氧化鋅俗稱鋅白，是一種重要的陶瓷半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的非線性系數(shù)、壓敏電壓范圍寬(零點(diǎn)幾伏到幾十千伏)、電壓溫度系數(shù)小、時(shí)間響應(yīng)快、漏電流小等特點(diǎn)。不溶于水，能溶于酸和堿，是一種兩性氧化物。純氧化鋅是煅燒鋅礦石或在空氣中燃燒鋅條而得。氧化鋅結(jié)晶是六角晶系，晶格常數(shù)α＝3.25×10-10m，c＝5.20×10-10m。室溫下滿足化學(xué)計(jì)量比關(guān)系的氧化鋅晶體或多晶體中導(dǎo)電載流子極少，具有絕緣體的性能。在空氣中經(jīng)高溫處理后，將會(huì)因氧的過(guò)?；虿蛔愣蔀槠x化學(xué)計(jì)量比關(guān)系的不完整晶體，即含有氧缺位或氧填隙鋅的非化學(xué)計(jì)量比結(jié)晶，使自由電子或空穴大大增多，氧化鋅由白色絕緣體變成青黑色半導(dǎo)體。當(dāng)在氧化鋅中加入適量的其他氧化物或鹽類,如Bi2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO、Cr2O3、Al2O3或Al(NO3)2等作為添加劑，按一般的陶瓷工藝成型燒結(jié)，可以制得氧化鋅半導(dǎo)瓷。這種半導(dǎo)瓷由半導(dǎo)電的氧化鋅晶粒及添加劑成分構(gòu)成的晶粒間層所組成，其理想結(jié)構(gòu)模型如圖1。由于每一個(gè)氧化鋅晶粒和晶粒間層之間都能形成一個(gè)接觸區(qū)，具有一般半導(dǎo)體接觸的單向?qū)щ娦?，所以兩個(gè)晶粒間存在兩個(gè)相反位置的整流結(jié)，一塊氧化鋅半導(dǎo)瓷片是大量相反放置的整流結(jié)組的堆積。當(dāng)外加電壓于這種材料時(shí)，低電壓下，由于反偏整流結(jié)的阻擋作用，材料呈高阻狀態(tài)，具有絕緣性能。當(dāng)電壓高達(dá)一定值時(shí)，整流結(jié)發(fā)生擊穿，材料電阻率迅速下降，成為導(dǎo)電材料，可以通過(guò)相當(dāng)大密度的電流。氧化鋅半導(dǎo)瓷的非線性電壓電流關(guān)系如圖2。利用這種對(duì)稱的非線性伏安特性可以制成各種電壓限幅器、能量吸收裝置等，如電力系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)裝置，特別是由于這類材料低電壓下的電阻率高，因而在長(zhǎng)期工作電壓下漏電流小、發(fā)熱小，可以做成不帶火花間隙的高壓避雷器；而高電壓下電阻低、殘壓小，能把過(guò)電壓限制在更低的水平上，使電網(wǎng)和電工設(shè)備的絕緣水平有可能降低，特別是在超高壓電力應(yīng)用領(lǐng)域。
半導(dǎo)體陶瓷是一種導(dǎo)電陶瓷。其導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是鈦酸鋇系和鈦酸鋯系半導(dǎo)體瓷，以及氧化鋅半導(dǎo)體瓷等半導(dǎo)陶瓷的總稱，簡(jiǎn)稱PTC。PTC是 “正溫度系數(shù)” 英文個(gè)字母的組合。PTC發(fā)熱元件的一個(gè)顯著特征就是它有一個(gè)人為設(shè)計(jì)的相變溫度。在這個(gè)溫度區(qū)以下，PTC元件通電后電阻隨溫度的升高而降低，且電阻上升速度非常快。當(dāng)溫度高于相變溫度之后，電阻隨著溫度的升高而急劇增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)電阻增加的速度即曲線的斜率，PTC可分為平緩型和開關(guān)型; 平緩型上升得慢，開關(guān)型上升得快。PTC取暖器大多用開關(guān)型特性，也就是說(shuō)，超過(guò)相變溫度后電阻急劇增加，電流減小即發(fā)熱功率減小，最后發(fā)熱量維持在一個(gè)水平上。如果在通電的同時(shí)給PTC以及它所附帶的散熱片送風(fēng)，則PTC溫度下降，電阻下降，電流上升，發(fā)熱功率增大;如果把送風(fēng)量調(diào)節(jié)在一個(gè)狀態(tài)使PTC處于電阻最小值即電流量時(shí)，則PTC功率發(fā)揮到，冷風(fēng)經(jīng)由與PTC一體的散熱片變成熱風(fēng)。一般暖風(fēng)機(jī)出口溫度可達(dá)80℃，所以室內(nèi)很快變暖。液體蚊香中用的PTC是使液體揮發(fā)的熱源，通電22OV，溫度可自動(dòng)控制在120～130℃左右。
PTC的用途十分廣泛，還可根據(jù)它的特性，開發(fā)出許多二次產(chǎn)品。但是，PTC用作元器件也有它的缺點(diǎn)，就是容易老化，即隨著使用時(shí)間的增加，發(fā)熱功率下降。這是由它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。但是如果質(zhì)量控制得好，老化速率可以限制在較低的水平上。
氧化鋅的化學(xué)性質(zhì)
鋅的氧化物。分子式為ZnO，六角晶系，晶格常數(shù)a=0.324nm，c=0.521nm，禁帶寬度為3.2eV，屬Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體，質(zhì)量密度5.5～5.6g/cm3，電容率εs=8.12，ε∞=3.72，熔點(diǎn)1975℃，1800℃以上開始升華，常溫下本征電阻率很高，對(duì)短波有光敏性。
有兩種方法可使其在常溫附近成為半導(dǎo)體：
①純ZnO經(jīng)高溫?zé)崽幚砜沙蔀楸菊靼雽?dǎo)體，原因是一部分氧原子逃逸，晶格中形成氧缺位或鋅填隙缺陷結(jié)構(gòu)，缺陷能級(jí)為施主能級(jí)。ZnO成為本征N型半導(dǎo)體，其電導(dǎo)率與熱處理溫度、降溫速度有密切關(guān)系。常溫下電子遷移率為0.022m2/(V·s)。
②用Ⅰ、Ⅲ族元素?fù)诫s形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。常用的Ⅰ族元素為鋰，Ⅲ族元素為鋁、銦和鎵等。氧化鋅無(wú)天然產(chǎn)物，由鋅鹽熱分解或在空氣中燃燒金屬鋅可制得白色粉末狀氧化鋅，俗稱鋅白。以粉末氧化鋅為原料，人工生長(zhǎng)單晶或氣相沉積薄膜，利用其壓電效應(yīng)，可用作制造電聲器件的材料，故亦稱為壓電半導(dǎo)體。但其更主要的用途是作為氧化鋅系陶瓷半導(dǎo)體原料，其用法是以氧化鋅粉體為主成份，加入必要的幾種其他氧化物添加劑，添加劑總含量約在5%mol左右，經(jīng)一般電子陶瓷工藝處理后便可制成致密的陶瓷體。視添加劑成份和含量的不同，
氧化鋅陶瓷可有多種不同功能：
1、加入Bi2O3或Pr2O3和非飽和過(guò)渡金屬氧化物Co2O3、MnO2等添加劑的氧化鋅半導(dǎo)體陶瓷具有優(yōu)異的非線性伏安特性，低電壓下具有高電阻，電壓增高至一定值后，瓷體變成可通過(guò)瞬態(tài)電流密度為102～103A/cm2的良導(dǎo)體，其伏安特性一般用I∝Uα表示，非線性指數(shù)α可大于30;稱這種陶瓷為壓敏氧化鋅陶瓷。常用壓敏氧化鋅陶瓷的伏安特性曲線如圖所示。其電壓范圍和電流承受能力可分別通過(guò)改變瓷體厚度和面積來(lái)調(diào)整，與添加劑成份及工藝亦有關(guān)。用壓敏氧化鋅陶瓷制造的壓敏電阻是電氣技術(shù)領(lǐng)域中過(guò)電壓保護(hù)的重要器件。1968年首次制成這種材料與器件，1972年被廣泛應(yīng)用。
2、加入SnO、ZrO2、Ga2O3等制成多孔陶瓷，其氣孔相當(dāng)于開放的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，比表面積很大，可以吸附或凝結(jié)水蒸氣及其他氣體，視添加成份不同，可制成濕敏或?qū)2、CO等敏感的陶瓷敏感器件。
3、用作化學(xué)反應(yīng)的催化劑。氧化鋅陶瓷工藝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、原料豐富，是一種有重要發(fā)展前景的工業(yè)材料。
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