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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上升而下降的材料，称为负温度系数材料，简称NTC材料。NTC热敏电阻器是争论较早的半导体陶瓷元件之一，它具有灵敏度高（比伯电阻高10倍以上），响应速度快，体积小，价格廉价，易于实现远距离测量和掌握的特点，而广泛的应用于测温、控温、补偿、稳压、遥控、流量流速测量以准时间延迟等设备。这类热敏电阻材料绝大局部都是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Arrhenius4呈。

按使用温区大致分为低温热敏材料（4-70K）,常温热敏材料（-60?300C）,高温热敏材料（＞300℃）o

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、错）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，当晶格中存在银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动进展的，即所谓跳动式电导。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构造，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明；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，电导消灭微小值，即发生PN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动模型。

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构造的半导体材料。以下分三种状况争论其导电机理。

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构造，其过程可作如下描述。一般认为高温下〔〉800。(：〕氧化镒可以以正尖晶石构造的Mn3O4形式存在，其构造式为Mn2+(Mn3+Mn3+)02-。当引入F0氧化物时，局部F离子占据B位而形成半反或全反尖晶石构造，相应的构造式为F3Mn3(F3Mn2)02，或者FMn3(F2Mn?)02，或者l-x x 4 1-x x 4

TOC\o1-5\h\zF3(FaMn2)。2,或者f2(F3Mn2)2等。明显上述构造式满足电子交换O4 4

条件，因而可以形成半导体材料。

式中B位离子假设取二、三价的形式，则电导过程为：

Mn2++p+Mn3++即 〔1〕

式中B位离子假设取二、四价的形式，则电导过程为：

Mn4++R+ Mn3++B+ (2)

另外由于F2+与Mn3+均是变价离子，自然还应当考虑下述电导过程：

F3++R+R++F+ (3)

Mn4++Mn3+Mn3++Mn4+ (4)

到底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状况，它们之间电子交换的激活能总是〃于其它状况

的电子交换激活能，因而当以此种状况为主。B位离子的电子交换打算了载流子的浓度，因而电导率随组分变化的最大点往往消灭在两种组分含量相当的部位。

MnO中引入非变价的氧化物F0,经高温烧结同样会形成反尖晶石构造，即有局部F离子进入B位而将B位的三价Mn3+置换出来，形成以下构造：F2Mn3(F2Mn3)02o此构造中由于B位F2+离子不变价，因而不行能发生l-x x 4

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⑷式描述。

3）含镒的三元系半导体陶瓷导电机理与二元系的相像，镒的作用是形成构造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