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第五章 敏 感 陶 瓷
随着科学技术的发展，在 工业生产领
域, 科学研究领域 和人们的日常生活中，
需要 检测、控制的对象 (信息 )迅速增加。
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信息的获取 有赖于 传感器,或称 敏感
元件 。
在各种类型的敏感元件中,陶瓷敏感
元件 占有十分重要的地位。
敏感陶瓷 在某些传感器中，是关键材
料之一，用于制造 敏感元件 。
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敏感陶瓷 用于制造 敏感元件,是根据某
些陶瓷的 电阻率, 电动势 等物理量对 热, 湿,
光, 电压 及 某种气体、某种离子的变化特别
敏感的特性 而制得的。
按其 相应的特性,可把这些材料分别称
作 热敏, 湿敏, 光敏, 压敏, 气敏 及 离子 敏
感陶瓷 。
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此外，还有具有 压电效应 的 压力, 位臵,
速度, 声波 等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的
磁敏陶瓷 及具有 多种敏感特性的 多功能敏感
陶瓷 等。
这些 敏感陶瓷 已广泛应用于 工业检测,
控制仪器, 交通运输系统,汽车、机器人、
防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。
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1、敏感陶瓷分类
①物理敏感陶瓷：
光敏陶瓷,如 CdS,CdSe等；
热敏陶瓷,如 PTC陶瓷,NTC和 CTR
热敏陶瓷等；
磁敏陶瓷,如 InSb,InAs,GaAs等；
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声敏陶瓷,如罗息盐、水晶、
BaTiO3,PZT等；
压敏陶瓷,如 ZnO,SiC等；
力敏陶瓷,如 PbTiO3,PZT等。
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②化学敏感陶瓷
氧敏陶瓷,如 SnO2,ZnO,ZrO2等；
湿敏陶瓷, TiO2— MgCr2O4,ZnO-
Li2O-V2O5等。
生物敏感陶瓷 也在积极开发之中。
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2,敏感陶瓷的结构与性能
陶瓷 是由 晶粒、晶界、气孔 组成的多相
系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表
面的 组分偏离,在晶粒表层产生 固溶, 偏
析 及 晶格缺陷 等。
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另外，在晶界 处也会产生 异质相的
析出, 杂质的聚集, 晶格缺陷 及 晶格各向
异性 等。
这些 晶粒边界层 的 组成, 结构 变化，
显著改变了 晶界的电性能,从而导致整个
陶瓷 电学性能 的显著变化。
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3,热敏陶瓷
热敏陶瓷 是一类 电阻率, 磁性, 介电性
等性质随 温度 发生 明显变化 的材料，主要用
于制造 温度传感器, 线路温度补偿 及 稳频的
元件 --热敏电阻 (thermistor)。
热敏陶瓷 具有 灵敏度高, 稳定性好, 制
造工艺简单 及 价格便宜 等特点。
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⑴ 热敏陶瓷的特性分类
① 电阻随温度升高而增大的 热敏电阻
称为 正温度系数热敏电阻, 简称 PTC热敏
电阻 ( positive temperature coefficient )；
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② 电阻随温度的升高而减小 的 热敏电阻
称为 负温度系数热敏电阻,简称 NTC热敏电
阻 ( negative temperature coefficient )；
③ 电阻在某特定温度范围内急剧变化的
热敏电阻，简称为 CTR临界温度热敏电阻 (
critical temperature resistor )。
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⑵ 陶瓷热敏电阻材料
① BaTiO3 PTC陶瓷
BaTiO3陶瓷是否具有 PTC效应,完全由
其 晶粒和晶界的电性能 所决定。
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纯 BaTiO3具有 较宽的禁带, 常温下电子
激发很少,其 室温下的电阻率 为 1012??cm，
已接近绝缘体，不具有 PTC电阻特性。
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将 BaTiO3的电阻率降到 104??cm以下，
使其 成为半导体的过程 称为 半导化 。
即在其禁带中引入一些 浅的附加能级
：施主能级或受主能级。
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通常情况下,施主能级 多数是 靠近导带
底的 ；而 受主能级 多数是 靠近价带顶的 。
施主能级 或 受主能级 的 电离能 一般比较
小，因此，在室温下就可 受到热激发 产生 导
电载流子,从而形成半导体。
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形成 附加能级 主要通过两种途径,化
学计量比偏离 和 掺杂,使得 晶粒 具有 优良
的导电性,而 晶界 具有 高的势垒层,形成
绝缘体。
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BaTiO3的 化学计量比偏离 半导化 采用
在 真空, 惰性气体或还原性气体 中加热
BaTiO3。
由于 失氧, BaTiO3内产生 氧缺位, 为
了 保持电中性, 部分 Ti4+将俘获电子成为
Ti3+。 在强制还原以后, 需要 在氧化气氛下
重新热处理, 才能得到较好的 PTC特性,
电阻率为 1--103??cm。
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采用 掺杂 使 BaTiO3半导化的方法之一是
施主掺杂法,该法也称 原子价控制法 。
如果用离子半径与 Ba2+相近的三价离子 (
如 La3+,Ce3+,Nd3+,Ga3+,Sm3+,Dy3+、
Y3+,Bi3+,Sb3+等 )臵换 Ba2+,或者用离子半径
与 Ti4+相近的五价离子 (如 Ta5+,Nb5+,Sb5+等 )
臵换 Ti4+,采用 普通陶瓷工艺,即能获得电阻
率为 103--105??cm的 n型 BaTiO3半导体。
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五价离子 掺杂浓度 对 BaTiO3的电阻率
影响很大。
一般情况下，电阻率 随掺杂浓度的增加
而降低, 达到某一浓度时,电阻率降至最低
值,继续增加浓度,电阻率则迅速提高，甚
至变成绝缘体。
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BaTiO3的电阻率降至最低点的 掺杂
浓度 (质量分数 )为,Nd 0.05％,Ce,La、
Nb 0.2％ ~0.3％,Y 0.35％
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采用 掺杂 使 BaTiO3半导化 的方法之二
是 AST 掺杂法, 以 SiO2 或 AST
( 1/3A12O3 ·3/4SiO2·1/4TiO2 )对 BaTiO3进
行掺杂, AST加入量 3％ (摩尔分数 )于 1260
--1380℃ 烧成后, 电阻率为 40--100??cm。
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典型的 PTC热敏电阻的配方 如下：
主成分, ( Ba0.93Pb0.03Ca0.04 )TiO3 +
0.0011Nb2O5 + 0.01TiO2(先预烧 )；
辅助成分 摩尔分数,Sb2O3 0.06％，
MnO2 0.04％,SiO2 0.5％,A12O3 0.167％，
Li2CO3 0.1％。
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② NTC电阻材料
一般陶瓷材料都有 负的电阻温度系数,但
温度系数的 绝对值小, 稳定性差,不能应用
于 高温和低温 场合。
NTC热敏电阻材料 是用 特定组分合成,
其电阻率随温度升高按指数关系减小 的一类
材料，分 低温型、中温型和高温型 三大类。
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NTC热敏电阻材料 绝大多数是具有 尖晶
石型结构 的 过渡金属固熔体 。
其中,二元系 主要有,Cu-Mn,Co-Mn
,Ni-Mn等系。
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其中,最有实用意义的 为 Co-Mn系材料
。它在 20℃ 时的电阻率为 103??cm,主晶相为
立方尖晶石 MnCo2O4。
随着 Mn含量的增大,则形成 MnCo2O4立
方尖晶 和 MnCo2O4四方尖晶 的固溶体，电阻
率逐渐增大。
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三元系 有,Mn-Co-Ni,Mn-Cu-Ni、
Mn-Cu-Co等 Mn系 和 Cu-Fe-Ni,Cu-Fe-
Co等 非 Mn系 。
在 含 Mn的三元系 中，随着 Mn含量的
增大，电阻率增大。
此外，还有 Cu-Fe-Ni,CO四元系等。
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工作温度 在 300℃ 以上 的热敏电阻 (NTC)
常称为 高温热敏电阻 。
高温热敏电阻 有广泛的应用前景，尤其
在 汽车空气／燃料比 传感器方面，有很大的
实用价值。
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其中，主要使用的两种 较典型材料 为：
(1)稀土氧化物材料
Pr,Er,Tb,Nd,Sm等氧化物，加入
适量 其他过渡金属氧化物,在 1600 ~ 1700 ℃
烧结后，可在 300--1500℃ 工作。
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(2)MgAl2O4--MgCr2O4--LaCrO3[或
(LaSr)CrO3] 三元系材料
该系材料适用于 1000℃ 以下 温区。
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工作温度在 － 60℃ 以下 的热敏电阻材料
(NTC)称为 低温热敏电阻材料 。
低温热敏电阻材料 以 过渡金属氧化物 为
主，加入 La,Nd,Pd等的氧化物。
主要材料有 Mn-Ni-Fe-Cu,Mn-Cu-Co
,Mn-Ni-Cu等。
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③ CTR材料
CTR热敏电阻 主要是指 以 VO2为基本成
分 的半导体陶瓷,在 68℃ 附近 电阻值突变
达到 3--4个数量级，具有 很大的负温度系数,
因此称为 巨变温度热敏电阻 或 临界 (温度 )热
敏电阻材料 。
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这种 巨变温度热敏电阻变化 具有 再现性
和 可逆性,故可作 电气开关 或 温度探测器 。
这一 特定温度 称 临界温度 。
电阻值的急剧变化，通常是 随温度的升
高, 在临界温度附近, 电阻值急剧减小 。
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V是 易变价元素,它有 5价,4价等多种价
态，因此,V系有多种氧化物，如 V2O5,VO2
,V2O3,VO等。
这些氧化物各有 不同的临界温度 。每种 V
系氧化物与 B,Si,P,Mg,Ca,Sr,Ba,Pb
,La,Ag等氧化物形成 多元系化合物,可上
、下移动其临界温度。
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⑶ 热敏电阻的应用
热敏电阻在 温度传感器 中的应用最广
，它虽不适于 高精度的测量,但其 价格低
廉,多用于 家用电器、汽车 等。
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PTC热敏电阻 有两种用途：
一是用于 恒温电热器, PTC热敏电阻通过
自身发热而工作，达到设定温度后，便自动恒
温，因此不需另加控制电路，如用于 电热驱蚊
器, 恒温电熨斗, 暖风机, 电暖器 等。
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二是用作 限流元件,如 彩电消磁器,
节能灯用 电子镇流器, 程控电话保安器,
冰箱电机启动器 等。
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4,气敏陶瓷
在现代社会，人们 在生活和工作中 使用
和接触的 气体 越来越多，其中某些 易燃、易
爆、有毒气体 及其 混合物 一旦泄露到大气中
，会造成 大气污染,甚至引起 爆炸和火灾 。
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气敏陶瓷 是一种 对气体敏感的 陶瓷材
料,陶瓷气敏元件 (或称 陶瓷气敏传感器 )由
于其具有 灵敏度高, 性能稳定, 结构简单
,体积小, 价格低廉, 使用方便 等优点，
得到迅速发展。
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⑴ 气敏陶瓷的分类及结构
气敏陶瓷大致可分为 半导体式, 固
体电解质式 及 接触燃烧式 三种：
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①半导体式气敏陶瓷
按照 主要原料成分 来分类，如 SnO2型、
ZnO型,?-Fe2O3型,?-Fe2O3型、钙钛矿化合
物型,TiO2型等。
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②固体电解质
是一类介于 固体和液体之间 的奇特固体
材料，其 主要特征 是它的 离子具有类似于液
体电解质的快速迁移特性,如 ZrO2氧敏陶瓷
,K2SO4,Na2SO4等碱金属硫酸盐等。
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③接触燃烧式气敏陶瓷元件系
用 铂金丝 作母线，表面用 陶瓷涂层,
触媒材料, 防晶粒生长材料 以及 防触媒中
毒材料 等涂层所制成。
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⑵ 气敏陶瓷的性能
半导体表面 吸附气体分子时,半导体的
电导率 将随 半导体类型 和 气体分子种类 的
不同而变化。
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吸附气体一般分为物理吸附和化学吸附
两大类。被吸附的气体一般也可分为两类。
具有 阴离子吸附性质的气体 称为 氧化性 (
或电子受容性 )气体,如 O2,NOx等。
具有 阳离子吸附性质的气体 称为 还原性 (
或电子供出性 )气体,如 H2,CO,乙醇等。
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⑶ 典型的气敏半导体陶瓷
① SnO2系气敏陶瓷
② ZnO系气敏陶瓷
③ Fe2O3系气敏陶瓷
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① SnO2系气敏陶瓷
SnO2系气敏陶瓷是 最常用的气敏半导体
陶瓷, 是 以 SnO2为基材, 加入催化剂, 黏结
剂等, 按照 常规的陶瓷工艺方法 制成的 。
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SnO2气敏陶瓷 以 超细 SnO2粉料 为基
本原料,粉料越细, 比表面积越大,对
被测气体越敏感 。
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制造 高分散的 SnO2超细粉料 的方法有
锡酸盐分解法, 金属锡燃烧法, 等离子体
反应法 及 化学共沉淀物热分解法 等。
50
用 SnCl4或 SnCl2制备 SnO2,这两种方
法最后均需煅烧，其 煅烧条件 对于 SnO2粉
料的 晶粒大小, 比表面积大小 影响很大。
51
二氧化锡气敏陶瓷 所用 添加剂 多为 半
导体添加剂,它们有不同的作用，主要是
Sb2O3,V2O5,MgO,PbO,CaO等。
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SnO2系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点：
① 灵敏度高,出现 最高灵敏度的温度较低,
约在 300℃ ；
② 元件阻值变化与气体浓度成指数关系,在
低浓度范围，这种变化十分明显，非常适用
于 对低浓度气体的检测 ；
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③ 对气体的检测是可逆的,而且 吸附
、解吸时间短 ；
④ 气体检测不需复杂设备,待测气体
可通过 气敏元件电阻值的变化 直接转化为
信号，且阻值变化大，可用 简单电路 实现
自动测量；
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⑤ 物理化学稳定性好, 耐腐蚀, 寿命长 ；
⑥ 结构简单, 成本低, 可靠性高, 耐振动
和 抗冲击性能好 。
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SnO2系气敏陶瓷的应用：
利用 SnO2烧结体 吸附还原气体时 电阻
减少的特性 来检测还原气体,已广泛应用于
家用 石油液化气的漏气报警,生产用 探测报
警器 和 自动排风扇 等。
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SnO2系气敏元件 对 酒精和 CO特别敏
感，广泛用于 CO报警 和 工作环境的空气
监测 等。
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已进入 实用的 SnO2系气敏元件 对于
可燃性气体,例如 H2,CO,甲烷、丙烷
、乙醇、酮或芳香族气体等，具有 同样
程度的灵敏度,因而 SnO2气敏元件 对不
同气体的选择性就较差 。
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② ZnO系气敏陶瓷
氧化锌系气敏陶瓷元件最突出的优点
是 气体选择性强,一般加入适量的 贵金属
催化剂 来 提高陶瓷元件的灵敏度 。
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氧化锌气敏元件 对异丁烷、丙烷、乙
烷等 碳氢化合物 有较高灵敏度,碳氢化合
物中 碳元素数目越大灵敏度越高 。
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掺 Pd的 氧化锌气敏陶瓷元件 对 H2,CO
灵敏度 较高，对 碳氢化合物灵敏度 较差。
掺 Ag的 氧化锌气敏陶瓷元件 对 乙醇、
苯和煤气 较灵敏，且成本也较低。
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氧化锌气敏陶瓷元件 的结构与二氧化锡
的不同，可以把它做成 双层,将 半导体元件
与催化物 分离，这样可以 更换催化剂 来 提高
元件的气体选择性,其缺点是 元件的使用工
作温度较高 。
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③ Fe2O3系气敏陶瓷
常见的铁的氧化物有 三种基本形式,
FeO,Fe2O3和 Fe3O4；
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其中,Fe2O3有 两种陶瓷制品, ?－ Fe2O3
和 ?－ Fe2O3均被发现具有 气敏特性 。
?－ Fe2O3具有 刚玉型晶体 结构。从 热稳
定性 来看 ?－ Fe2O3较优，但从 灵敏度 而言则
比 ?－ Fe2O3差。
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Fe2O3系气敏陶瓷 最大的特点 是 不用贵
金属做催化剂 也能得到 较高的催化性, 高
温下热稳定性好 。
?－ Fe2O3对 丙烷气体 较灵敏，但对 甲烷
就不灵敏。
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?－ Fe2O3的 化学稳定性 好，对 甲烷乃至
异丁烷 都非常灵敏，对 水蒸气和乙醇 等却不
灵敏。
?－ Fe2O3作 家庭用可燃气体报警器 非常
合适。因它对 水蒸气和乙醇 等不灵敏，故不
会因 水蒸气及酒精的存在 而误报。
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5,湿敏半导体陶瓷
湿度,通常是指 空气中水蒸气的含量 。
湿度与人类的日常生活和生产活动有着
十分密切的关系，因此需要随时监测空气湿
度。
新型湿度传感器 可将 湿度的变化 以 电信
号形式 输出，易于实现 远距离监测,记录和
反馈的自动控制。
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⑴ 湿敏半导体陶瓷的分类
以湿敏材料制造的 湿敏元件 配以 适
当的电路 即成为 湿度传感器 。
根据湿敏材料的 性能 及其 使用功能
可分为以下四类：
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① 无机盐系,如 LiCl电解质型。
② 有机高分子系,有电解质型 (离子
交换树脂 )、膨润型、电容型。
③ 半导体陶瓷系,有电容型、电阻
型、阻抗型。
④ 半导体型,如半导体硅材料。
其中，最常用的为 半导体陶瓷系 湿
敏电阻型。
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⑵ 湿敏陶瓷制造工艺及其特性
湿敏陶瓷材料 种类 繁多,化学组成 复
杂。
按 工艺过程 可将 湿敏半导体陶瓷 分为
瓷粉膜型, 烧结型 和 厚膜型 。
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① MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷
MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷是 典型的高温烧
结型 多孔湿敏陶瓷 结构, 气孔率高 达 30％ --40
％, 具有 良好的透湿性能 。
MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷的 制造工艺 可采
用 传统陶瓷的制造方法, 但原料必须采用化学
纯或分析纯级 。
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MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷的制造工艺
流程如下：
MgO,Cr2O3,TiO2 → 称量 → 球磨
→ 干燥 → 造粒 → 干压
烧结 → 切片 → 电极 → 引线 → 装配
→ 测试
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MgCr2O4-TiO2系 多孔陶瓷 具有 很高的
湿度活性, 湿度响应快, 对温度, 时间,
湿度和电负荷的 稳定性高, 是很有应用前
途的 湿敏传感器陶瓷材料, 已用于 微波炉
的自动控制 。
程序控制的微波炉, 根据 处于微波炉
蒸汽排口处的 湿敏传感器 的相对湿度反馈
信息, 调节烹调参数 。
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此外，目前比较常见的 高温烧结型湿敏
陶瓷 还有 ZnCr2O4为主晶相系 半导体陶瓷,以
及新研究的 羟基磷灰石 [Ca10(PO4)6(OH)2] 湿
敏陶瓷 。
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陶
瓷
湿
度
传
感
器
结
构
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② Si-Na2O-V2O5系湿敏陶瓷
Si-Na2O-V2O5系湿敏陶瓷是 典型的低温
烧结型湿敏陶瓷, 其主晶相是具有半导性
的硅粉 。
烧结温度较低 (一般低于 900℃ ),烧结
时 固相反应不完全, 烧结后收缩率很小 。
其阻值为 102--107?,随相对湿度 以指数规
律 变化, 测量范围为 (25～ 100)％ RH。
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Si-Na-V系湿敏陶瓷的 感湿机理 是由于
Na2O和 V2O5吸附水分，使吸湿后硅粉粒间的
电阻值显著降低。
这种元件的 优点 是 温度稳定性较好,可在
100℃ 下工作，阻值范围可调，工作寿命长。
缺点 是 响应速度慢,有 明显湿滞现象,不
能用于 湿度变化不剧烈的场合 。
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⑶ 湿敏半导体陶瓷的应用
湿敏陶瓷的应用很广泛，主要
应用于 家电, 汽车, 医疗, 工业设
备, 农、林、畜牧业 等领域。
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6,压敏半导体陶瓷
一般电阻器的电阻值可以认为是一个恒
定值，即流过它的电流与施加电压成线性关
系。
压敏陶瓷是指 电阻值随着外加电压变化
有一显著的非线性变化的半导体陶瓷,用这
种材料制成的电阻称为 压敏电阻器 。
79
制造 压敏陶瓷的材料 有 SiC,ZnO、
BaTiO3,Fe2O3,SnO2,SrTiO3等。
其中 BaTiO3,Fe2O3利用的是 电极与
烧结体界面的非欧姆特性,而 SiC,ZnO、
SrTiO3利用的是 晶界非欧姆特性 。
目前，应用最广、性能最好的是 氧化
锌压敏半导体陶瓷 。
80
⑴ 压敏陶瓷的基本特性
压敏电阻陶瓷具有 非线性伏 -- 安特性, 对
电压变化非常敏感 。
在 某一临界电压 以下, 压敏电阻陶瓷电
阻值非常高, 几乎没有电流；但当 超过这一
临界电压时, 电阻将急剧变化, 并且有电流
通过 。 随着电压的少许增加, 电流会很快增
大 。
压敏电阻陶瓷的这种电流 -电压特性曲线
如图所示 。
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1.齐钠二极管；
2.SiC压敏电阻；
3.ZnO压敏电阻；
4.线性电阻；
5.ZnO压敏电阻。
压敏电阻的 I-U特性曲线
82
由图可见，压敏电阻陶瓷的 I-U特性
不是一条直线,其电阻值 在一定电流范围
内 呈非线性变化。
因此,压敏电阻 又称 非线性电阻,用
这种陶瓷制造的器件叫 非线性电阻器 。
83
⑵ 氧化锌压敏陶瓷
ZnO系压敏电阻陶瓷是压敏电阻陶瓷中 性
能最优的一种材料 。
成分是 ZnO,并添加 Bi2O3,CoO、
MnO,Cr2O3,Sb2O3,TiO2,SiO2,PbO等
氧化物 经改性烧结 而成。
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氧化锌压敏电阻的应用
ZnO压敏电阻器的应用很广，可归结
为如下两方面：
①过压保护
②稳定电压
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①过压保护
各种大型整流设备、大型电磁铁、大型
电机、通讯电路、民用设备 在开关时, 会引
起很高的过电压,需要进行保护，以延长使
用寿命。故在电路中接入 压敏电阻 可以抑制
过电压。
此外,压敏电阻 还可作 晶体管保护, 变
压器次级电路的半导体器件的保护 以及 大气
过电压保护 等。
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②稳定电压
由于 氧化锌压敏电阻 具有 优异的非线性
和短的响应时间，且温度系数小、压敏电压
的稳定度高,故 在稳压方面 得以应用。
压敏电阻器 可用于彩色电视接收机、卫
星地面站 彩色监视器 及电子计算机末端 数字
显示装臵中 稳定显像管阳极高压，以提高图
像质量等。
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7,光敏半导体陶瓷
光敏陶瓷也称 光敏电阻瓷,属 半导体陶
瓷 。
由于材料的 电特性 不同以及 光子能量
的差异，它 在光的照射下 吸收光能，产生
不同的光电效应,光电导效应 和 光生伏特
效应 。
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利用 光电导效应 来制造 光敏电阻,可
用于各种 自动控制系统 ；
利用 光生伏特效应 则可制造 光电池 或
称太阳能电池，为人类提供了新能源。
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⑴ 光电导效应
当光线照射到半导体时,在光子作
用下 产生的 光生载流子 使电导增加的现
象，称为 光电导效应 。
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⑵ 光生伏特效应
当光线照射到 半导体的 p-n结 上时,如果光子能
量足够大, h?≥Eg,就 在 p-n结附近 激发出 电子 --空
穴对 。
在自建电场的作用下,n区的 光生空穴 被拉向 p
区,p区的 光生电子 被拉向 n区，结果 n区积累了负
电荷,p区积累了正电荷，产生 光生电动势 。
若 将外电路接通,就有电流由 p区流经外电路
至 n区，这种效应称为 光生伏特效应 。
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光电二极管, 太阳能电池 和 光电晶体管 就是利
用 光生伏特效应 制成的 光电转换元件 。
通常 不同的材料 具有不同的 光敏光区,并 在某
一波长 有最大的灵敏度。
在 可见光区 (0.4~0.76?m) 最适用的光敏材料 为
CdS和 CdSe； 而在 近红外区 (0.76~3?m) 最适用的
光敏材料为 PbS。
目前，常用于制造光敏电阻的光敏材料有 CdS
,CdSe和 PbS。
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（ 3） 光敏电阻瓷的应用
太阳能电池 是利用 光生伏特效应 将太阳能
转换为电能的器件。
虽然能量 h?≥Eg的光子均可产生激发，
但只有能量相当于 Eg的部分才能转变为电能
。光子吸收材料的禁带在 Eg≈0.9eV附近时，
光子激发利用率最高。
93
太阳能电池的转换率 不仅受 光子激发利
用率 的限制，还受其他因素的影响。
一般太阳能电池目前的转换率大都在 10
％以下。
94
综合考虑 影响转换效率的因素, 光子
吸收材料的禁带宽度 在 1.0～ 1.6eV较合适，
因此,Si,Cu2S,GaAs,CdTe等均可用作
太阳能电池材料。
Cu2S,CdTe常用作 陶瓷太阳能电池 的
光子吸收材料,制成 Cu2S--CdS电池与
CdTe--CdS电池。
第五章 敏 感 陶 瓷
随着科学技术的发展，在 工业生产领
域, 科学研究领域 和人们的日常生活中，
需要 检测、控制的对象 (信息 )迅速增加。
2
信息的获取 有赖于 传感器,或称 敏感
元件 。
在各种类型的敏感元件中,陶瓷敏感
元件 占有十分重要的地位。
敏感陶瓷 在某些传感器中，是关键材
料之一，用于制造 敏感元件 。
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敏感陶瓷 用于制造 敏感元件,是根据某
些陶瓷的 电阻率, 电动势 等物理量对 热, 湿,
光, 电压 及 某种气体、某种离子的变化特别
敏感的特性 而制得的。
按其 相应的特性,可把这些材料分别称
作 热敏, 湿敏, 光敏, 压敏, 气敏 及 离子 敏
感陶瓷 。
4
此外，还有具有 压电效应 的 压力, 位臵,
速度, 声波 等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的
磁敏陶瓷 及具有 多种敏感特性的 多功能敏感
陶瓷 等。
这些 敏感陶瓷 已广泛应用于 工业检测,
控制仪器, 交通运输系统,汽车、机器人、
防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。
5
1、敏感陶瓷分类
①物理敏感陶瓷：
光敏陶瓷,如 CdS,CdSe等；
热敏陶瓷,如 PTC陶瓷,NTC和 CTR
热敏陶瓷等；
磁敏陶瓷,如 InSb,InAs,GaAs等；
6
声敏陶瓷,如罗息盐、水晶、
BaTiO3,PZT等；
压敏陶瓷,如 ZnO,SiC等；
力敏陶瓷,如 PbTiO3,PZT等。
7
②化学敏感陶瓷
氧敏陶瓷,如 SnO2,ZnO,ZrO2等；
湿敏陶瓷, TiO2— MgCr2O4,ZnO-
Li2O-V2O5等。
生物敏感陶瓷 也在积极开发之中。
8
2,敏感陶瓷的结构与性能
陶瓷 是由 晶粒、晶界、气孔 组成的多相
系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表
面的 组分偏离,在晶粒表层产生 固溶, 偏
析 及 晶格缺陷 等。
9
另外，在晶界 处也会产生 异质相的
析出, 杂质的聚集, 晶格缺陷 及 晶格各向
异性 等。
这些 晶粒边界层 的 组成, 结构 变化，
显著改变了 晶界的电性能,从而导致整个
陶瓷 电学性能 的显著变化。
10
3,热敏陶瓷
热敏陶瓷 是一类 电阻率, 磁性, 介电性
等性质随 温度 发生 明显变化 的材料，主要用
于制造 温度传感器, 线路温度补偿 及 稳频的
元件 --热敏电阻 (thermistor)。
热敏陶瓷 具有 灵敏度高, 稳定性好, 制
造工艺简单 及 价格便宜 等特点。
11
⑴ 热敏陶瓷的特性分类
① 电阻随温度升高而增大的 热敏电阻
称为 正温度系数热敏电阻, 简称 PTC热敏
电阻 ( positive temperature coefficient )；
12
② 电阻随温度的升高而减小 的 热敏电阻
称为 负温度系数热敏电阻,简称 NTC热敏电
阻 ( negative temperature coefficient )；
③ 电阻在某特定温度范围内急剧变化的
热敏电阻，简称为 CTR临界温度热敏电阻 (
critical temperature resistor )。
13
⑵ 陶瓷热敏电阻材料
① BaTiO3 PTC陶瓷
BaTiO3陶瓷是否具有 PTC效应,完全由
其 晶粒和晶界的电性能 所决定。
14
纯 BaTiO3具有 较宽的禁带, 常温下电子
激发很少,其 室温下的电阻率 为 1012??cm，
已接近绝缘体，不具有 PTC电阻特性。
15
将 BaTiO3的电阻率降到 104??cm以下，
使其 成为半导体的过程 称为 半导化 。
即在其禁带中引入一些 浅的附加能级
：施主能级或受主能级。
16
通常情况下,施主能级 多数是 靠近导带
底的 ；而 受主能级 多数是 靠近价带顶的 。
施主能级 或 受主能级 的 电离能 一般比较
小，因此，在室温下就可 受到热激发 产生 导
电载流子,从而形成半导体。
17
形成 附加能级 主要通过两种途径,化
学计量比偏离 和 掺杂,使得 晶粒 具有 优良
的导电性,而 晶界 具有 高的势垒层,形成
绝缘体。
18
BaTiO3的 化学计量比偏离 半导化 采用
在 真空, 惰性气体或还原性气体 中加热
BaTiO3。
由于 失氧, BaTiO3内产生 氧缺位, 为
了 保持电中性, 部分 Ti4+将俘获电子成为
Ti3+。 在强制还原以后, 需要 在氧化气氛下
重新热处理, 才能得到较好的 PTC特性,
电阻率为 1--103??cm。
19
采用 掺杂 使 BaTiO3半导化的方法之一是
施主掺杂法,该法也称 原子价控制法 。
如果用离子半径与 Ba2+相近的三价离子 (
如 La3+,Ce3+,Nd3+,Ga3+,Sm3+,Dy3+、
Y3+,Bi3+,Sb3+等 )臵换 Ba2+,或者用离子半径
与 Ti4+相近的五价离子 (如 Ta5+,Nb5+,Sb5+等 )
臵换 Ti4+,采用 普通陶瓷工艺,即能获得电阻
率为 103--105??cm的 n型 BaTiO3半导体。
20
五价离子 掺杂浓度 对 BaTiO3的电阻率
影响很大。
一般情况下，电阻率 随掺杂浓度的增加
而降低, 达到某一浓度时,电阻率降至最低
值,继续增加浓度,电阻率则迅速提高，甚
至变成绝缘体。
21
BaTiO3的电阻率降至最低点的 掺杂
浓度 (质量分数 )为,Nd 0.05％,Ce,La、
Nb 0.2％ ~0.3％,Y 0.35％
22
采用 掺杂 使 BaTiO3半导化 的方法之二
是 AST 掺杂法, 以 SiO2 或 AST
( 1/3A12O3 ·3/4SiO2·1/4TiO2 )对 BaTiO3进
行掺杂, AST加入量 3％ (摩尔分数 )于 1260
--1380℃ 烧成后, 电阻率为 40--100??cm。
23
典型的 PTC热敏电阻的配方 如下：
主成分, ( Ba0.93Pb0.03Ca0.04 )TiO3 +
0.0011Nb2O5 + 0.01TiO2(先预烧 )；
辅助成分 摩尔分数,Sb2O3 0.06％，
MnO2 0.04％,SiO2 0.5％,A12O3 0.167％，
Li2CO3 0.1％。
24
② NTC电阻材料
一般陶瓷材料都有 负的电阻温度系数,但
温度系数的 绝对值小, 稳定性差,不能应用
于 高温和低温 场合。
NTC热敏电阻材料 是用 特定组分合成,
其电阻率随温度升高按指数关系减小 的一类
材料，分 低温型、中温型和高温型 三大类。
25
NTC热敏电阻材料 绝大多数是具有 尖晶
石型结构 的 过渡金属固熔体 。
其中,二元系 主要有,Cu-Mn,Co-Mn
,Ni-Mn等系。
26
其中,最有实用意义的 为 Co-Mn系材料
。它在 20℃ 时的电阻率为 103??cm,主晶相为
立方尖晶石 MnCo2O4。
随着 Mn含量的增大,则形成 MnCo2O4立
方尖晶 和 MnCo2O4四方尖晶 的固溶体，电阻
率逐渐增大。
27
三元系 有,Mn-Co-Ni,Mn-Cu-Ni、
Mn-Cu-Co等 Mn系 和 Cu-Fe-Ni,Cu-Fe-
Co等 非 Mn系 。
在 含 Mn的三元系 中，随着 Mn含量的
增大，电阻率增大。
此外，还有 Cu-Fe-Ni,CO四元系等。
28
工作温度 在 300℃ 以上 的热敏电阻 (NTC)
常称为 高温热敏电阻 。
高温热敏电阻 有广泛的应用前景，尤其
在 汽车空气／燃料比 传感器方面，有很大的
实用价值。
29
其中，主要使用的两种 较典型材料 为：
(1)稀土氧化物材料
Pr,Er,Tb,Nd,Sm等氧化物，加入
适量 其他过渡金属氧化物,在 1600 ~ 1700 ℃
烧结后，可在 300--1500℃ 工作。
30
(2)MgAl2O4--MgCr2O4--LaCrO3[或
(LaSr)CrO3] 三元系材料
该系材料适用于 1000℃ 以下 温区。
31
工作温度在 － 60℃ 以下 的热敏电阻材料
(NTC)称为 低温热敏电阻材料 。
低温热敏电阻材料 以 过渡金属氧化物 为
主，加入 La,Nd,Pd等的氧化物。
主要材料有 Mn-Ni-Fe-Cu,Mn-Cu-Co
,Mn-Ni-Cu等。
32
③ CTR材料
CTR热敏电阻 主要是指 以 VO2为基本成
分 的半导体陶瓷,在 68℃ 附近 电阻值突变
达到 3--4个数量级，具有 很大的负温度系数,
因此称为 巨变温度热敏电阻 或 临界 (温度 )热
敏电阻材料 。
33
这种 巨变温度热敏电阻变化 具有 再现性
和 可逆性,故可作 电气开关 或 温度探测器 。
这一 特定温度 称 临界温度 。
电阻值的急剧变化，通常是 随温度的升
高, 在临界温度附近, 电阻值急剧减小 。
34
V是 易变价元素,它有 5价,4价等多种价
态，因此,V系有多种氧化物，如 V2O5,VO2
,V2O3,VO等。
这些氧化物各有 不同的临界温度 。每种 V
系氧化物与 B,Si,P,Mg,Ca,Sr,Ba,Pb
,La,Ag等氧化物形成 多元系化合物,可上
、下移动其临界温度。
35
⑶ 热敏电阻的应用
热敏电阻在 温度传感器 中的应用最广
，它虽不适于 高精度的测量,但其 价格低
廉,多用于 家用电器、汽车 等。
36
PTC热敏电阻 有两种用途：
一是用于 恒温电热器, PTC热敏电阻通过
自身发热而工作，达到设定温度后，便自动恒
温，因此不需另加控制电路，如用于 电热驱蚊
器, 恒温电熨斗, 暖风机, 电暖器 等。
37
二是用作 限流元件,如 彩电消磁器,
节能灯用 电子镇流器, 程控电话保安器,
冰箱电机启动器 等。
38
4,气敏陶瓷
在现代社会，人们 在生活和工作中 使用
和接触的 气体 越来越多，其中某些 易燃、易
爆、有毒气体 及其 混合物 一旦泄露到大气中
，会造成 大气污染,甚至引起 爆炸和火灾 。
39
气敏陶瓷 是一种 对气体敏感的 陶瓷材
料,陶瓷气敏元件 (或称 陶瓷气敏传感器 )由
于其具有 灵敏度高, 性能稳定, 结构简单
,体积小, 价格低廉, 使用方便 等优点，
得到迅速发展。
40
⑴ 气敏陶瓷的分类及结构
气敏陶瓷大致可分为 半导体式, 固
体电解质式 及 接触燃烧式 三种：
41
①半导体式气敏陶瓷
按照 主要原料成分 来分类，如 SnO2型、
ZnO型,?-Fe2O3型,?-Fe2O3型、钙钛矿化合
物型,TiO2型等。
42
②固体电解质
是一类介于 固体和液体之间 的奇特固体
材料，其 主要特征 是它的 离子具有类似于液
体电解质的快速迁移特性,如 ZrO2氧敏陶瓷
,K2SO4,Na2SO4等碱金属硫酸盐等。
43
③接触燃烧式气敏陶瓷元件系
用 铂金丝 作母线，表面用 陶瓷涂层,
触媒材料, 防晶粒生长材料 以及 防触媒中
毒材料 等涂层所制成。
44
⑵ 气敏陶瓷的性能
半导体表面 吸附气体分子时,半导体的
电导率 将随 半导体类型 和 气体分子种类 的
不同而变化。
45
吸附气体一般分为物理吸附和化学吸附
两大类。被吸附的气体一般也可分为两类。
具有 阴离子吸附性质的气体 称为 氧化性 (
或电子受容性 )气体,如 O2,NOx等。
具有 阳离子吸附性质的气体 称为 还原性 (
或电子供出性 )气体,如 H2,CO,乙醇等。
46
⑶ 典型的气敏半导体陶瓷
① SnO2系气敏陶瓷
② ZnO系气敏陶瓷
③ Fe2O3系气敏陶瓷
47
① SnO2系气敏陶瓷
SnO2系气敏陶瓷是 最常用的气敏半导体
陶瓷, 是 以 SnO2为基材, 加入催化剂, 黏结
剂等, 按照 常规的陶瓷工艺方法 制成的 。
48
SnO2气敏陶瓷 以 超细 SnO2粉料 为基
本原料,粉料越细, 比表面积越大,对
被测气体越敏感 。
49
制造 高分散的 SnO2超细粉料 的方法有
锡酸盐分解法, 金属锡燃烧法, 等离子体
反应法 及 化学共沉淀物热分解法 等。
50
用 SnCl4或 SnCl2制备 SnO2,这两种方
法最后均需煅烧，其 煅烧条件 对于 SnO2粉
料的 晶粒大小, 比表面积大小 影响很大。
51
二氧化锡气敏陶瓷 所用 添加剂 多为 半
导体添加剂,它们有不同的作用，主要是
Sb2O3,V2O5,MgO,PbO,CaO等。
52
SnO2系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点：
① 灵敏度高,出现 最高灵敏度的温度较低,
约在 300℃ ；
② 元件阻值变化与气体浓度成指数关系,在
低浓度范围，这种变化十分明显，非常适用
于 对低浓度气体的检测 ；
53
③ 对气体的检测是可逆的,而且 吸附
、解吸时间短 ；
④ 气体检测不需复杂设备,待测气体
可通过 气敏元件电阻值的变化 直接转化为
信号，且阻值变化大，可用 简单电路 实现
自动测量；
54
⑤ 物理化学稳定性好, 耐腐蚀, 寿命长 ；
⑥ 结构简单, 成本低, 可靠性高, 耐振动
和 抗冲击性能好 。
55
SnO2系气敏陶瓷的应用：
利用 SnO2烧结体 吸附还原气体时 电阻
减少的特性 来检测还原气体,已广泛应用于
家用 石油液化气的漏气报警,生产用 探测报
警器 和 自动排风扇 等。
56
SnO2系气敏元件 对 酒精和 CO特别敏
感，广泛用于 CO报警 和 工作环境的空气
监测 等。
57
已进入 实用的 SnO2系气敏元件 对于
可燃性气体,例如 H2,CO,甲烷、丙烷
、乙醇、酮或芳香族气体等，具有 同样
程度的灵敏度,因而 SnO2气敏元件 对不
同气体的选择性就较差 。
58
② ZnO系气敏陶瓷
氧化锌系气敏陶瓷元件最突出的优点
是 气体选择性强,一般加入适量的 贵金属
催化剂 来 提高陶瓷元件的灵敏度 。
59
氧化锌气敏元件 对异丁烷、丙烷、乙
烷等 碳氢化合物 有较高灵敏度,碳氢化合
物中 碳元素数目越大灵敏度越高 。
60
掺 Pd的 氧化锌气敏陶瓷元件 对 H2,CO
灵敏度 较高，对 碳氢化合物灵敏度 较差。
掺 Ag的 氧化锌气敏陶瓷元件 对 乙醇、
苯和煤气 较灵敏，且成本也较低。
61
氧化锌气敏陶瓷元件 的结构与二氧化锡
的不同，可以把它做成 双层,将 半导体元件
与催化物 分离，这样可以 更换催化剂 来 提高
元件的气体选择性,其缺点是 元件的使用工
作温度较高 。
62
③ Fe2O3系气敏陶瓷
常见的铁的氧化物有 三种基本形式,
FeO,Fe2O3和 Fe3O4；
63
其中,Fe2O3有 两种陶瓷制品, ?－ Fe2O3
和 ?－ Fe2O3均被发现具有 气敏特性 。
?－ Fe2O3具有 刚玉型晶体 结构。从 热稳
定性 来看 ?－ Fe2O3较优，但从 灵敏度 而言则
比 ?－ Fe2O3差。
64
Fe2O3系气敏陶瓷 最大的特点 是 不用贵
金属做催化剂 也能得到 较高的催化性, 高
温下热稳定性好 。
?－ Fe2O3对 丙烷气体 较灵敏，但对 甲烷
就不灵敏。
65
?－ Fe2O3的 化学稳定性 好，对 甲烷乃至
异丁烷 都非常灵敏，对 水蒸气和乙醇 等却不
灵敏。
?－ Fe2O3作 家庭用可燃气体报警器 非常
合适。因它对 水蒸气和乙醇 等不灵敏，故不
会因 水蒸气及酒精的存在 而误报。
66
5,湿敏半导体陶瓷
湿度,通常是指 空气中水蒸气的含量 。
湿度与人类的日常生活和生产活动有着
十分密切的关系，因此需要随时监测空气湿
度。
新型湿度传感器 可将 湿度的变化 以 电信
号形式 输出，易于实现 远距离监测,记录和
反馈的自动控制。
67
⑴ 湿敏半导体陶瓷的分类
以湿敏材料制造的 湿敏元件 配以 适
当的电路 即成为 湿度传感器 。
根据湿敏材料的 性能 及其 使用功能
可分为以下四类：
68
① 无机盐系,如 LiCl电解质型。
② 有机高分子系,有电解质型 (离子
交换树脂 )、膨润型、电容型。
③ 半导体陶瓷系,有电容型、电阻
型、阻抗型。
④ 半导体型,如半导体硅材料。
其中，最常用的为 半导体陶瓷系 湿
敏电阻型。
69
⑵ 湿敏陶瓷制造工艺及其特性
湿敏陶瓷材料 种类 繁多,化学组成 复
杂。
按 工艺过程 可将 湿敏半导体陶瓷 分为
瓷粉膜型, 烧结型 和 厚膜型 。
70
① MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷
MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷是 典型的高温烧
结型 多孔湿敏陶瓷 结构, 气孔率高 达 30％ --40
％, 具有 良好的透湿性能 。
MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷的 制造工艺 可采
用 传统陶瓷的制造方法, 但原料必须采用化学
纯或分析纯级 。
71
MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷的制造工艺
流程如下：
MgO,Cr2O3,TiO2 → 称量 → 球磨
→ 干燥 → 造粒 → 干压
烧结 → 切片 → 电极 → 引线 → 装配
→ 测试
72
MgCr2O4-TiO2系 多孔陶瓷 具有 很高的
湿度活性, 湿度响应快, 对温度, 时间,
湿度和电负荷的 稳定性高, 是很有应用前
途的 湿敏传感器陶瓷材料, 已用于 微波炉
的自动控制 。
程序控制的微波炉, 根据 处于微波炉
蒸汽排口处的 湿敏传感器 的相对湿度反馈
信息, 调节烹调参数 。
73
此外，目前比较常见的 高温烧结型湿敏
陶瓷 还有 ZnCr2O4为主晶相系 半导体陶瓷,以
及新研究的 羟基磷灰石 [Ca10(PO4)6(OH)2] 湿
敏陶瓷 。
74
陶
瓷
湿
度
传
感
器
结
构
75
② Si-Na2O-V2O5系湿敏陶瓷
Si-Na2O-V2O5系湿敏陶瓷是 典型的低温
烧结型湿敏陶瓷, 其主晶相是具有半导性
的硅粉 。
烧结温度较低 (一般低于 900℃ ),烧结
时 固相反应不完全, 烧结后收缩率很小 。
其阻值为 102--107?,随相对湿度 以指数规
律 变化, 测量范围为 (25～ 100)％ RH。
76
Si-Na-V系湿敏陶瓷的 感湿机理 是由于
Na2O和 V2O5吸附水分，使吸湿后硅粉粒间的
电阻值显著降低。
这种元件的 优点 是 温度稳定性较好,可在
100℃ 下工作，阻值范围可调，工作寿命长。
缺点 是 响应速度慢,有 明显湿滞现象,不
能用于 湿度变化不剧烈的场合 。
77
⑶ 湿敏半导体陶瓷的应用
湿敏陶瓷的应用很广泛，主要
应用于 家电, 汽车, 医疗, 工业设
备, 农、林、畜牧业 等领域。
78
6,压敏半导体陶瓷
一般电阻器的电阻值可以认为是一个恒
定值，即流过它的电流与施加电压成线性关
系。
压敏陶瓷是指 电阻值随着外加电压变化
有一显著的非线性变化的半导体陶瓷,用这
种材料制成的电阻称为 压敏电阻器 。
79
制造 压敏陶瓷的材料 有 SiC,ZnO、
BaTiO3,Fe2O3,SnO2,SrTiO3等。
其中 BaTiO3,Fe2O3利用的是 电极与
烧结体界面的非欧姆特性,而 SiC,ZnO、
SrTiO3利用的是 晶界非欧姆特性 。
目前，应用最广、性能最好的是 氧化
锌压敏半导体陶瓷 。
80
⑴ 压敏陶瓷的基本特性
压敏电阻陶瓷具有 非线性伏 -- 安特性, 对
电压变化非常敏感 。
在 某一临界电压 以下, 压敏电阻陶瓷电
阻值非常高, 几乎没有电流；但当 超过这一
临界电压时, 电阻将急剧变化, 并且有电流
通过 。 随着电压的少许增加, 电流会很快增
大 。
压敏电阻陶瓷的这种电流 -电压特性曲线
如图所示 。
81
1.齐钠二极管；
2.SiC压敏电阻；
3.ZnO压敏电阻；
4.线性电阻；
5.ZnO压敏电阻。
压敏电阻的 I-U特性曲线
82
由图可见，压敏电阻陶瓷的 I-U特性
不是一条直线,其电阻值 在一定电流范围
内 呈非线性变化。
因此,压敏电阻 又称 非线性电阻,用
这种陶瓷制造的器件叫 非线性电阻器 。
83
⑵ 氧化锌压敏陶瓷
ZnO系压敏电阻陶瓷是压敏电阻陶瓷中 性
能最优的一种材料 。
成分是 ZnO,并添加 Bi2O3,CoO、
MnO,Cr2O3,Sb2O3,TiO2,SiO2,PbO等
氧化物 经改性烧结 而成。
84
氧化锌压敏电阻的应用
ZnO压敏电阻器的应用很广，可归结
为如下两方面：
①过压保护
②稳定电压
85
①过压保护
各种大型整流设备、大型电磁铁、大型
电机、通讯电路、民用设备 在开关时, 会引
起很高的过电压,需要进行保护，以延长使
用寿命。故在电路中接入 压敏电阻 可以抑制
过电压。
此外,压敏电阻 还可作 晶体管保护, 变
压器次级电路的半导体器件的保护 以及 大气
过电压保护 等。
86
②稳定电压
由于 氧化锌压敏电阻 具有 优异的非线性
和短的响应时间，且温度系数小、压敏电压
的稳定度高,故 在稳压方面 得以应用。
压敏电阻器 可用于彩色电视接收机、卫
星地面站 彩色监视器 及电子计算机末端 数字
显示装臵中 稳定显像管阳极高压，以提高图
像质量等。
87
7,光敏半导体陶瓷
光敏陶瓷也称 光敏电阻瓷,属 半导体陶
瓷 。
由于材料的 电特性 不同以及 光子能量
的差异，它 在光的照射下 吸收光能，产生
不同的光电效应,光电导效应 和 光生伏特
效应 。
88
利用 光电导效应 来制造 光敏电阻,可
用于各种 自动控制系统 ；
利用 光生伏特效应 则可制造 光电池 或
称太阳能电池，为人类提供了新能源。
89
⑴ 光电导效应
当光线照射到半导体时,在光子作
用下 产生的 光生载流子 使电导增加的现
象，称为 光电导效应 。
90
⑵ 光生伏特效应
当光线照射到 半导体的 p-n结 上时,如果光子能
量足够大, h?≥Eg,就 在 p-n结附近 激发出 电子 --空
穴对 。
在自建电场的作用下,n区的 光生空穴 被拉向 p
区,p区的 光生电子 被拉向 n区，结果 n区积累了负
电荷,p区积累了正电荷，产生 光生电动势 。
若 将外电路接通,就有电流由 p区流经外电路
至 n区，这种效应称为 光生伏特效应 。
91
光电二极管, 太阳能电池 和 光电晶体管 就是利
用 光生伏特效应 制成的 光电转换元件 。
通常 不同的材料 具有不同的 光敏光区,并 在某
一波长 有最大的灵敏度。
在 可见光区 (0.4~0.76?m) 最适用的光敏材料 为
CdS和 CdSe； 而在 近红外区 (0.76~3?m) 最适用的
光敏材料为 PbS。
目前，常用于制造光敏电阻的光敏材料有 CdS
,CdSe和 PbS。
92
（ 3） 光敏电阻瓷的应用
太阳能电池 是利用 光生伏特效应 将太阳能
转换为电能的器件。
虽然能量 h?≥Eg的光子均可产生激发，
但只有能量相当于 Eg的部分才能转变为电能
。光子吸收材料的禁带在 Eg≈0.9eV附近时，
光子激发利用率最高。
93
太阳能电池的转换率 不仅受 光子激发利
用率 的限制，还受其他因素的影响。
一般太阳能电池目前的转换率大都在 10
％以下。
94
综合考虑 影响转换效率的因素, 光子
吸收材料的禁带宽度 在 1.0～ 1.6eV较合适，
因此,Si,Cu2S,GaAs,CdTe等均可用作
太阳能电池材料。
Cu2S,CdTe常用作 陶瓷太阳能电池 的
光子吸收材料,制成 Cu2S--CdS电池与
CdTe--CdS电池。
