第六章半导体陶瓷(精)
半导体陶瓷的微观结构与力学性能研究
半导体陶瓷的微观结构与力学性能研究引言半导体陶瓷是一种特殊的材料，具有广泛的应用前景。
本文将重点探讨半导体陶瓷的微观结构及其对其力学性能的影响。
半导体陶瓷的微观结构包括晶粒尺寸、晶界、缺陷等，这些结构对材料的力学性能如强度、韧性、刚性等起着重要的作用。
深入研究半导体陶瓷的微观结构与力学性能之间的关系，对于提高材料的性能、设计可靠的器件以及扩展材料的应用范围具有重要意义。
一、半导体陶瓷的微观结构1. 晶粒尺寸半导体陶瓷的晶粒尺寸是其微观结构的关键因素之一。
通常情况下，晶粒尺寸的研究可以通过扫描电子显微镜（SEM）等技术进行观察和测量。
研究发现，晶粒尺寸的变化会对半导体陶瓷的力学性能产生重要影响。
较小的晶粒尺寸能够提高材料的强度和硬度，因为晶界和缺陷的数量相对较多，导致晶粒的滑移受到阻碍，从而增强了材料的抗变形能力。
然而，当晶粒尺寸过小时，可能会降低材料的韧性和断裂韧度。
2. 晶界晶界是指相邻两个晶粒之间的界面。
半导体陶瓷的晶界可以分为晶界间隙和晶界面，其中晶界间隙是指晶界两侧的缺陷区域，而晶界面则是晶格的连续性变化区域。
晶界的存在会对材料的力学性能产生显著影响。
晶界可以作为杂质和缺陷的集中位置，从而影响材料的强度、韧性和断裂韧度。
此外，晶界还可以改变材料的电子结构，对半导体陶瓷的电学性能产生影响。
因此，研究晶界对半导体陶瓷力学性能的影响，是深入了解材料性能的关键。
3. 缺陷半导体陶瓷中的缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
点缺陷是原子位置不规则或空位的存在，线缺陷是沿着一定方向排列的韧性缺陷，面缺陷是存在于晶界或晶体内部的缺陷。
这些缺陷对半导体陶瓷的力学性能有直接影响。
例如，点缺陷的存在可能会导致电导率的变化，从而影响材料的导电性质。
另外，缺陷还可能成为材料断裂的起始点，进而影响其韧性和断裂韧度。
因此，更深入地研究和理解不同类型缺陷对半导体陶瓷性能的影响，对于指导材料设计和改进具有重要意义。
二、半导体陶瓷的力学性能1. 强度半导体陶瓷的强度是材料的最大承载能力。
半导体陶瓷
C 次高氧分压区：
P A'
n Ki A'
[VM ]
Kp
PO2
1/ 2
[ A] 2
Vo
KsA' Po2 1 / 2 Kp
实验结果如下：
(IV)
(III)
(II)
(I)
log
VO
Ki Ks
L'M
e'
h
" VM
L'M
h
V
e'
" M
x A2 O 2 AM VO OO A2 O 2MO 2 AM M i M M 3OO
x x
A2 O 1/ 2O 2 2 A' M 2h 2Oo x
通常[M]/[A]>>1，而且A 离子半径较大时，A´i形成的 可能性较小而忽略！ 以Schottky 缺陷为主。
V
log PO2
O
掺一价阳离子
(3) 施主掺杂 以Y2O3掺杂为例：
Y2O3 2TiO2 2YBa 2e 2Ti Ti 6OO 1 2 O2
A 低氧分压区：
式(8)
2[Vo ] n
Oo x 1/ 2O 2 Vo 2e'
PO2 VO n Kn
2 i
1/ 2O2 Oo V "M 2h
总点阵位数增加
此类缺陷以金属元素氧化价态的增加为条件，视 其三价离子的稳定性而决定形成此类非化学计量比状 态的程度。例如： NiO > CoO > MnO > FeO
当M/O > 1时，为还原型，形成n半导体。 其缺陷的化学式（两种可能）：
半导体陶瓷的热电性能与热电器件应用
半导体陶瓷的热电性能与热电器件应用半导体陶瓷是一类具有半导体特性和陶瓷结构的材料，具有优良的热电性能。
热电性能是指材料在温度差下产生的热电势和电流之间的关系，也称为热电效应。
热电器件是利用热电效应将热能转化为电能或将电能转化为热能的设备。
本文将介绍半导体陶瓷的热电性能以及其在热电器件中的应用。
半导体陶瓷具有良好的热电性能是由于其特殊的电子结构和晶体结构。
在半导体陶瓷中，电子能带结构使得材料中的电子具有特殊的能量分布。
通过加热或施加温度梯度，材料内部会产生电子迁移和扩散，从而产生热电势差和电流。
半导体陶瓷的导电性和隔热性使得其在温度梯度下产生的热电势差较大，因此具有较高的热电转换效率。
半导体陶瓷的热电性能可以通过材料的热电参数来描述。
热电参数是指材料在特定温度下的热电势差和电导率。
热电势差是指单位温度差下的电势差，通常用热电势系数（也称为Seebeck系数）来表示。
电导率是指材料中的电流密度和电场强度之间的关系，它决定了材料对电流的导电能力。
热电参数的大小往往决定了半导体陶瓷的热电转换效率。
目前，人们通过合适的掺杂和制备工艺来改善材料的热电参数，以提高热电器件的效率。
半导体陶瓷的热电器件广泛应用于能量转换和热管理领域。
在能量转换方面，半导体陶瓷可以将废热转化为电能。
废热是指在工业生产、汽车运作和电子设备使用过程中产生的热能，如果不进行有效的回收利用，将会造成能源的浪费和环境的污染。
通过将半导体陶瓷制成热电器件，可以将废热中的热能转化为电能，从而提高能源利用效率。
热电汽车座椅、热电功率发生器和热电太阳能装置等都是典型的利用半导体陶瓷热电器件进行能量转换的应用。
在热管理领域，半导体陶瓷的热电器件可以实现热能的调控和传输。
随着电子器件的迅速发展，电子器件的紧凑化和集成化导致高功率器件的热问题日益突出。
半导体陶瓷热电器件可以通过调控温度梯度实现对热的引导和散热，从而实现对电子器件的热管理。
热电散热片、热通道结构和热电冷却模块都是利用半导体陶瓷热电器件进行热管理的典型应用。
半导体陶瓷的超导性能研究与应用
半导体陶瓷的超导性能研究与应用引言：半导体陶瓷是一种在高温超导领域备受关注的材料。
其具备高温超导的特性，能够在相对较高的温度下实现无损电流传输，具有广泛的应用前景。
本文将重点介绍半导体陶瓷的超导性能研究和应用领域，并分析其未来发展趋势。
一、超导性能研究1. 半导体陶瓷的超导机制半导体陶瓷的超导性能是由材料内部的电子对的库珀配对机制决定的。
在低温下，电子通过晶格的振动互相吸引而形成库珀对，实现了电流的无阻抗传输。
因此，研究半导体陶瓷材料的晶格结构以及电子对的行为对于理解超导机制至关重要。
2. 半导体陶瓷的超导转变温度与结构半导体陶瓷的超导转变温度是评价材料超导性能的重要指标。
超导转变温度取决于材料的结构和成分。
通过调控材料的结构和合适的掺杂等手段，可以提高半导体陶瓷的超导转变温度，从而提高其应用性能。
3. 超导性能的测试和评价为了准确评价半导体陶瓷的超导性能，需要进行一系列的测试和评价。
如临界温度的测量、电流传输能力的测试、磁敏感性的分析等。
这些测试结果可以为材料的应用提供指导，也有助于指导后续的材料设计和制备工作。
二、超导性能的应用领域1. 能源传输与储存半导体陶瓷的超导性能使其成为能源传输和储存领域的理想材料。
超导材料可以实现零电阻的能源传输，降低传输损耗，提高能源转换效率。
此外，超导材料还可以用于超导磁体，用于储存和释放大量电能。
2. 电子器件与电子通信半导体陶瓷的超导性能对于电子器件和电子通信领域具有重要意义。
超导电子器件可以实现高速、低功耗的计算和数据传输。
超导通信技术可以提高数据传输速度和容量，广泛应用于数据中心、通信基站等领域。
3. 医疗领域超导磁体在医疗领域有着广泛应用。
利用超导磁体可以实现高分辨率的核磁共振成像（MRI）技术，用于医学诊断和疾病监测。
同时，超导磁体还可以用于加速粒子在治疗癌症方面的应用。
4. 环境领域半导体陶瓷的超导性能在环境领域中也有着重要的应用。
超导材料可以用于高效的能源回收和利用，减少对环境的负面影响。
第6章功能陶瓷1103
分比例。
A、B的差值越大，离子键越强，或者说离子键成分比例越 大。反之，A、B的差值越小，则共价键成分比例越大。当 A=B时，成为完全的共价键。
二、鲍林规则
电子陶瓷的绝大部分为以离子键为主的晶体材料，结构 主要取决于正负离子如何结合在一起，同时又能具有最大的 静电引力和最小的静电斥力。所谓“鲍林规则”，它主要针 对离子晶体，对于共价键结合并同时具有部分离子键性质的 晶体也有参考价值。但对于完全为共价键结合的晶体，是不 适用的。
晶体结构缺陷有好几种类型，根据几何形状分： 点缺陷（尺寸处于1~2个原子大小）、线缺陷（位错）和面缺
陷（晶界和界面）。 1. 功能陶瓷晶体中的点缺陷 2. 根据对理想晶格偏离的几何位置及成分划分： (1) 填隙原子：进入晶格中正常结点间的间隙位置。 (2) 空位：正常结点没有被原子或离子占据，成为空结点。 (3) 杂质原子：外来原子进入晶格成为晶体中的杂质。
电场在大于正负饱和值 之间循环一周的过程中，电 极化强度与电场强度沿封闭 曲线CBDFGHC变化，这一 曲线称为电滞回线。电滞回 线是铁电畴在外电场作用下 运动的宏观描述，是铁电体 的标志。
（1）温度对电滞回线的影响
矫顽场和饱和场强随温度升高而降低。 环境温度对材料的晶体结构有影响，因而其内部自发 极化发生改变，尤其是在相界处变化最为显著。例如， BaTiO3在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一直线（铁 电性消失）。
位置不发生变化、瞬间就能完成、去掉电场后又能恢复原状 态的极化形式。 1）电子位移极化
加上外电场后，离子中的电子相对于原子核逆电场方向 移动一小距离，带正电的原子核将沿电场方向移动一更小的 距离，造成正负电荷中心分离，形成感应偶极矩，当外电场 取消后又恢复原状。 2）离子位移极化
半导体精密陶瓷材料-概述说明以及解释
半导体精密陶瓷材料-概述说明以及解释1.引言1.1 概述半导体精密陶瓷材料是一种关键的材料，具有优异的电性能、热性能和化学稳定性。
随着半导体行业的发展，对于高性能、高可靠性的材料需求越来越迫切，半导体精密陶瓷材料因其独特的性能被广泛应用于半导体制造领域。
本文将介绍半导体材料的特点及精密陶瓷的应用领域，重点讨论半导体精密陶瓷材料的制备方法。
最后，文章将总结半导体精密陶瓷材料在半导体行业中的重要性，展望其未来发展方向。
通过本文的阐述，读者将能够深入了解半导体精密陶瓷材料的现状和未来发展趋势。
1.2 文章结构:本文将首先介绍半导体材料的特点，包括其在电子行业中的重要性和特殊性。
接着将探讨精密陶瓷在各个应用领域中的作用，重点分析其在半导体行业中的应用。
最后，将详细介绍半导体精密陶瓷材料的制备方法，包括制备工艺和技术要点。
通过本文的阐述，读者将能够更深入地了解半导体精密陶瓷材料在电子行业中的重要性和广泛应用，同时也能够了解其制备方法和未来发展方向，为相关领域的研究和应用提供参考和借鉴。
1.3 目的本文的主要目的是介绍和探讨半导体精密陶瓷材料的重要性和应用领域。
通过对半导体材料特点、精密陶瓷的应用领域和制备方法等方面的深入探讨，旨在帮助读者深入了解这一领域的知识和技术。
同时，也旨在强调半导体精密陶瓷材料在现代科技领域的重要作用，以及展望未来该领域的发展方向，为相关研究和应用提供参考和启示。
通过本文的阐述和总结，希望能够激发读者对半导体精密陶瓷材料的兴趣，促进该领域的进一步研究和应用。
2.正文2.1 半导体材料的特点半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
其特点主要包括以下几个方面：1. 高阻值：半导体材料的电阻值比金属导体高，但比绝缘体低，具有一定的导电性能。
2. 负温度系数：半导体材料在特定温度范围内，随温度的升高，电阻值会减小，且升温对其导电性具有促进作用。
3. 非线性电阻特性：半导体材料在一定范围内，电阻值不随电压的变化而线性变化，呈现出非线性电阻特性。
半导体陶瓷
半导体陶瓷半导体陶瓷专题报告一．半导体陶瓷简介半导体陶瓷概念：具有半导体特性、电导率约在10-6～10-5S/m的陶瓷。
半导体陶瓷的电导率因外界条件（温度、光照、电场、气氛和温度等）的变化而发生显著的变化，因此可以将外界环境的物理量变化转变为电信号，制成各种用途的敏感元件。
半导体陶瓷生产工艺的共同特点是必须经过半导化过程。
半导化过程可通过掺杂不等价离子取代部分主晶相离子(例如，BaTiO 3中的Ba2+被La3+取代)，使晶格产生缺陷，形成施主或受主能级，以得到n型或p型的半导体陶瓷。
另一种方法是控制烧成气氛、烧结温度和冷却过程。
例如氧化气氛可以造成氧过剩，还原气氛可以造成氧不足，这样可使化合物的组成偏离化学计量而达到半导化。
半导体陶瓷敏感材料的生产工艺简单，成本低廉，体积小，用途广泛。
半导体陶瓷的分类：按用途分类：1.压敏陶瓷压敏陶瓷系指对电压变化敏感的非线性电阻陶瓷。
目前压敏陶瓷主要有SiC、TiO2、SrTiO3和ZnO四大类，但应用广、性能好的当属氧化锌压敏陶瓷，由于ZnO压敏陶瓷呈现较好的压敏特性，在电力系统、电子线路、家用电器等各种装置中都有广泛的应用，尤其在高性能浪涌吸收、过压保护、超导性能和无间隙避雷器方面的应用最为突出。
它们的电阻率相对于电压是可变的，在某一临界电压下电阻值很高，超过这一临界电压则电阻急剧降低。
自七十年代日本首先使用ZnO无间隙避雷器取代传统的SiC串联间隙避雷器以来，国内外都相继开展了这方面的研究。
但氧化锌压敏陶瓷在高压领域的应用还存在局限性。
如生产高压避雷器，则需要大量的ZnO压敏电阻阀片叠加，不仅加大了产品的外形尺寸，而且高压避雷器要求较低的残压比也极难实现，为此必须研究开发新的高性能高压压敏陶瓷材料。
通过对试样结果的分析,用化学级原料成功地制备出性能优异的SnO2压敏陶瓷，新型SnO2压敏陶瓷显示出优异的非线性电流——电压特性，与目前国内外市场上流行的ZnO压敏材料相比，其性能高于前者。
半导体陶瓷的能带结构分析与电子能级计算
半导体陶瓷的能带结构分析与电子能级计算半导体陶瓷是一类具有特殊电子能带结构和导电性能的陶瓷材料。
在材料科学领域中，对半导体陶瓷的能带结构进行分析和电子能级计算是十分重要的。
本文将介绍半导体陶瓷的能带结构以及相关的电子能级计算方法。
能带结构是描述材料电子结构的重要工具，可以用来预测材料的导电性能以及光电性能。
对于半导体陶瓷来说，其电子能带结构可以用来解释其导电性能和光吸收特性。
在能带结构中，能带是指具有一定宽度的能量区域，在这些能带中，电子的能量是允许的。
常见的能带包括价带和导带。
价带是指在零能隙内除导带外最高的能带，主要由价电子填充。
导带是指在零能隙内除价带外最低的能带，能够容纳可自由移动的电子，从而实现电子的导电性。
半导体材料在室温下通常处于绝缘体状态，这是因为其价带与导带之间存在较大的能隙，电子在这个能隙中难于在线性范围内运动。
在对半导体陶瓷的能带结构进行分析时，一种常用的方法是通过密度泛函理论计算。
密度泛函理论是一种基于电子密度的理论方法，可以用来求解材料的基态电子结构。
它的基本思想是将多体问题转化为单电子问题，通过求解单电子的时间无关薛定谔方程来得到电子能级。
在电子能级计算中，借助于Matlab等科学计算软件可以方便地实现密度泛函理论的计算。
首先，需要通过第一性原理计算得到材料的晶体结构以及原子坐标信息。
然后，选取适当的交换-相关泛函，如局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA），并对材料的电子密度进行计算。
最后，通过求解薛定谔方程，可以得到电子能级以及对应的能量。
除了密度泛函理论外，还可以使用紧束缚模型进行半导体陶瓷的电子能级计算。
紧束缚模型是一种基于原子轨道重叠的方法，可以将材料的能带结构分解为原子轨道之间的相互作用。
通过紧束缚模型，可以计算出电子能级以及相应的能量。
半导体陶瓷的电子能级计算对于理解材料的导电性能以及光电性能具有重要意义。
通过分析能带结构以及计算电子能级，可以预测材料的导电性能、电荷传输特性以及光吸收特性，为材料的设计与优化提供理论依据。
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第六章半导体陶瓷
一、教学基本要求
了解半导体瓷的种类，掌握BaTiO3陶瓷的半导化机理，PTC效应机理，了解半导体陶瓷电容器的分类及其性能，理解表面层、晶界层电容效应。
掌握金属与半导体的接触形式及原因。
二、基本内容概述
6.1 半导体陶瓷的基本概念
1、装置瓷、电容器瓷、铁电压电瓷：ρV＞1012Ω•cm ，防止半导化，保证高绝缘电阻率；半导体瓷：ρV＜106Ω•cm
2、半导体瓷：传感器用，作为敏感材料，电阻型敏感材料为主：
ρV或ρS对热、光、电压、气氛、湿度敏感，故可作各种热敏、光敏、压敏、气敏、湿敏材料。
3、非半导体瓷——体效应（晶粒本身）
半导体瓷——晶界效应及表面效应
6.2 BaTiO3瓷的半导化机理
1、原子价控制法（施主掺杂法）
在高纯（≥99.9％）BaTiO3中掺入微量（＜0.3％mol）的离子半径与Ba2+相近，电价比Ba2+离子高的离子或离子半径与Ti4+相近而电价比Ti4+高的离子，它们将取代Ba2+或Ti4+位形成置换固溶体，在室温下，上述离子电离而成为施主，向BaTiO3提供导带电子（使部分Ti4++e→Ti3+），从而ρV下降（102Ω•cm），成为半导瓷。
2、强制还原法
在还原气氛中烧结或热处理，将生成氧空位而使部分Ti4+→Ti3+，从而实现半导化。
3、AST法
当材料中含有Fe、K等受主杂质时，不利于晶粒半导化。
加入SiO2或AST玻璃（Al2O3·SiO2·TiO2）可以使上述有害半导的杂质从晶粒进入晶界，富集于晶界，从而有利于陶瓷的半导化。
6.3 PTC热敏电阻
1、PTC效应：半导体BaTiO3陶瓷，当温度超过居里温度时，在几十度的范围内，电阻率会增大4~10个数量级，即PTC效应。
2、电阻-温度特性、电压-电流特性，电流-时间特性。
3、PTC机理：
●海旺模型
●丹尼尔斯模型
6.4 半导体陶瓷电容器
1、分类及性能
半导体陶瓷电容器按其结构、工艺可分为三类：
●表面阻挡层型
●表面还原－再氧化型
●晶界层型。
2、表面型半导体陶瓷电容器
3、晶界型半导体陶瓷电容器
三、重点、难点分析
1、BaTiO3陶瓷的半导化机理
纯BaTiO3陶瓷的禁带宽度2.5~3.2ev，因而室温电阻率很高(>1010Ω•cm)，然而在特殊情况下，BaTiO3瓷可形成n型半导体，使BaTiO3成为半导体陶瓷的方法及过程，称为BaTiO3瓷的半导化。
BaTiO3陶瓷的半导化方法主要包括原子价控制法和强制还原法。
●原子价控制法
在高纯（≥99.9％）BaTiO3中掺入微量（＜0.3％mol）的离子半径与Ba2+相近，电价比Ba2+离子高的离子或离子半径与Ti4+相近而电价比Ti4+高的离子，它们将取代Ba2+
或Ti4+位形成置换固溶体，在室温下，上述离子电离而成为施主，向BaTiO3提供导带电子（使部分Ti4++e→Ti3+），从而ρV下降（102Ω•cm），成为半导瓷。
●强制还原法
在还原气氛中烧结或热处理时，氧以分子状态逸出，将生成氧空位，氧空位带正电，为维持电中性氧空位可束缚电子。
这些多余的电子被Ti4+捕获，而使部分Ti4+→Ti3+，从而实现半导化。
2、PTC效应机理
实验发现，掺杂BaTiO3半导体陶瓷在居里点以下无PTC效应，电阻率很低，在T c
以上ρv随T升高呈指数的增加。
这与BaTiO3铁电体的ε在T c以下很高，T c以上迅速降低相对应。
因此，PTC效应必然与铁电性有关。
实验还发现：单晶BaTiO3无PTC特性，强制还原法所得半导体BaTiO3的PTC特性很小或没有PTC特性。
因此，PTC效应与晶界有关。
根据以上的实验现象，海旺提出了PTC效应模型：BaTiO3半导体陶瓷晶粒内部为n型半导体，在晶界处，由于吸附氧或受主杂质偏析，在晶界上形成“电子陷阱”，因此从导带或施主能级上来的电子，首先填充在表面态中，从而在晶界形成受主电荷，并在晶粒内距晶界一定宽度形成相反电荷的空间电荷层（阻挡层），从而出现晶界势垒。
晶界势垒与ε存在以下关系：
因此，当T＞T c时，T↑，ε↓，φ0↑↑，即势垒高度φ0随温度T↑而迅速升高。
∴ρ随T↑呈指数式迅速升高，显示出PTC特性。
然而，海旺模型本身存在一定的局限性，有一些实验现象难以用海旺模型进行解释，因此丹尼尔斯提出了改进后的模型。
丹尼尔斯模型认为当材料从高温冷却时，晶粒表面形成富钡缺位层，从而补偿了晶粒表面的施主，而晶粒内部的施主未得到完整的补偿，从而晶粒间形成了n-i-n结构，即形成了晶界势垒。