Halbleiterkeramik Sie bilden eine Klasse funktionaler Keramikwerkstoffe mit einzigartigen elektrischen Eigenschaften. Ihre Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern und Isolatoren und kann durch Zusammensetzungskontrolle, Dotierung oder Verarbeitungsmethoden so eingestellt werden, dass sie Halbleitereigenschaften aufweist.
Halbleitermechanismus:
Freie Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) werden durch Dotierung (z. B. durch Hinzufügen von Elementen mit unterschiedlichen Valenzzuständen zu Metalloxiden) oder Defektmanipulation (z. B. durch Erzeugung von Sauerstoffleerstellen) eingeführt.
Nichtlineare Leitfähigkeit: Beispielsweise zeigen Varistorkeramiken (wie ZnO) bei einer kritischen Spannung einen plötzlichen Abfall des Widerstands und dienen so als Überspannungsschutz.
Temperaturempfindlichkeit: Keramiken mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) (wie z. B. Materialien auf BaTiO₃-Basis) weisen einen starken Anstieg des Widerstands bei steigender Temperatur auf, was selbstregulierende Heizanwendungen ermöglicht.
Der Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab.
Temperatursensoren, Schaltungskompensation
Gasempfindliche Keramik
SnO₂, ZnO
Der Widerstand variiert mit der Gaskonzentration
Detektion brennbarer Gase, Umweltüberwachung
Lichtempfindliche Keramik
CdS, CdSe
Photoleitfähiger Effekt
Lichtgesteuerte Schalter, Solarzellen
2. Vorbereitungsprozess
Rohmaterialverarbeitung: Hochreine Oxidpulver (z. B. ZnO, BaTiO₃) werden mit Dotierstoffen wie Bi₂O₃ oder Sb₂O₃ vermischt.
Formgebungstechniken: Zur Formgebung der Materialien (z. B. Scheiben, mehrschichtige Strukturen) werden Trockenpressen, Bandgießen oder Spritzgießen eingesetzt.
Sinterkontrolle: Das Hochtemperatursintern wird in speziellen Atmosphären (z. B. Stickstoff oder reduzierendem Gas) durchgeführt, um das Kornwachstum und die Eigenschaften der Korngrenzen zu steuern.
Elektrodenherstellung: Um einen guten elektrischen Kontakt zu gewährleisten, werden Silber- oder Aluminiumelektroden verwendet.
3. Wichtigste Leistungskennzahlen
Varistorspannung (V/mm): Die Spannungsschwelle pro Dickeneinheit, bei der nichtlineare Leitfähigkeit auftritt.
Nichtlinearer Koeffizient (α): Ein Maß für die Steilheit der Strom-Spannungs-Kennlinie (α = 1 / (log(V/I))).
Curie-Temperatur (für PTC-Materialien): Der kritische Temperaturpunkt, an dem eine abrupte Änderung des Widerstands auftritt.
Ansprechzeit (für gas- oder lichtempfindliche Keramiken): Die Geschwindigkeit, mit der das Material auf Änderungen der Gaskonzentration oder der Lichtintensität reagiert.
4. Vor- und Nachteile
Vorteile:
Hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, geeignet für raue Umgebungen.
Komplexer Herstellungsprozess; eine gleichmäßige Dotierung zu erreichen, ist eine Herausforderung.
Relativ hohe dielektrische Verluste bei Hochfrequenzanwendungen.
Zusammenfassend, Halbleiterkeramiken spielen aufgrund ihrer besonderen elektrischen Eigenschaften weiterhin eine wichtige Rolle in der Elektronik, der Energietechnik und der Umweltüberwachung. Dank stetiger Fortschritte in der Materialentwicklung und den Fertigungstechnologien wird sich ihr Anwendungsbereich voraussichtlich in Zukunft weiter ausdehnen.
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