手機掃碼訪問本站
微信咨詢
氧化鋅俗稱鋅白，是一種重要的陶瓷半導體材料，具有優良的非線性系數、壓敏電壓范圍寬(零點幾伏到幾十千伏)、電壓溫度系數小、時間響應快、漏電流小等特點。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。氧化鋅結晶是六角晶系，晶格常數α＝3.25×10-10m，c＝5.20×10-10m。室溫下滿足化學計量比關系的氧化鋅晶體或多晶體中導電載流子極少，具有絕緣體的性能。在空氣中經高溫處理后，將會因氧的過剩或不足而成為偏離化學計量比關系的不完整晶體，即含有氧缺位或氧填隙鋅的非化學計量比結晶，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體。當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，可以制得氧化鋅半導瓷。這種半導瓷由半導電的氧化鋅晶粒及添加劑成分構成的晶粒間層所組成，其理想結構模型如圖1。由于每一個氧化鋅晶粒和晶粒間層之間都能形成一個接觸區，具有一般半導體接觸的單向導電性，所以兩個晶粒間存在兩個相反位置的整流結，一塊氧化鋅半導瓷片是大量相反放置的整流結組的堆積。當外加電壓于這種材料時，低電壓下，由于反偏整流結的阻擋作用，材料呈高阻狀態，具有絕緣性能。當電壓高達一定值時，整流結發生擊穿，材料電阻率迅速下降，成為導電材料，可以通過相當大密度的電流。氧化鋅半導瓷的非線性電壓電流關系如圖2。利用這種對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，如電力系統的過電壓保護裝置，特別是由于這類材料低電壓下的電阻率高，因而在長期工作電壓下漏電流小、發熱小，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，能把過電壓限制在更低的水平上，使電網和電工設備的絕緣水平有可能降低，特別是在超高壓電力應用領域。
半導體陶瓷是一種導電陶瓷。其導電性能介于導體和絕緣體之間，是鈦酸鋇系和鈦酸鋯系半導體瓷，以及氧化鋅半導體瓷等半導陶瓷的總稱，簡稱PTC。PTC是 “正溫度系數” 英文第一個字母的組合。PTC發熱元件的一個顯著特征就是它有一個人為設計的相變溫度。在這個溫度區以下，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數量級。根據電阻增加的速度即曲線的斜率，PTC可分為平緩型和開關型; 平緩型上升得慢，開關型上升得快。PTC取暖器大多用開關型特性，也就是說，超過相變溫度后電阻急劇增加，電流減小即發熱功率減小，最后發熱量維持在一個水平上。如果在通電的同時給PTC以及它所附帶的散熱片送風，則PTC溫度下降，電阻下降，電流上升，發熱功率增大;如果把送風量調節在一個最佳狀態使PTC處于電阻最小值即電流量最大時，則PTC功率發揮到最大，冷風經由與PTC一體的散熱片變成熱風。一般暖風機出口溫度可達80℃，所以室內很快變暖。液體蚊香中用的PTC是使液體揮發的熱源，通電22OV，溫度可自動控制在120～130℃左右。
PTC的用途十分廣泛，還可根據它的特性，開發出許多二次產品。但是，PTC用作元器件也有它的缺點，就是容易老化，即隨著使用時間的增加，發熱功率下降。這是由它的內部結構決定的。但是如果質量控制得好，老化速率可以限制在較低的水平上。
氧化鋅的化學性質
鋅的氧化物。分子式為ZnO，六角晶系，晶格常數a=0.324nm，c=0.521nm，禁帶寬度為3.2eV，屬Ⅱ-Ⅵ族半導體，質量密度5.5～5.6g/cm3，電容率εs=8.12，ε∞=3.72，熔點1975℃，1800℃以上開始升華，常溫下本征電阻率很高，對短波有光敏性。
有兩種方法可使其在常溫附近成為半導體：
①純ZnO經高溫熱處理可成為本征半導體，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構，缺陷能級為施主能級。ZnO成為本征N型半導體，其電導率與熱處理溫度、降溫速度有密切關系。常溫下電子遷移率為0.022m2/(V·s)。
②用Ⅰ、Ⅲ族元素摻雜形成雜質半導體。常用的Ⅰ族元素為鋰，Ⅲ族元素為鋁、銦和鎵等。氧化鋅無天然產物，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，人工生長單晶或氣相沉積薄膜，利用其壓電效應，可用作制造電聲器件的材料，故亦稱為壓電半導體。但其更主要的用途是作為氧化鋅系陶瓷半導體原料，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和非飽和過渡金屬氧化物Co2O3、MnO2等添加劑的氧化鋅半導體陶瓷具有優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，瓷體變成可通過瞬態電流密度為102～103A/cm2的良導體，其伏安特性一般用I∝Uα表示，非線性指數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改變瓷體厚度和面積來調整，與添加劑成份及工藝亦有關。用壓敏氧化鋅陶瓷制造的壓敏電阻是電氣技術領域中過電壓保護的重要器件。1968年首次制成這種材料與器件，1972年被廣泛應用。
2、加入SnO、ZrO2、Ga2O3等制成多孔陶瓷，其氣孔相當于開放的毛細管結構，比表面積很大，可以吸附或凝結水蒸氣及其他氣體，視添加成份不同，可制成濕敏或對H2、CO等敏感的陶瓷敏感器件。
3、用作化學反應的催化劑。氧化鋅陶瓷工藝簡單、性能穩定、原料豐富，是一種有重要發展前景的工業材料。