极的接触面电阻可高达103Ω,并有整流特性,故一般采用镀镍电极等,形成良好的欧姆接触。用BaTiO3制成的PTC热敏电阻器,其电阻率-温度(ρ-T)特性如图4.2-26所示;此外还有静态伏安特性;电流-时间特性和耐电压特性等。与热效应有关的参数有耗散系数、热时间常数和热容量。
 
  图4.2-26BaTiO3系PTC热敏陶瓷的电阻率-温度(ρ-T)特性曲线示意图
 
  为了制造性能优良的PTC热敏电阻,首先是使BaTiO3半导化,其途径有两条:①掺入施主杂质,选择化合价高于Ba2+的元素取代Ba2+位,如La3+等,或者选择化合价高于Ti4+的元素取代Ti4+,如Nb5+等,无论那种情况都在禁带中形成施主能级,使BaTiO3成为n型半导体;②材料在还原气氛中烧结,使之产生氧缺位,因之在禁带中产生施主能级,在室温下形成n型电导;另外,在配料中引入适量的Al203、SiO2、TiO2,这种AST玻璃相可以吸附或吸收原料中带入的对半导化有害的杂质,降低材料电阻率。在原料不纯的条件下,还可通过适当缩短zui高烧结温度、保温时间、快速降温与阶段保温相结合等方法,在一定程度上降低材料电阻率。
 
  BaTiO3材料的居里温度为120℃,电阻率-温度特性在居里温度发生突变,由于PbTiO3,铁电材料的居里温度约为500℃,故加入PbO可以提高居里温度,理论上可在120~ 500℃之间调节。同理加入Sr2+、Sn4+、Zr4+等离子,可使居里温度向低温移动。Pb2+、Sr2+等离子都叫居里点移峰剂。
 
  关于BaTiO3半导瓷的PTC效应至今没有一种成熟的理论解释,但是单晶材料没有PTC效应,可见BaTiO3半导瓷的PTC效应是晶界边界效应作用的结果。Heywang(海旺)假设在施主掺杂BaTiO3半导体陶瓷的晶粒边界处存在着二维受主型表面态,这些表面态与晶界内载流子相互作用,从而在晶粒表面产生势垒层,这个表面势全层的能带如图4.2-27所示。在耗尽假设的前提下,由泊松方程推得其势垒高度为
 
  式中,nD是施主浓度;b是耗尽层厚度;ε0是真空介电常数;ns是表面电荷密度。图中Ec是导带底,EF是费米能级。由式可见ψ0与εeff是相关的,但在居里温度以下,εeff高达10000左右,ψ0很低,但在居里温度以上时,由于介电常数按居里-外斯定律下降,所以ψ0就随之升高。另外,在居里温度以下时,由于产生自发极化,表面电荷被极化强度的垂直分量所补偿,使有效ns大幅度下降,使ψ0随之大幅度下降;而在居里温度以上时,自发极化消失,因此有效的ns 增多,ψ0进一步增高,故电阻率急骤上升。
 
图4.2-27半导体陶瓷的晶粒边界处势垒层的能带示意图
 
  海旺模型虽较为成功地解释了PTC效应,但有些实验现象还解释不了。Deniels(丹尼尔斯)等人又提出了晶粒表面钡缺位高阻层模型,但仍有它的局限性。
 
  PTC热敏电阻主要用于温度传感器、温度补偿、过热过电流保护、时间延迟元件、自动消磁、马达启动器和加热器等。
 

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