氧化锌半导瓷

 

　　一种重要的陶瓷半导体材料。俗称锌白。化学式ZnO，分子量81，密度5.7g/cm³，熔点1900℃，不溶于水，能溶于酸和碱，是一种两性氧化物。纯氧化锌是煅烧锌矿石(如)或在空气中燃烧锌条而得。氧化锌结晶是六角晶系，晶格常数α=3.25×10^-10m，c=5.20×10^-10m。室温下满足化学计量比关系的氧化锌晶体或多晶体中导电载流子极少，具有绝缘体的性能。在空气中经高温处理后，将会因氧的过剩或不足而成为偏离化学计量比关系的不完整晶体，即含有氧缺位或氧填隙锌的非化学计量比结晶，使自由电子或空穴大大增多，氧化锌由白色绝缘体变成青黑色半导体。当在氧化锌中加入适量的其他氧化物或盐类,如Bi₂O₃、Sb₂O₃、Co₂O₃、MnO、Cr₂O₃、Al₂O₃或Al(NO₃)₂等作为添加剂，按一般的陶瓷工艺成型烧结，可以制得氧化锌半导瓷。这种半导瓷由半导电的氧化锌晶粒及添加剂成分构成的晶粒间层所组成，其理想结构模型如图1。由于每一个氧化锌晶粒和晶粒间层之间都能形成一个接触区，具有一般半导体接触的单向导电性，所以两个晶粒间存在两个相反位置的整流结，一块氧化锌半导瓷片是大量相反放置的整流结组的堆积。当外加电压于这种材料时，低电压下，由于反偏整流结的阻挡作用，材料呈高阻状态，具有绝缘性能。当电压高达一定值时，整流结发生击穿，材料电阻率迅速下降，成为导电材料，可以通过相当大密度的电流。氧化锌半导瓷的非线性电压电流关系如图2。利用这种对称的非线性伏安特性可以制成各种电压限幅器、能量吸收装置等，如电力系统的过电压保护装置，特别是由于这类材料低电压下的电阻率高，因而在长期工作电压下漏电流小、发热小，可以做成不带火花间隙的高压避雷器；而高电压下电阻低、残压小，能把过电压限制在更低的水平上，使电网和电工设备的绝缘水平有可能降低，特别是在超高压电网，这一点更为重要。