[科普中國]-氧化鎳系氣敏陶瓷

氧化鎳系氣敏陶瓷是指具有氣敏效應(yīng)的氧化鎳系半導體陶瓷。為p型半導體，在氧分壓增加時，電導率下降。用它來測量氧分壓的變化時比使用n型半導體的氧化錫、氧化鋅等材料更為有利，因而適合在諸如控制汽車發(fā)動機的空燃比等場合下使用。為了迅速達到熱平衡，需要在1000℃以上高溫使用。

簡介氧化鎳系氣敏陶瓷是指具有氣敏效應(yīng)的氧化鎳系半導體陶瓷。為p型半導體，在氧分壓增加時，電導率下降。用它來測量氧分壓的變化時比使用n型半導體的氧化錫、氧化鋅等材料更為有利，因而適合在諸如控制汽車發(fā)動機的空燃比等場合下使用。為了迅速達到熱平衡，需要在1000℃以上高溫使用1。

氣敏陶瓷的原理半導體氣敏陶瓷的導電機理主要有能級生成理論和接觸粒界勢壘理論。按能級生成理論，當SnO2、ZnO等N型半導體陶瓷表面吸附還原性氣體時，氣體將電子給予半導體，并以正電荷與半導體相吸，而進入N型半導體內(nèi)的電子又束縛少數(shù)載流子空穴，使空穴與電子的復合率降低，增大電子形成電流的能力 ，使陶瓷電阻值下降；當N型半導體陶瓷表面吸附氧化性氣體時，氣體將其空穴給予半導體，并以負離子形式與半導體相吸， 而進入N型半導體內(nèi)的空穴使半導體內(nèi)的電子數(shù)減少，因而陶瓷電阻值增大。接觸粒界勢壘理論則依據(jù)多晶半導體能帶模型，在多晶界面存在勢壘，當界面存在氧化性氣體時勢壘增加，存在還原性氣體時勢壘降低，從而導致阻值變化。

常用的氣敏陶瓷材料有SnO2、ZnO和ZrO2。SnO2氣敏陶瓷的特點是靈敏度高，且出現(xiàn)最高靈敏度的溫度Tm較低(約300℃)，最適于檢測微量濃度氣體，對氣體的檢測是可逆的，吸附、解析時間短。ZnO氣敏陶瓷的氣體選擇性強。ZrO2系氧氣敏感陶瓷是一種固體電解質(zhì)陶瓷的快離子導體。因ZrO2固體中含有大量氧離子晶格空位，因此，造成氧離子導電1。

氣敏陶瓷與濕敏陶瓷的區(qū)別氣敏陶瓷是基于元件表面的氣體吸附和隨之產(chǎn)生的元件導電率的變化而設(shè)計。具體吸附原理為:當吸附還原性氣體時，此還原性氣體就把其電子給予半導體，而以正電荷與半導體相吸附著。進入到n型半導體內(nèi)的電子，束縛少數(shù)載流子空穴，使空穴與電子的復合率降低。這實際上是加強了自由電子形成電流的能力，因而元件的電阻值減小。與此相反，若n型半導體元件吸附氧化性氣體，氣體將以負離子形式吸附著，而將其空穴給予半導體，結(jié)果是使導電電子數(shù)目減少，而使元件電阻值增加。

濕敏陶瓷是當氣敏陶瓷界處吸附水分子時，由于水分子是一種強極性分子，其分子結(jié)構(gòu)不不對稱。由于水分子不對稱，在氫原子一側(cè)必然具有很強的正電場，使得表面吸附的水分子可能從半導體表面吸附的O2-或O-離子中吸取電子，甚至從滿帶中直接俘獲電子。因此將引起晶粒表面電子能態(tài)變化，從而導致晶粒表面電阻和整個元件的電阻變化2。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

黃倫先 - 副教授 - 西南大學