功能陶瓷部分2011 第3章 敏感电陶

第三章敏感陶瓷敏感陶瓷属半导体陶瓷，是一类新型多晶半导体功能陶瓷。本章介绍敏感陶瓷的分类、敏感陶瓷在半导化过程，重点介绍了热敏、压敏、气敏陶瓷。敏感陶瓷的概述敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多属于半导体陶瓷，是继单晶半导体材料之后，又一类新型多晶半导体电子陶瓷。敏感陶瓷材料是指当作用于这些材料制造的元件上的某一外界条件，如温度、压力、湿度、气氛、电场、光及射线等改变时能引起该材料某种物理性能的变化，从而能从这种元件上准确迅速地获得某种有用的信号。按其相应的特性，可把这些材料分别称为热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。主要内容3.1半导体物理基础3.2敏感陶瓷的结构与性能3.3敏感陶瓷的半导化过程3.4热敏陶瓷3.5压敏陶瓷3.6气敏陶瓷它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体ρ<10-2

Ω·m10-2<ρ<1010

Ω·mρ>1010

Ω·m3.1半导体材料的物理基础电子数量增加时能级扩展成能带价带导带半导体绝缘体

Eg

Eg3.1.1导体、绝缘体、半导体的能带特征

Eg：约3～6eV

Eg：约0.1～3eVEg导体导带价带价带导带空带价带禁带导带价带导带排满电子的允带称为满带；排了电子但未排满的称为导带；完全没有电子的允带称为空带；（有时也称为导带）两个能带之间的禁带是不能排电子的。能带中电子的填充允带(价带)禁带(Eg)允带(导带)绝缘体半导体导体电子在能带中的填充运动

（1）满带中，由于所有量子态完全被电子所占据，无论是热运动还是在外场中的运动，电子向各个方向运动的几率都相同，故不能形成电流。

在通常情况下，满带中的电子是不可能通过吸收外场能量而进入空带的。因为禁带的宽度约为几个电子伏特，而晶体中电子的平均自由程约为10-8m，计算表明，要想在这么短的路程上通过外场加速的方法获得几个电子伏特的能量，外场必须达到108 ，而外场通常没有这样高。（2）导带中的电子通常处于该能带中能量较低的子能级上，在没有外电场时，电子向各个方向运动的几率相同，没有电流。当加上外电场时，每个电子都获得动量增量

P而离开原来占据的低能态进入较高的能态（子能级）上，即进入到本能带中原来未被填满的较高的子能级上，于是在导带中就会出现一个定向的几率流密度，从宏观看就是电流。即导带中的电子是参与导电的，故谓之导带。价电子能带是半满（如钠）或价电子能带是满带，但由于可与上层空带部分重叠而形成部分填充的导带（如镁），导带中的电子在外电场作用下，可在整个晶体范围内形成电子定向流动，这些电子在导体中担负了导电的作用。（1）导体：

Eg（2）绝缘体：禁带很宽[>8.0×10-19J(5eV)]，且电子都集中在满带中，电子很难获得足够的能量越过禁带进入相邻的空带，无法使电子定向流动绝缘体

Eg（3）半导体：

Eg只有满带和空带，但禁带宽度很窄[<4.8×10-19J(3eV)]，如Si和Ge的禁带宽度分别为1.7×10-19J(1.1eV)和9.3×10-20J(0.6eV)。在外电场作用下，部分电子跃入空带，使之变为导带，同时，在满带中由于缺少电子而留下空穴，也形成了能导电的导带。半导体中的导电性是导带中的电子传递和满带中的空穴传递所构成的混合导电性。由于能带是以使满带中的电子被激发逾越禁带而进入导带，温度越高，跃入导带的电子越多，满带中空穴也越多，因此，半导体的导电能力随温度升高而增强，这与导体正好相反。E-----+++++半导体的导电机构（1）电子导电…半导体的载流子是电子（2）空穴导电…半导体的载流子是空穴满带空带Eg=2.42eVh

*除了电荷符号外，空穴和电子有完全相同的性质。*电子和空穴总是成对出现的3.1.2本征半导体本征半导体是指纯净的半导体，或者说，导带中的电子是来源于满价带中热激发的半导体。

在本征半导体中，电子和空穴都有同时参与导电。这些电子和空穴称之为本征载流子3.1.3.杂质半导体

在本征半导体中，以扩散的方式掺入微量其它元素的原子，这样的半导体称为杂质半导体。例如，在半导体锗（Ge）中掺入百万分之一的砷（As），它的导电率将提高数万倍。杂质半导体，由于所掺杂质的类型不同，又可分为P型半导体和N型半导体。本征半导体

+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图3.3.1单晶体中的共价键结构当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图3.3.3本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。本征半导体

本征半导体

1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni

=pi

。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。n型半导体四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体．+4+4+4+4+4+4+4+4+4n型半导体

+5自由电子施主杂质●施主能级的形成当五价元素（例如砷）掺入硅后，这些杂质原子将分散地取代一些硅或锗，砷中的五个价电子中的四个与邻近的硅或锗原子形成共价键而多余一个价电子。富余的那个价电子有可能进入导带，参加导电。向本征半导体提供电子作为载流子的杂质元素称为施主。掺入了施主杂质的非本征半导体以负电荷（电子）作为载流子，所以称为n（negative，表示负电荷的意思）型半导体。n型半导体

由于此时导带中的电子，主要是由杂质中的多余电子形成的局部能级受激跃迁所得，所以该局部属能级称为施主能级．

量子力学的计算表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空（导）带处,

ED～10-2eV，称之为局部能级。局部能级与导带底部的能级差ED大约为0.05eV，其比禁带宽度Eg（如硅的Eg为1.14eV)要小很多。在温度不太高的情况下，由于热运动电子就可被激发到导带上去。此时的杂质即称为施主杂质。

这个富余价电子并没有被施主原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量

ED就可以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入导带后，不会在价带中产生空穴。随着温度的升高，越来越多的施主电子越过禁带

ED进入导带，最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施主耗尽。如果温度继续升高，电导率将维持一个常量。在更高的温度下，才会出现本征半导体产生的导电性。

n型半导体在n型半导体中:

电子……多数载流子空带满带施主能级EDEg空穴……少数载流子SiSiSiSiSiSiSiP+●两点说明：第一，施主杂质中多余的价电子，当其处于施主能级上时是不参与导电的。只是在其受激（不论何种原因）后迁入导带后才能参与导电。第二，在N型半导体中，除了跃入导带中的施主杂质中的多余价电子外，还有基体半导体中的电子——空穴对，即还有本征载流子。但这时导带中的电子主要是来自施主杂质中的价电子。ｐ型半导体四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂质元素〔如Ｂ、Ga（镓）、Ｉn（铟）等〕形成空穴型半导体，称p型半导体．+4+4+4+4+4+4+4+4+4P型半导体

+3受主杂质●受主能级的形成

在四价的本征半导体硅或锗中掺入少量的三价元素（如硼），则硼原子分散地取代一些硅或锗形成共价键，还少一个电子。必须从别处的硅原子中夺一个价电子，于是在硅的共价键中产生了一个空穴，而硼原子接受了一个电子后成为带负电的B－，称为负电中心。这种杂质能够在晶体中接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，称为受主杂质。掺入了受主杂质的非本征半导体以正电荷（空穴）作为载流子，所以称为p（positive，表示正电荷的意思）型半导体。P型半导体

空带ED满带受主能级

P型半导体Eg在p型半导体中空穴……多数载流子电子……少数载流子SiSiSiSiSiSiSi+B-量子力学计算表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，

ED～10-2eV，称之为局部能级。其能带宽度比起满带到导带的禁带宽度E要小得多，因此满价带中的电子很容易受激而跃入到局部能级。由于该局部能级是收容从满价带中跃迁来的电子，该能级称受主能级．此时的杂质即称为受主杂质受主能级中的空穴并不参与导电，参与导电的是：满价能带中电子跃迁到受主能级后遗留下的空穴。同样，在P型半电体中也有两种载流子，但主要是空穴载流子●两点说明：n型化合物半导体例如，化合物GaAs中掺Te

（碲），六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体．ｐ型化合物半导体例如，化合物GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体．施主受主同时存在半导体的导电类型决定于浓度大的那种杂质杂质补偿作用：由于受主能级比施主能级低得多，施主上的电子首先要去填充受主能级，从而减弱了施主向导带提供电子的能力和受主向价带提供空穴的能力，这种杂质相互抵消而使半导体的导电能力减弱的现象，称为杂质的补偿。EaEd深能级深能级:施主能级距导带底较远，受主能级距价带顶较远。（如金、铜、锌、镍）一般深能级杂质的含量少、能级较深，室温下一般不能离化，因此除起一定的补偿作用，并不能像浅能级杂质那样对载流子的浓度核导电类型有决定性的作用，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，故也被称为“复合中心”EaEdEd浅能级Ｐ-Ｎ结如果把P型半导体和N型半导体相接触，那么在接触的边界区就会形成一种特殊电结构——P-N结。由于P型半导体中空穴载流子的浓度远大于电子载流子，而N型半导体中电子载流子的浓度远大于空穴载流子，因此当它们相接触时，在接触边界两边的载流子的浓度差就特别大Ｎ区的电子向Ｐ区扩散，Ｐ区的空穴向Ｎ区扩散。在扩散前，N，P型半导体都是电中性。因此扩散的结果，在P型半导体和Ｎ型半导体的交界面附近的两侧就出现了正，负电荷的堆积，即在交界处形成了一个电偶层，其厚度约为10-7m（即大约1000个原子的厚度），这就是P－N结。内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的动态平衡。P-N结n型p型内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作．空间电荷区中的电荷产生了一个N指向P的内建电场，又称阻挡层。－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－电离受主＋电离施主p－n结形成p-n结附近的电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷.pn结形成前后的能带图－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－ECEV(EF)p(EF)nEF－－－＋＋＋－－－－－－＋＋＋＋＋pnpn图5.4.7p-n结的伏安特性Ｐ-Ｎ结的单向导电性Ｐ-Ｎ结的单向导电性１.正向偏压在Ｐ-Ｎ结的p型区接电源正极，叫正向偏压。阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向P区运动,形成正向电流。p型n型I２.反向偏压在Ｐ-Ｎ结的ｐ型区接电源负极,叫反向偏压。阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向Ｎ区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流。p型n型I§3.1.2半导体材料分类及其敏感特性元素半导体化合物半导体有机半导体：分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳－碳双键有机化合物。按化学成分半导体材料分类周期表中元素半导体周期ⅡBⅢAⅣAⅤAⅥA2硼B碳C3铝Al硅Si磷P硫S4锌Zn镓Ga锗Ge砷As硒Se5镉Cd铟In锡Sn锑Sb碲Te6铊Tl铅Pb铋Bi化合物半导体二元化合物半导体IIIA-VA族半导体——GaAs,InP,InAs,AlP等IIB-VIA族半导体——CdS,CdTe等IVA之间族半导体——SiC等IVA-VIA族半导体——GeS,GeSe,SnTe等VA-VIA族半导体——AsSe3，AsSe3等多元化合物半导体IB-IIIA-VIA——AgGeTe2等IB-VA-VIA——AgAsSe2等(IB)2-IIB-IVA-(VIA)4——Cu2CdSnTe4等半导体的敏感特性热敏效应光敏效应压敏效应电压敏感效应压力敏感效应磁敏效应霍尔效应磁阻效应①热敏效应半导体的导电，主要决定于电子和空穴温度增加，使电子动能增大，造成晶体中自由电子和空穴增加，使电导率升高热敏性的半导体（BaTiO3）制成各种热敏温度计、电路温度补偿器，无触点开关②光敏效应光的照射使某些半导体材料的电阻明显下降，这种光的照射使电阻率下降的现象称为光电导。光电导是由于具有一定能量的光子照射导半导体时把能量传给它，在这种外来能量的激发下，半导体材料产生大量的自由电子和空穴，促使电阻率急剧下降“光子”的能量必须大于半导体禁带宽度才能产生光电导价带导带h

-E----+++++③压敏效应电压敏感效应－ZnO电压电流不成线性关系，即电阻随电压而变压敏电阻可用于过电压吸收、高压稳压、避雷器压力敏感效应纳米发电机

在纳米尺度下将机械能转换成电能——王中林、宋金会，Science这一纳米发电机竟然能达到17％－30％的发电效率，为自发电的纳米器件奠定了物理基础。ZnO压敏半导体——霍尔效应磁阻效应④磁敏效应1）霍尔效应在一块长方形的半导体样品中，沿x方向通以电流(Jx)，同时在z方向加上磁场(Bz)，则在y方向的两边就会产生一个电位差(Ey)，这种效应即是霍尔效应，且有关系式Ey＝RH

Jx

Bz

。JxBzEy＋＋＋－－－xyz霍尔系数对于N型半导体JxBzEy＋＋＋－－－xyz－2）半导体的磁阻效应磁阻效应：在垂直于电流方向上施加磁场，沿外加电场方向的电流密度有所降低，即表观电阻增大，称此效应为磁阻效应物理磁阻效应:材料的电阻率随磁场而变化几何效应：元件的电阻随磁场而变化3.2敏感陶瓷的结构与性能敏感陶瓷：由一种或多种金属氧化物采用陶瓷的制备工艺制成的多晶半导体材料。电阻率：10－4～107Ω·cm，介于导电陶瓷和绝缘介质陶瓷之间半导体陶瓷的应用特性虽然与晶粒本身性质有关，但更主要是利用晶界及陶瓷表面的特性，这是单晶体所不具备的主要利用晶体本身性质的：NTC热敏电阻、高温热敏电阻、氧气传感器主要利用晶界性质的：PTC热敏电阻、ZnO系压敏电阻主要利用表面性质的：各种气体传感器、湿度传感器半导体陶瓷介于导电陶瓷和绝缘介质陶瓷之间电阻率：10－4～107Ω·cm半导体陶瓷：由一种或多种金属氧化物采用陶瓷的制备工艺制成的多晶半导体材料特点：成分——偏移化学计量比结构——离子键多晶——晶界是其重要特征3.3敏感陶瓷的半导化过程敏感陶瓷绝大部分是各种氧化物组成，多数禁带较宽所谓半导化，是指在禁带中形成附加能级：施主或受主能级。形成附加能级的途径：不含杂质的氧化物主要通过化学计量比偏离来形成含杂质的氧化物与杂质缺陷有关3.3.1化学计量比偏离烧结气氛：氧过剩：MO→MO1＋x氧不足：MO→MO1-x移走一个金属离子3.3.2掺杂n型半导体掺杂高价杂质离子，形成施主能级p型半导体掺杂低价杂质离子，形成受主能级施主浓度或受主浓度与杂质离子的掺入量有关，控制杂质含量可以控制施主或受主的浓度，从而控制半导体陶瓷的电性能n型半导体：在四价的本征半导体Si或Ｇｅ中，掺入少量五价的杂质元素（如P、As等），形成电子型半导体，称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,

ED～10-2eV，极易形成电子导电。该能级称为施主（donor）能级

n型半导体

在n型半导体中

电子……多数载流子导带价带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSi－P空穴……少数载流子ｐ型半导体四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂质元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半导体，称p型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，

ED～10-2eV，极易产生空穴导电。该能级称受主（acceptor）能级。导带Ea价带受主能级

P型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半导体中空穴……多数载流子电子……少数载流子3.4热敏陶瓷thermistorceramics热敏陶瓷是指对温度变化敏感的陶瓷材料。热敏陶瓷热敏电容热敏电阻热释电材料正温度系数热敏电阻（BaTiO3半导体瓷）负温度系数热敏电阻（MnCoNi半导体瓷）热敏电阻是一种电阻值随温度变化的电阻元件。CTR临界温度热敏电阻（V2O5半导体瓷）热电材料3.4.1PTC半导体陶瓷PTC热敏半导体陶瓷－正温度系数的半导体陶瓷，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件

一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

典型的PCT陶瓷BaTiO3(Ba，Sr，Pb)TiO3氧化钒、氧化镍为基的多元半导体材料BaTiO3陶瓷晶格为典型的ABO3型钙钛矿结构常温电阻率大于1012Ω·cm，相对介电系数高于104引入微量稀土元素，其常温电阻率可下降到10-2～104

Ω·cmA位：BaB位：TiBaTiO3形成PTC陶瓷的条件：掺杂——施主杂质(0.5mol%)A位取代：与Ba2＋半径相近，化合价高于2价的元素B位取代：与Ti4＋半径相当，化合价高于4价的元素双位取代：加入多种离子，同时取代Ba2＋和Ti4＋气氛氧化气氛烧结或在>900oC氧化气氛热处理还原气氛没有PTC效应热过程降温越慢，PTC效应越强多晶体单晶不具备PCT效应A位：BaB位：TiB、掺杂在氧化物中，掺入少量高价或低价杂质离子，引起氧化物晶体的能带畸变，分别形成施主能级和受主能级。从而形成n型或p型半导体陶瓷。（3）BaTiO3陶瓷的半导化一般采用掺杂施主金属离子。在高纯BaTiO3陶瓷中，用La3+、Ce4+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Sb3+、Bi3+等置换Ba2+。或用Nb5+、Ta5+、W6+等置换Ti4+。掺杂量一般在0.2%~0.3%之间，稍高或稍低均可能导致重新绝缘化。（4）BaTiO3PTC陶瓷的生产工艺以居里点Tc为100℃的PTCBaTiO3陶瓷为例。(1-y)(Ba1-xCaxTi1.01O3).ySrSnO3+0.002La2O3+0.006Sb2O3+0.0004MnO2+0.0025SiO2+0.00167Al2O3+0.001Li2CO3A、原料：一般应采用高纯度的原料，特别要控制受主杂质的含量，把Fe、Mg等杂质含量控制在最低限度。一般控制在0.01mol%以下。B、掺杂：施主掺杂物La2O3、Nb2O5、Y2O3等宜在合成时引入，含量在0.2~0.3mol%这样一个狭窄的范围内。C、瓷料制备及成型：传统的工艺难以解决纯度和均匀性的问题，现已经开始采用液相法。D、烧成：PTC陶瓷必须在空气或氧气氛中烧成。（5）影响PTC热敏陶瓷性能的影响A、组成对居里温度的影响不同的PTC热敏陶瓷对Tc(开关温度)有不同的要求。通过控制BaTiO3的居里点可以解决。改变Tc称“移峰”，通过改变组成，即加入某些化合物可以达到“移峰”的目的，这些加入的化合物称为“移峰剂”。“移峰剂”具有与Ba2+、Ti4+离子大小、价态相似的金属离子，可以取代Ba2+、Ti4+离子，形成连续固溶体。如PbTiO3（高于120℃，Tc=490℃）、SrTiO3（低于120℃，Tc=-150℃）。B、晶粒大小的影响晶粒大小与正温度系数、电压系数及耐压值有密切的关系。一般说来，晶粒越细小，晶界的比重越大，外加电压分配到每个晶粒界面层的电压就越小。因此，晶粒细小可降低电压系数，提高耐压值。BaTiO3热敏陶瓷的PTC特性的高低，与陶瓷的晶粒大小密切相关。研究表明，晶粒在5um左右的细晶陶瓷具有极高的正温度系数。要获得细晶陶瓷，首先要求原料细、纯、匀、来源稳定，其次可通过添加一些晶粒生长抑制剂，达到均匀细小净粒结构的目的。此外，加入玻璃形成剂和控制升温速度也可以抑制晶粒长大。C、化学计算比（Ba/Ti）的影响在TiO2稍微过量时通常会呈现最低体积电阻率；在Ba过量时体积电阻率往往会增高，且使瓷料易于实现细晶化。D、Al2O3对PTC陶瓷的影响

Al3+在BaTiO3基陶瓷中有三种存在位置：①当TiO2高度过量时，Al3+有可能被挤到BaTiO3晶格的Ba2+位置，这时Al3+的作用是施主；②在Al2O3-SiO2-TiO2掺杂的PTC瓷料中，Al3+处于玻璃相中，能够起到吸收受主杂质、纯化主晶相的作用；③在未引入SiO2、且TiO2也不过量的情况下，Al3+将取代BaTiO3晶格中的Ti4+，起受主作用。显然，①、②种情况下对PTC瓷料的半导化起有益作用。③是有害的。PTC半导体陶瓷的应用：温度自控过电流和过热保护彩电消磁液面深度探测低电压PTC元件适用于各类低电压加热器，仪器低温补偿，汽车上和电脑周边设备上的加热器。高电压PTC元件适用于下列电器设备的加热：蒸面机、电发夹、卷发器、暖风机、空调机、电热驱蚊器、热熔胶枪、保温碟、烘鞋机、静脉注射加热、轻便塑胶封口机、加湿器、暖手器、烘干机、按摩洗脚盆、干衣机、美容器、酸奶机、奶瓶恒温器、电开水壶、等加热电器设备上3.4.2NTC半导体陶瓷NTC－负温度系数的半导体陶瓷MnO为主，加入CoO、NiO、CuO、FeO等采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

形成半反或全反尖晶石结构按使用温度分低温：－60～300oC中温：300～600oC高温：高于600oC应用：电路温度补偿，控温，测温传感器电子温度计、电子万年历、电子钟温度显示、电子礼品；冷暖设备、加热恒温电器；汽车电子温度测控电路；温度传感器、温度仪表；医疗电子设备、电子盥洗设备3.4.3CTR半导体陶瓷CTR（CriticalTemperatureResister）负温度系数临界电阻陶:具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数V2O5为基的半导体陶瓷掺杂MgO,CaO,SrO,BaO,P2O5,SiO2,GeO2,NiO,WO3,MoO3火灾报警、温度报警3.5半导体的光敏特性

——Si太阳能电池利用太阳光与材料相互作用直接产生电能原理：光伏效应太阳能电池材料包括：产生光伏效应的半导体材料薄膜衬底材料减反射膜材料电极与导线材料组件封装材料1、太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的200倍。地球轨道上的平均太阳辐射强度，即太阳常数为1367W/m2。2、矿物燃料、风能、水能等都是由太阳能转换而成。3、太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一太阳能电池太阳能电池的结构太阳能电池的原理原理：光伏效应内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的动态平衡。P-N结n型p型空间电荷区中的电荷产生了一个N指向P的内建电场，又称阻挡层。－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－电离受主＋电离施主p－n结形成p-n结附近的电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷.把P型半导体和N型半导体相接触，在接触的边界区就会形成的一种特殊电结构非平衡载流子下的pn结能带非平衡载流子的产生：（1）光辐照（2）电注入平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子非平衡载流子：由于施加外界条件（外加电压、光照），人为地增加载流子的数目，比热平衡载流子数目多的载流子导带导带P-N结施主能级受主能级价带价带VD太阳能电池原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对（非平衡载流子），非平衡载流子在p-n结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，在PN结中形成电势差，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。p型n型＋VD性能指标短路电流ISC

开路电压VOC

填充因子FF=Pm/VocIsc转换效率η：太阳能的最大功率输出Pm与照射到太阳能的总辐射能Pin之比。η=VocIscFF/APin太阳电池面积A太阳能电池的分类

1、硅系太阳能电池

2、多元化合物薄膜太阳能电池

3、有机半导体太阳能电池酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等

4、纳米晶化学太阳能电池：如染料敏化纳米TiO2晶体太阳能电池据所用材料分砷化镓III-V化合物硫化镉铜铟硒或铜镓硒及二者混晶半导体单晶硅太阳能电池多晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池太阳能电池对材料的要求半导体材料的禁带宽度不能太宽要有较高的光电转换效率材料本身对环境不造成污染材料便于工业化生产且材料性能稳定各类太阳能电池的制造方法及研究状况种类材料太阳能单电池效率太阳能电池模块效率主要制备方法优点缺点硅系太阳能电池单晶硅15~24%13~20%表面结构化发射区钝化分区掺杂效率最高技术成熟工艺繁琐，成本高多晶硅10~17%10~15%化学气相沉积法液相外延法溅射沉积法无效率衰退问题成本远低于单晶硅效率低于单晶硅非晶硅8~13%5~10%反应溅射法PECVD法LPCVD法成本较低，应用方便，可与建筑物结合稳定性差，效率低种类材料

单电池效率模块效率主要制备方法优点缺点多元化合物薄膜太阳能电池砷化镓19~32%23~30%MOVPE和LPE技术效率较高成本较单晶硅低易于规模生产原材料镉、砷有剧毒碲化镉10~15%7~10%铜铟硒10~12%8~10%真空蒸镀法和硒化法价格低廉性能良好工艺简单原材料来源比较有限纳米晶化学太阳能电池8~11%~8%溶胶凝胶法水热反应溅射法成本低廉工艺简单性能稳定电池的研究和开发刚刚起步

有机半导体太阳能电池

3~5%

处于研发当中易制作材料广泛成本低寿命短利用太阳能电池发电的优缺点优点：属于可再生能源，不必担心能源枯竭太阳能本身并不会给地球增加热负荷运行过程中低污染、平稳无噪音发电装置需要极少的维护,寿命可达20年所产生的电力既可供家庭单独使用也可并入电网用途广泛缺点：受地域及天气影响较大由于太阳能分散、密度低，发电装置会占去较大的面积光电转化效率低致使发电成本较传统方式偏高光电材料/太阳能电池光谱响应测试系统,IPCE测试系统,量子效率测试系统,I-V特性测试系统,IV测试系统太阳能电池的应用家用电子用品计算器、手表、收音机、汽车、游艇的电源组合发电及并网发电草原、高原等地区用电量不大，用户分散，铺设电网成本高，管理维护困难，使用太阳能有显著的优势西藏、青海、内蒙、新疆、甘肃德国慕尼黑商贸中心我国太阳能电池发展的几个的问题1、近几年来太阳电池产量迅速增长。2、除硅原料外，已形成比较完整的产业链。3、硅原料短缺，90%以上依赖进口。4、关键设备主要依赖进口，价格昂贵。5、我国光伏市场发展缓慢，主要为边远地区的应用，90%以上的市场均依赖国外3.6压敏陶瓷压敏半导体陶瓷是指材料所具有的电阻值，在一定电流范围内具有非线性可变特性的陶瓷。又称非线性电阻器。在某一临界电压下电阻非常高，几乎无电流，当超过临界电压时电阻急剧降低，随着电压的少许增加，电流会迅速增大。ZnO半导体陶瓷Si、Ge单晶SiC、TiO2、BaTiO3、SrTiO3避雷器①过压保护

各种大型整流设备、大型电磁铁、大型电机、通讯电路、民用设备在开关时，会引起很高的过电压，需要进行保护，以延长使用寿命。故在电路中接入压敏电阻可以抑制过电压。

此外，压敏电阻还可作晶体管保护、变压器次级电路的半导体器件的保护以及大气过电压保护等。

②稳定电压

由于氧化锌压敏电阻具有优异的非线性和短的响应时间，且温度系数小、压敏电压的稳定度高，故在稳压方面得以应用。

压敏电阻器可用于彩色电视接收机、卫星地面站彩色监视器及电子计算机末端数字显示装置中稳定显像管阳极高压，以提高图像质量等。3.7气敏陶瓷和湿敏陶瓷3.7.1气敏陶瓷及其原理气敏陶瓷的电阻值将随其所处环境气氛而变，不同类型的气敏陶瓷，将对某一种或某几种气体特别敏感，其阻值将随该种气体的浓度作有规则的变化—“电子鼻”原理：通过待测气体在陶瓷表面附着，产生某种化学反应（如氧化、还原反应）、与表面产生电子的交换（俘获或释放电子）等作用来实现3.7.2主要气敏陶瓷气敏陶瓷一般都是某种类型的金属氧化物，或通过掺杂或非化学计量比的改变而使其半导体化SnO2——氢、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳、城市煤气、天然气等可燃性气体γ-Fe2O3——异丁烷气体、石油液化气α-Fe2O3——可燃性气体ZnO——与V-Mo-Al2O3组合，检测氟里昂气体F-22(CHClF2)F-12(CClF2)WO3——异丁烷气体、石油液化气ZrO2——氧气3.7.3SnO2系气敏元件元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在低浓度范围，这种变化十分明显，因此，对微量低浓度气体检测非常适宜SnO2材料的物理化学稳定性好，耐腐蚀寿命长SnO2气敏元件对气体的检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短元件结构简单，成本低，可靠性高，耐振动和冲击性好气体检测不需复杂设施，待测气体可通过气敏元件电阻值的变化直接转化成信号，且阻值变化大，用简单电路就可实现SnO2系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点：①灵敏度高，出现最高灵敏度的温度较低，约在300℃；②元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在低浓度范围，这种变化十分明显，非常适用于对低浓度气体的检测；③对气体的检测是可逆的，而且吸附、解吸时间短；④气体检测不需复杂设备，待测气体可通过气敏元件电阻值的变化直接转化为信号，且阻值变化大，可用