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陶瓷半導(dǎo)體材料氧化鋅
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)因氧的過剩或不足而成為偏離化學(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娦裕詢蓚€(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。
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