NTC温敏陶瓷指导书.docVIP

附件1 NTC热敏陶瓷 一． NTC热敏陶瓷的概念与分类 通常将电阻率随温度升高而下降的材料，称为负温度系数材料，简称NTC材料。NTC热敏电阻器是研究较早的半导体陶瓷元件之一，它具有灵敏度高（比铂电阻高10倍以上），响应速度快，体积小，价格便宜，易于实现远距离测量和控制的特点，而广泛的应用于测温、控温、补偿、稳压、遥控、流量流速测量以及时间延迟等设备。这类热敏电阻材料绝大部分都是Mn、Co、Ni、Fe等过渡金属的尖晶石型氧化物陶瓷，其电阻率p与温度一般遵循热激活特征的Arrhenius方程。 按使用温区大致分为低温热敏材料(4~70K), 常温热敏材料(-60~300℃), 高温热敏材料( 300℃)。 二．NTC热敏电子陶瓷的导电机理 对于含微量杂质的单质半导体（如硅、锗）及共价半导体（如GaAs、GaP）导电机制较好的符合能带模型理论。NTC热敏陶瓷材料主要是通过掺入的杂质原子而成为价控半导体，一般遵循小极化子模型。所谓的极化子理论，是指载流子（电子或空穴）在离子晶体中慢速运动时，由于离子带电荷，载流子与晶格离子之间相互作用而产生极化，并使载流子处于半束缚状态。这种极化状态称为极化子。极化子又有大极化子（电子云重叠较多，可认为载流子在能带中运动）和小极化子之分。如NiO是典型的金属缺位型半导体，当晶格中存在镍空位或低价外来杂质，会使Ni2+变成Ni3+离子而产生空穴电导。但导电并不是由于空穴在满带中运动的结果，而是通过在能级间跳跃进行的，即所谓跳跃式电导。其在适当高的温区，载流子的迁移现象可用大极化子理论来解释或用介于大极化子和小极化子中间的新型模型才能合理的解释其跃迁电性能。 CoO类似于NiO属于低迁移率的P型半导体（金属缺位型），在284K以上为NaCl结构，低于此温度时将发生微小的晶格畸变，其导电机理，一般认为在120K以下属于小极化子能带半导体机制，而在此温度以上则变为小极化子的跳跃电导机制，这一点已被塞贝克系数的测量所证实；MnO 同属于金属缺位型p型半导体，但它与NiO不同，高温下随氧分压的变化，电导出现极小值，即发生P(N型转变。通过测量电导和塞贝克系数与温度的函数关系，证明其电导机制符合小极化子跳跃模型。 NTC热敏半导体陶瓷材料通常都是以MnO为主材料，同时引入CoO、NiO、CuO、FeO等，使其在高温下形成半反或全反尖晶石结构的半导体材料。以下分三种情况讨论其导电机理。 1）MnO中引入可变价的氧化物FO（F:过渡金属离子），经高温烧结形成尖晶石结构，其过程可作如下描述。一般认为高温下（800oC）氧化锰可以以正尖晶石结构的Mn3O4形式存在，其结构式为Mn2+(Mn3+Mn3+)O42-。当引入FO氧化物时，部分F离子占据B位而形成半反或全反尖晶石结构，相应的结构式为,或者,或者,或者等。显然上述结构式满足电子交换条件，因而可以形成半导体材料。 式中B位离子如果取二、三价的形式，则电导过程为： Mn2+ + F3+ ( Mn3+ + F2+ （1） 式中B位离子如果取二、四价的形式，则电导过程为： Mn4+ + F2+ ( Mn3+ + F3+ (2) 另外由于F2+与Mn3+均是变价离子，自然还应该考虑下述电导过程： F3+ + F2+ ( F2+ + F3+ (3) Mn4+ + Mn3+ ( Mn3+ + Mn4+ (4) 究竟那一种过程占主导地位，取决于电子交换的激活能。但一般来说，对于B位同时存在两种变价离子的情况，它们之间电子交换的激活能总是小于其它情况的电子交换激活能，因而当以此种情况为主。B位离子的电子交换决定了载流子的浓度，因而电导率随组分变化的最大点往往出现在两种组分含量相当的部位。 2）MnO中引入非变价的氧化物FO，经高温烧结同样会形成反尖晶石结构，即有部分F离子进入B位而将B位的三价Mn3+置换出来，形成下列结构：。此结构中由于B位F2+离子不变价，因而不可能发生电子交换，其电导过程只可能是由于Mn3+变价引起的。此过程可以理解为晶格中存在固有金属离子缺位及引入低价受主杂质使其产生空穴电导。电导过程可用（4）式描述。 3）含锰的三元系半导体陶瓷导电机理与二元系的相似，锰的作用是形成结构稳定的立方尖晶石或连续的固溶体。目前应用较多的有Mn-Co-Ni、Mn-Co-Cu、Mn-Ni-Cu等系列，在这些系列中Co、Ni、Cu等主要以二价的形式存在，而Mn则以三价和四价的形式存在。在晶格中锰离子优先占据B位，下面依次是Ni、Cu、Co，相反钴离子则主要占据A位。导电