Cerámica semiconductora Son una clase de materiales cerámicos funcionales con propiedades eléctricas únicas. Su conductividad se encuentra entre la de los conductores y la de los aislantes, y puede ajustarse mediante control de composición, dopaje o métodos de procesamiento para exhibir características semiconductoras.
Mecanismo semiconductor:
Los portadores de carga libres (electrones o huecos) se introducen mediante dopaje (por ejemplo, añadiendo elementos con diferentes estados de valencia a los óxidos metálicos) o ingeniería de defectos (como la creación de vacantes de oxígeno).
Conductividad no lineal: Por ejemplo, las cerámicas de varistores (como ZnO) muestran una caída repentina en la resistencia a un voltaje crítico, lo que sirve como protección contra sobretensión.
Sensibilidad a la temperatura: Las cerámicas de coeficiente de temperatura positivo (PTC) (como los materiales basados en BaTiO₃) muestran un marcado aumento en la resistencia a medida que aumenta la temperatura, lo que permite aplicaciones de calefacción autorreguladas.
La resistencia aumenta bruscamente con la temperatura.
Fusibles autorreiniciables, calentadores de temperatura constante
Cerámica de termistor NTC
Sistema Mn–Co–Ni–O
La resistencia disminuye con la temperatura
Sensores de temperatura, compensación de circuito
Cerámica sensible al gas
SnO₂, ZnO
La resistencia varía con la concentración de gas.
Detección de gases combustibles, monitoreo ambiental
Cerámica fotosensible
CdS, CdSe
efecto fotoconductor
Interruptores controlados por luz, células solares
2. Proceso de preparación
Procesamiento de materia prima: Los polvos de óxido de alta pureza (por ejemplo, ZnO, BaTiO₃) se mezclan con dopantes como Bi₂O₃ o Sb₂O₃.
Técnicas de formación: Para dar forma a los materiales (por ejemplo, discos, estructuras multicapa) se utilizan prensado en seco, fundición en cinta o moldeo por inyección.
Control de sinterización: La sinterización a alta temperatura se realiza en atmósferas específicas (por ejemplo, nitrógeno o gas reductor) para controlar el crecimiento del grano y las propiedades de los límites del grano.
Fabricación de electrodos: Se aplican electrodos de plata o aluminio para garantizar un buen contacto eléctrico.
3. Parámetros clave de rendimiento
Voltaje del varistor (V/mm): El umbral de voltaje por unidad de espesor en el que se produce conducción no lineal.
Coeficiente no lineal (α): Una medida de la pendiente de la curva corriente-voltaje (α = 1 / (log(V/I))).
Temperatura de Curie (para materiales PTC): El punto de temperatura crítico donde se produce un cambio brusco en la resistencia.
Tiempo de respuesta (para cerámicas sensibles al gas o fotosensibles): La velocidad a la que el material responde a los cambios en la concentración de gas o en la intensidad de la luz.
4. Ventajas y desventajas
Ventajas:
Resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión, adecuado para entornos hostiles.
Excelente estabilidad y larga vida útil.
Multifuncionalidad (varistor, termistor, sensor de gas, etc.).
Desventajas:
Proceso de fabricación complejo; lograr un dopaje uniforme es un desafío.
Pérdida dieléctrica relativamente alta en aplicaciones de alta frecuencia.
En resumen, Las cerámicas semiconductoras, con sus características distintivas de respuesta eléctrica, siguen desempeñando un papel importante en la electrónica, la energía y la monitorización ambiental. Gracias a los continuos avances en el diseño de materiales y las tecnologías de fabricación, se espera que su ámbito de aplicación se amplíe aún más en el futuro.
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