熱敏效應及應用（二）

PTC 熱敏陶瓷

　　1950年荷蘭(lan) 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(yu) 此同時當溫度超過材料的居裏溫度，在幾十度溫度範圍內(nei) ，其電阻率增大4~10個(ge) 數量級，即產(chan) 生所謂PTC效應。

　　BaTiO₃是一種典型的鈣鈦礦結構。BaTiO₃係半導體(ti) 陶瓷的製造方法與(yu) 一般的電子陶瓷材料基本相同。隻是對原材料的純度、摻雜成分的均勻性及工藝過程的控製有較高的要求。持別是BaTiO₃半導體(ti) 陶瓷與(yu) 金屬銀電極的接觸麵電阻可高達10³Ω，並有整流特性，故一般采用鍍鎳電極等，形成良好的歐姆接觸。用BaTiO₃製成的PTC熱敏電阻器，其電阻率-溫度(ρ-T)特性如圖4.2-26所示；此外還有靜態伏安特性；電流-時間特性和耐電壓特性等。與(yu) 熱效應有關(guan) 的參數有耗散係數、熱時間常數和熱容量。

　　圖4.2-26BaTiO3係PTC熱敏陶瓷的電阻率-溫度(ρ-T)特性曲線示意圖

　　為(wei) 了製造優(you) 良的PTC熱敏電阻，首先是使BaTiO₃半導化，其途徑有兩(liang) 條：①摻入施主雜質，選擇化合價(jia) 高於(yu) Ba2+的元素取代Ba²⁺位，如La³⁺等，或者選擇化合價(jia) 高於(yu) 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(wei) n型半導體(ti) ；②材料在還原氣氛中燒結，使之產(chan) 生氧缺位，因之在禁帶中產(chan) 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z高燒結溫度、保溫時間、快速降溫與(yu) 階段保溫相結合等方法，在一定程度上降低材料電阻率。

　　BaTiO3材料的居裏溫度為(wei) 120℃，電阻率-溫度特性在居裏溫度發生突變，由於(yu) PbTiO₃，鐵電材料的居裏溫度約為(wei) 500℃，故加入PbO可以提高居裏溫度，理論上可在120~ 500℃之間調節。同理加入Sr²⁺、Sn⁴⁺、Zr⁴⁺等離子，可使居裏溫度向低溫移動。Pb²⁺、Sr²⁺等離子都叫居裏點移峰劑。

　　關(guan) 於(yu) 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(ti) 陶瓷的晶粒邊界處存在著二維受主型表麵態，這些表麵態與(yu) 晶界內(nei) 載流子相互作用，從(cong) 而在晶粒表麵產(chan) 生勢壘層，這個(ge) 表麵勢全層的能帶如圖4.2-27所示。在耗盡假設的前提下，由泊鬆方程推得其勢壘高度為(wei)

　　式中，n_D是施主濃度；b是耗盡層厚度；ε₀是真空介電常數；ns是表麵電荷密度。圖中Ec是導帶底，EF是費米能級。由式可見ψ₀與(yu) ε_eff是相關(guan) 的，但在居裏溫度以下，ε_eff高達10000左右，ψ₀很低，但在居裏溫度以上時，由於(yu) 介電常數按居裏-外斯定律下降，所以ψ₀就隨之升高。另外，在居裏溫度以下時，由於(yu) 產(chan) 生自發極化，表麵電荷被極化強度的垂直分量所補償(chang) ，使有效ns大幅度下降，使ψ₀隨之大幅度下降；而在居裏溫度以上時，自發極化消失，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(ti) 陶瓷的晶粒邊界處勢壘層的能帶示意圖

　　海旺模型雖較為(wei) 成功地解釋了PTC效應，但有些實驗現象還解釋不了。Deniels(丹尼爾斯)等人又提出了晶粒表麵鋇缺位高阻層模型，但仍有它的局限性。

　　PTC熱敏電阻主要用於(yu) 溫度傳(chuan) 感器、溫度補償(chang) 、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。