[发明专利]半导体陶瓷组合物和使用该组合物的半导体陶瓷元件

说明书

本申请是申请日为1998年10月8日、发明名称为“半导体陶瓷组合物和使用该组合物的半导体陶瓷元件”的发明专利申请CN98120933.5的分案申请。

技术领域

本发明涉及半导体陶瓷组合物，特别是具有负电阻-温度特性的半导体陶瓷组合物。本发明还涉及使用该半导体陶瓷组合物(负温度系数″NTC″热敏电阻)的半导体陶瓷元件。该元件用于例如防止电流骤增和实现电动机的软启动。

背景技术

“热敏电阻”一词来源于“热敏感性电阻”，是指电阻随温度变化的元件。负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)是一种半导体陶瓷元件，其特征是电阻随温度升高而下降。常数B用下式定义，其中ρ(T)是温度为T时的电阻率，ρ(T_o)是温度为T_o时的电阻率，ln是自然对数。

            常数B＝[lnρ(T_o)-lnρ(T)]/(1/T_o-1/T)常数B越大，NTC热敏电阻的每单位温度变化的电阻变化也越大。

NTC热敏电阻包括例如在用于电子器件的电源整流电路中。该电源的整流电路具有大电容的滤波电容器。NTC热敏电阻抑制电源刚接通时强的骤增电流流入电容器中。此后，热敏电阻通过自加热作用而使电阻值变低，因此电路处在稳定的状态下工作。NTC热敏电阻能用来得到电路的软启动，并且用来保护大电容的整流器和电容器。

已经用含过渡金属元素的尖晶石复合氧化物作为NTC热敏电阻的材料。

对于用来防止骤增电流的理想NTC热敏电阻的一个要求是在高温(140-200℃)下热敏电阻的电阻值足够低。随着热敏电阻的阻值下降，在电路于稳定状态下工作时节省了电能。

为了降低热敏电阻在高温下的电阻值，高温下的常数B要增加。常规的NTC热敏电阻的常数B最多为3250K。

另一个要求是热敏电阻在低温下(在-10℃至+60℃的范围内)的电阻值不必非常高。可发现常规NTC热敏电阻的电阻值增加相当大，尤其是在低于0℃的低温下。结果，低温下发生的电压降有时会妨碍电子器件的正常启动。为了防止低温下电阻的增加，要降低低温下的常数B。

据报道，氧化钻镧(lanthanum cobalt oxide)的常数B与温度有关(例如见V.G.Bhide和D.S.Rajoria的Phys.Rev.B6，[3]，1072，1972，等)。

本发明人早就得到了一种NTC热敏电阻，它能满足上述两个要求，即在室温附近常数B为3000K或更小，在高温下常数B为4000K或更大，这可以通过向由氧化钴镧形成的主要组分中混入选自Si、Zr、Hf、Ta、Sn、Sb、W、Mo、Te和Ce的至少一种元素来完成(日本专利申请公开号7-176406)。所得的NTC热敏电阻的电阻率和常数B与添加剂的用量成正比。这是因为添加剂在氧化钴镧中用作施主以补偿氧化物中所含杂质(受主，如Ni、Ca等)的电荷。因此，如果添加剂过量混入，那么电阻率和常数B在室温下会变低。

氧化钴镧的电阻率和常数B在室温(25℃-140℃)下的峰值约为20Ω·cm和约4700K。通常得不到电阻率等于或大于上述值的NTC热敏电阻。

随着NTC热敏电阻的应用，需要电阻率等于或大于上述值的电阻。虽然可以通过增加NTC热敏电阻的容量来得到较高的电阻率，但是增加容量与减小元件的要求是相悖的。根据热敏电阻的类型对其容量进行改进会导致生产成本的增加。

同时，氧化钴镧的烧结能力非常差，它的烧结密度有时不能达到90％或更高的理论密度。迄今为止，常规的烧结助剂(如SiO₂)对其不起作用，因为施主和受主(以非常少量存在)之间的平衡影响了电阻-温度特性。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种半导体陶瓷组合物，它在室温范围内的电阻率高于常规组合物在该范围内的电阻率。

本发明的另一个目的是增强所述组合物的烧结能力。

根据本发明，提供了一种具有负电阻-温度特性的半导体陶瓷组合物，其中该组合物包括氧化钻镧作为主组分，以及选自Fe和Al元素的至少一种氧化物和选自Si、Zr、Hf、Ta、Sn、Sb、W、Mo、Te、Ce、Nb、Mn、Th和P元素的至少一种氧化物作为副组分。