半导体陶瓷电容器
(1)表面层陶瓷电容器 电容器的微小型化,即电容器在尽可能小的体积内获得尽可能大的容量,这是电容器发展的趋向之一。对于分离电容器组件来说,微小型化的基本途径有两个:①使介质材料的介电常数尽可能提高;②使介质层的厚度尽可能减薄。在陶瓷材料中,铁电陶瓷的介电常数很高,但是用铁电陶瓷制造普通铁电陶瓷电容器时,陶瓷介质很难做得很薄。首先是由于铁电陶瓷的强度低,较薄时容易碎裂,难于进行实际生产操作,其次,陶瓷介质很薄时易于造成各种各样的组织缺陷,生产工艺难度很大。
表面层陶瓷电容器是用BaTiO3等半导体陶瓷的表面上形成的很薄的绝缘层作为介质层,而半导体陶瓷本身可视为电介质的串联回路。表面层陶瓷电容器的绝缘性表面层厚度,视形成方式和条件不同,波动于0.01~100μm之间。这样既利用了铁电陶瓷的很高的介电常数,又有效地减薄了介质层厚度,是制备微小型陶瓷电容器一个行之有效的方案。 [1]
右图(a)为表面屡陶瓷电容器的一般结构,(b)为其等效电路。在半导体陶瓷表面形表面层陶瓷电容器的结构及其等效电路成表面介质层的方法很多,这里仅作简单介绍。在BaTiO3导体陶瓷的两个平行平面上烧渗银电极,银电极和半导体陶瓷的接触介面就会形成极薄的阻挡层。由于Ag是一种电子逸出功较大的金属,所以在电场作用下,BaTiO3导体陶瓷与Ag电极的接触介面上就会出现缺乏电子的阻挡层,而阻挡层本身存在着空间电荷极化,即介面极化。这样半导体陶瓷与Ag电极之间的这种阻挡层就构成了实际上的介质层。
这种电容器瓷件,先在大气气氛中烧成,然后在还原气氛中强制还原半导化,再在氧化气氛中把表面层重新氧化成绝缘性的介质层。再氧化层的厚度应控制适当。若氧化膜太薄,电极和陶瓷间仍可呈现pn结的整流特性,绝缘电阻和耐电强度都得不到改善。随着厚度的逐渐增加,pn结的整流特性消失,绝缘电阻提高,对直流偏压的依存性降低。但是,再氧化的时间不宜过长,否则可能导致陶瓷内部重新再氧化而使电容器的容量降低。还原处理的温度为800~1200℃,再氧化处理的温度为500~900℃。经还原处理后的陶瓷材料,绝缘电阻率可降至10~103Ω·cm,表面层的电阻率低于内部瓷体的电阻率;薄瓷片的电阻率,一般比处理条件相同的较厚瓷体的电阻率低一些。由于再氧化处理形成的表面绝缘性介质层的厚度比较薄,所以尽管其介电常数不一定很高,但是经还原再氧化处理后,该表面层半导体陶瓷电容器的单位面积容量仍可达0.05~0.06μF/cm2。
(2)晶界层陶瓷电容器 晶粒发育比较充分的BaTiO3半导体陶瓷的表面上,涂覆适当的金属氧化物(例如CuO或Cu2O、MnO2、Bi2O3、Tl2O3等),在适当温度下,于氧化条件下进行热处理,涂覆的氧化物将与BaTiO3形成低共溶液相,沿开口气孔和晶界迅速扩散渗透到陶瓷内部,在晶界上形成一层薄薄的固溶体绝缘层。这种薄薄的固溶体绝缘层的电阻率很高(可达1012~1013Ω·cm),尽管陶瓷的晶粒内部仍为半导体,但是整个陶瓷体表现为显介电常数高达2×104到8×104的绝缘体介质。用这种瓷制备的电容器称为晶界层陶瓷电容器(boundarg layer ceramic capacitor),简称BL电容器。 [1]
高压陶瓷电容器
(一)概述
随着电子工业的高速发展,迫切要求开发击穿电压高、损耗小、体积小、可靠性高的高压陶瓷电容器。近20多年来,国内外研制成功的高压陶瓷电容器已经广泛应用于电力系统、激光电源、磁带录像机、彩电、电子显微镜、复印机、办公自动化设备、宇航、导弹、航海等方面。
高压陶瓷电容器的瓷料主要有钛酸钡基和钛酸锶基两大类。
钛酸钡基陶瓷材料具有介电系数高、交流耐压特性较好的优点,但也有电容变化率随介质温度升高、绝缘电阻下降等缺点。
钛酸锶晶体的居里温度为-250℃,在常温下为立方晶系钙钛矿结构,是顺电体,不存在自发极化现象,在高电压下钛酸锶基陶瓷材料的介电系数变化小,tgδ及电容变化率小,这些优点使其作为高压电容器介质是十分有利的。
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