Céramiques semi-conductrices Les semi-conducteurs sont une classe de matériaux céramiques fonctionnels aux propriétés électriques uniques. Leur conductivité se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants et peut être ajustée par le contrôle de la composition, le dopage ou les méthodes de traitement pour présenter des caractéristiques de semi-conducteurs.
Mécanisme semi-conducteur :
Les porteurs de charge libres (électrons ou trous) sont introduits par dopage (par exemple, en ajoutant des éléments avec différents états de valence dans les oxydes métalliques) ou par ingénierie des défauts (comme la création de lacunes d'oxygène).
Conductivité non linéaire : Par exemple, les céramiques varistances (telles que le ZnO) présentent une chute brutale de résistance à une tension critique, servant de protection contre les surtensions.
Sensibilité à la température : Les céramiques à coefficient de température positif (CTP) (telles que les matériaux à base de BaTiO₃) présentent une forte augmentation de la résistance avec l'élévation de la température, permettant des applications de chauffage autorégulées.
La résistance augmente fortement avec la température
Fusibles à réarmement automatique, résistances chauffantes à température constante
Thermistance NTC en céramique
Système Mn–Co–Ni–O
La résistance diminue avec la température
Capteurs de température, compensation de circuit
Céramiques sensibles aux gaz
SnO₂, ZnO
La résistance varie en fonction de la concentration du gaz.
Détection des gaz combustibles, surveillance environnementale
Céramiques photosensibles
CdS, CdSe
Effet photoconducteur
Interrupteurs commandés par la lumière, cellules solaires
2. Processus de préparation
Traitement des matières premières : Des poudres d'oxyde de haute pureté (par exemple, ZnO, BaTiO₃) sont mélangées avec des dopants tels que Bi₂O₃ ou Sb₂O₃.
Techniques de formage : Le pressage à sec, le coulage sur bande ou le moulage par injection sont utilisés pour façonner les matériaux (par exemple, des disques, des structures multicouches).
Contrôle du frittage : Le frittage à haute température est réalisé dans des atmosphères spécifiques (par exemple, azote ou gaz réducteur) pour contrôler la croissance des grains et les propriétés des joints de grains.
Fabrication des électrodes : Des électrodes en argent ou en aluminium sont utilisées pour assurer un bon contact électrique.
3. Paramètres clés de performance
Tension de la varistance (V/mm) : Le seuil de tension par unité d'épaisseur auquel se produit une conduction non linéaire.
Coefficient non linéaire (α) : Une mesure de la pente de la courbe courant-tension (α = 1 / (log(V/I))).
Température de Curie (pour les matériaux PTC) : Le point de température critique où se produit un changement brutal de résistance.
Temps de réponse (pour les céramiques sensibles aux gaz ou photosensibles) : La vitesse à laquelle le matériau réagit aux variations de concentration de gaz ou d'intensité lumineuse.
4. Avantages et inconvénients
Avantages :
Résistance aux hautes températures et à la corrosion, adaptée aux environnements difficiles.
Excellente stabilité et longue durée de vie.
Multifonctionnalité (varistance, thermistance, capteur de gaz, etc.).
Inconvénients :
Processus de fabrication complexe ; obtenir un dopage uniforme est un défi.
Pertes diélectriques relativement élevées dans les applications à haute fréquence.
En résumé, Les céramiques semi-conductrices, grâce à leurs caractéristiques de réponse électrique uniques, continuent de jouer un rôle important dans l'électronique, l'énergie et la surveillance environnementale. Avec les progrès constants réalisés dans la conception des matériaux et les technologies de fabrication, leur champ d'application devrait encore s'étendre à l'avenir.
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