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熱敏效應及應用(二)

日期:2020-08-20瀏覽:1866次

  PTC 熱敏陶瓷
 
  1950年荷蘭Hayman等人,在BaTiO3材料中摻入微量元素,如Sb,La,Sm,Gd,Ho等,其常溫電阻率下降到10-2~104cm。與此同時當溫度超過材料的居里溫度,在幾十度溫度范圍內,其電阻率增大4~10個數(shù)量級,即產(chǎn)生所謂PTC效應。
 
  BaTiO3是一種典型的鈣鈦礦結構。BaTiO3系半導體陶瓷的制造方法與一般的電子陶瓷材料基本相同。只是對原材料的純度、摻雜成分的均勻性及工藝過程的控制有較高的要求。持別是BaTiO3半導體陶瓷與金屬銀電極的接觸面電阻可高達103Ω,并有整流特性,故一般采用鍍鎳電極等,形成良好的歐姆接觸。用BaTiO3制成的PTC熱敏電阻器,其電阻率-溫度(ρ-T)特性如圖4.2-26所示;此外還有靜態(tài)伏安特性;電流-時間特性和耐電壓特性等。與熱效應有關的參數(shù)有耗散系數(shù)、熱時間常數(shù)和熱容量。
 
  圖4.2-26BaTiO3系PTC熱敏陶瓷的電阻率-溫度(ρ-T)特性曲線示意圖
 
  為了制造性能優(yōu)良的PTC熱敏電阻,首先是使BaTiO3半導化,其途徑有兩條:①摻入施主雜質,選擇化合價高于Ba2+的元素取代Ba2+位,如La3+等,或者選擇化合價高于Ti4+的元素取代Ti4+,如Nb5+等,無論那種情況都在禁帶中形成施主能級,使BaTiO3成為n型半導體;②材料在還原氣氛中燒結,使之產(chǎn)生氧缺位,因之在禁帶中產(chǎn)生施主能級,在室溫下形成n型電導;另外,在配料中引入適量的Al203、SiO2、TiO2,這種AST玻璃相可以吸附或吸收原料中帶入的對半導化有害的雜質,降低材料電阻率。在原料不純的條件下,還可通過適當縮短zui高燒結溫度、保溫時間、快速降溫與階段保溫相結合等方法,在一定程度上降低材料電阻率。
 
  BaTiO3材料的居里溫度為120℃,電阻率-溫度特性在居里溫度發(fā)生突變,由于PbTiO3,鐵電材料的居里溫度約為500℃,故加入PbO可以提高居里溫度,理論上可在120~ 500℃之間調節(jié)。同理加入Sr2+、Sn4+、Zr4+等離子,可使居里溫度向低溫移動。Pb2+、Sr2+等離子都叫居里點移峰劑。
 
  關于BaTiO3半導瓷的PTC效應至今沒有一種成熟的理論解釋,但是單晶材料沒有PTC效應,可見BaTiO3半導瓷的PTC效應是晶界邊界效應作用的結果。Heywang(海旺)假設在施主摻雜BaTiO3半導體陶瓷的晶粒邊界處存在著二維受主型表面態(tài),這些表面態(tài)與晶界內載流子相互作用,從而在晶粒表面產(chǎn)生勢壘層,這個表面勢全層的能帶如圖4.2-27所示。在耗盡假設的前提下,由泊松方程推得其勢壘高度為
 
  式中,nD是施主濃度;b是耗盡層厚度;ε0是真空介電常數(shù);ns是表面電荷密度。圖中Ec是導帶底,EF是費米能級。由式可見ψ0與εeff是相關的,但在居里溫度以下,εeff高達10000左右,ψ0很低,但在居里溫度以上時,由于介電常數(shù)按居里-外斯定律下降,所以ψ0就隨之升高。另外,在居里溫度以下時,由于產(chǎn)生自發(fā)極化,表面電荷被極化強度的垂直分量所補償,使有效ns大幅度下降,使ψ0隨之大幅度下降;而在居里溫度以上時,自發(fā)極化消失,因此有效的ns 增多,ψ0進一步增高,故電阻率急驟上升。
 
圖4.2-27半導體陶瓷的晶粒邊界處勢壘層的能帶示意圖
 
  海旺模型雖較為成功地解釋了PTC效應,但有些實驗現(xiàn)象還解釋不了。Deniels(丹尼爾斯)等人又提出了晶粒表面鋇缺位高阻層模型,但仍有它的局限性。
 
  PTC熱敏電阻主要用于溫度傳感器、溫度補償、過熱過電流保護、時間延遲元件、自動消磁、馬達啟動器和加熱器等。
 

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