氧化鋅系氣敏陶瓷氣敏陶瓷的原理

半導(dǎo)體氣敏陶瓷的導(dǎo)電機(jī)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(dāng)SnO2、ZnO等N型半導(dǎo)體陶瓷表面吸附還原性氣體時，氣體將電子給予半導(dǎo)體，并以正電荷與半導(dǎo)體相吸，而進(jìn)入N型半導(dǎo)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(fù)合率降低，增大電子形成電流的能力 ，使陶瓷電阻值下降；當(dāng)N型半導(dǎo)體陶瓷表面吸附氧化性氣體時，氣體將其空穴給予半導(dǎo)體，并以負(fù)離子形式與半導(dǎo)體相吸， 而進(jìn)入N型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴使半導(dǎo)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(dǎo)體能帶模型，在多晶界面存在勢壘，當(dāng)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(dǎo)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(diǎn)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(qiáng)。ZrO₂系氧氣敏感陶瓷是一種固體電解質(zhì)陶瓷的快離子導(dǎo)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(dǎo)電 。

摻Pt的ZnO對異丁烷、丙烷、乙烷等碳化氫氣體有高靈敏度，碳化氫中碳元素的數(shù)目越大，靈敏度越高。對于這些氣體，從濃度為4000ppm開始.其深度與靈敏度接近于線性關(guān)系，這對提高元件對氣體濃度的分辨力是利的，而它對氫、一氧化碳、甲烷、煙霧等靈敏度則比較低。摻Pd的ZnO恰好相反，對氫和一氧化碳的靈敏度高而對碳化氫氣體的靈敏度卻較差，其靈敏度與依度關(guān)系接近于線性的區(qū)城也是自4000ppm開始。

主要特點(diǎn)是靈敏度與催化劑的種類有關(guān)，從而提供了用摻雜來獲得對不同氣體選擇性的可能性 。

從應(yīng)用的廣泛性來看,其重要性僅次于SnO₂，最高靈敏度的T溫度約為450℃。

氧化鋅系氣敏陶瓷是指具有氣敏效應(yīng)的氧化鋅系半導(dǎo)體陶瓷 。

(1)積極開展有關(guān)氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料基礎(chǔ)理論的研究。必須進(jìn)一步深入地開展對上述各項(xiàng)的研究，才能從新的理論基礎(chǔ)上探討解決氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料各種性能問題。

(2)提高材料的性能，積極尋找新材料。氧化錫系、氧化鋅系，氧化鐵系等氣敏半導(dǎo)體陶瓷材料已實(shí)用化，但性能還有待進(jìn)一步提高。

(3)積極開展多功能化、微型化、集成化氣敏半導(dǎo)體陶瓷元件的研制開發(fā)。今后氣敏半導(dǎo)體陶瓷元件的發(fā)展方向?qū)⑹嵌?，小、輕、薄型化 。

氧化鎳系氣敏陶瓷是指具有氣敏效應(yīng)的氧化鎳系半導(dǎo)體陶瓷。為p型半導(dǎo)體，在氧分壓增加時，電導(dǎo)率下降。用它來測量氧分壓的變化時比使用n型半導(dǎo)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(jī)的空燃比等場合下使用。為了迅速達(dá)到熱平衡，需要在1000℃以上高溫使用 。

半導(dǎo)體氣敏陶瓷的導(dǎo)電機(jī)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(dāng)SnO₂、ZnO等N型半導(dǎo)體陶瓷表面吸附還原性氣體時，氣體將電子給予半導(dǎo)體，并以正電荷與半導(dǎo)體相吸，而進(jìn)入N型半導(dǎo)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(fù)合率降低，增大電子形成電流的能力 ，使陶瓷電阻值下降；當(dāng)N型半導(dǎo)體陶瓷表面吸附氧化性氣體時，氣體將其空穴給予半導(dǎo)體，并以負(fù)離子形式與半導(dǎo)體相吸， 而進(jìn)入N型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴使半導(dǎo)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(dǎo)體能帶模型，在多晶界面存在勢壘，當(dāng)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(dǎo)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(diǎn)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(qiáng)。ZrO₂系氧氣敏感陶瓷是一種固體電解質(zhì)陶瓷的快離子導(dǎo)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(dǎo)電 。

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(dǎo)電率的變化而設(shè)計(jì)。具體吸附原理為:當(dāng)吸附還原性氣體時，此還原性氣體就把其電子給予半導(dǎo)體，而以正電荷與半導(dǎo)體相吸附著。進(jìn)入到n型半導(dǎo)體內(nèi)的電子，束縛少數(shù)載流子空穴，使空穴與電子的復(fù)合率降低。這實(shí)際上是加強(qiáng)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(dǎo)體元件吸附氧化性氣體，氣體將以負(fù)離子形式吸附著，而將其空穴給予半導(dǎo)體，結(jié)果是使導(dǎo)電電子數(shù)目減少，而使元件電阻值增加。

濕敏陶瓷是當(dāng)氣敏陶瓷界處吸附水分子時，由于水分子是一種強(qiáng)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(qiáng)的正電場，使得表面吸附的水分子可能從半導(dǎo)體表面吸附的O^2-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(dǎo)致晶粒表面電阻和整個元件的電阻變化 。