BaTiO3半導瓷PTC效應的基本原理

    1.1.1 BaTiO3半導瓷的PTC效應
    BaTiO3陶瓷是一種典型的鐵電材料。常溫下其電阻率大于1012Ω.cm,相對介電常數可高達104， 是一種優良的陶瓷電容器材料。在這種陶瓷材料中引入微量稀土元素，如La、Nb...等，可使其電阻率下降到10Ω.cm以下，成為良好的半導體陶瓷材料。這種材料具有很大的正電阻溫度系數，在居里溫度以上幾十度的溫度范圍內， 其電阻率可增大4~10個數量級，即產生所謂PTC效應。見圖1.1.1，具有該性質的材料通常稱為PTC材料。

 圖1.1.1 BaTiO3半導瓷的電阻—溫度特性曲線

    BaTiO3半導瓷的這種PTC效應，是一種晶界效應，即只有多晶BaTiO3陶瓷材料才具有這種特性，而且只有在施主摻雜的情況下，材料才呈現PTC效應。利用雙探針測微器可以直接觀察晶粒和晶界的電阻—溫度特性，從而證實了上述理論。見圖1.1.2

                              

                                   1-單個晶界；2-單個晶粒；3-PTC陶瓷
                                    圖1.1.2 單個晶粒和晶界阻-溫特性

    PTC效應與晶格結構、組分、雜質濃度和種類及制備工藝等因素有關，在材料制備過程中必須嚴格控制工藝條件，此外在元器件的使用過程中也須注意使用條件，以便達到物盡其用的目的。

    1.1.2 PTC效應的原理
     對于BaTiO3半導瓷的這種PTC效應，有多種理論模型予以解釋，較為成熟并為多數研究者承認的有海望Heywang提出的表面勢壘模型和丹尼爾斯Daniels等人提出的鋇缺位模型。
    簡略的講，海望模型把產生PTC效應的原因歸結為在多晶BaTiO3半導體材料的晶粒邊界，存在一個由受主表面態引起的勢壘層，材料的電阻率是由晶粒體電阻和晶粒表面態勢壘兩部分組成，隨著溫度的上升， 材料的電阻率將出現幾個數量級的變化。
    利用海望模型可以解釋許多與PTC效應有關的試驗現象，許多年來一直被認為是該領域內具有權威性的理論，但仍有許多實驗現象無法解釋。丹尼爾斯等人利用缺陷化學理論在研究了BaTiO3半導體缺陷模型的基礎上， 提出了晶界及表面鋇缺位高阻層模型。