陶瓷半導體材料氧化鋅

     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。