[发明专利]一种钛酸锶系半导体陶瓷组合物及所制造的电容器

说明书

本发明涉及半导体陶瓷电容器用的半导体陶瓷组合物，更详细地说，涉及适用于边界层型半导体陶瓷电容器的SrTiO₃-Y₂O₃-Nb₂O₅系统半导体陶瓷组合物和这类电容器。

作为无源电子电路元件的半导体陶瓷电容器通常分为表面层型和边界层型两类。表面层型半导体陶瓷电容器包括还原和再氧化型半导体陶瓷电容器和阻挡层型半导体陶瓷电容器。

还原和再氧化型半导体陶瓷电容器通常按下列程序制备。令加有半导电性添加剂的BaTiO₃或SrTiO₃系统压坯在大气中燃烧或烧制，以制备介电的陶瓷，然后将其在还原性气氛中进行热处理，以制取半导体陶瓷体。将由此得出的半导体陶瓷体在大气中或氧气氛中进行热处理，使氧通过其表面扩散入陶瓷体中，以弥补氧的缺陷。这样就制成了一种复合式的陶瓷体，陶瓷体的表面层起电介质层（再氧化层）的作用，其内部起半导体的作用。然后在复合式陶瓷体两表面配上电极，就制成一个大容量的小型半导体陶瓷电容器。这种电容器的静电电容取决于其表面层的厚度，增加厚度可以提高额定电压值。

现在谈谈阻挡层型半导体电容器的制备过程。

令一般由BaTiO₃系统原料制成含半导电性添加剂的压坯在大气中燃烧，再用汽相淀积法在烧过的压坯表面形成铜等金属膜。往金属膜上加一个银之类的材料（其氧化物易于形成P型半导体）制成的电极，然后在大气中进行热处理，使电极表面形成约0.3至3微米厚的阻挡层。这样就得出一种阻挡层型半导体陶瓷电容器。这种电容器表面形成其上配有外电极的阻挡层绝缘体，其内部形成半导体。这类电容器尽管因阻挡层极薄而介电强度下降，但由于静电电容大，因而还是适合作为低电压大电容的电容器。

边界层型半导体陶瓷电容器一般按下列工序制造。

令含半导电性添加剂的BaTiO₃或SrTiO₃系统的压坯在还原气氛中燃烧以制备半导体陶瓷体。然后在陶瓷体表面敷上BiO₂之类的金属氧化物，将其在大气中进行热处理。这样就使金属离子渗透入陶瓷体内部，在陶瓷体的晶界形成含金属离子的绝缘层。陶瓷的各晶粒内部形成掺有导电性添加剂的原子价受控制的半导体。这样陶瓷体中各晶粒边界层内部就变为绝缘层，围绕在原子价受控制的半导体周围。将如此形成的绝缘晶粒边界层在各方向上连接在一起呈矩阵形，以制取海绵状电介体。然后将各电极烘干成边界层型半导体陶瓷电容器。

上述半导体陶瓷电容器体积小，电容大，但电压特性、介质损耗和频率特性都差，因而只能作旁路用。然而，制造技术的进展足以提高这些特性，由此制造出以SrTiO₃系统材料为基本原料的半导体陶瓷电容器，这种电容器可广泛用于各种用途，从耦合、信号电路和脉冲电路，直到半导体噪音的防止。

但尽管取得了如此的进展，半导体陶瓷电容器在电气特性方面终究还是差些，如下面表一所示，下面即将谈到。更详细地说，还原再氧化型电容器与边界层型电容器相比，绝缘电阻降低了，介质损耗增加了。同样，阻挡层型电容器有这样的缺点：介质击穿电压降低到60到80伏的水平，绝缘电阻下降，介质损耗增加。原子价受控型电容器也具有这些缺点。

这类表面层型半导体陶瓷电容器的基本原料都是SrTiO₃系统，因而陶瓷体厚，从而使电容器达不到Cs≥5毫微法/平方毫米的大电容。

边界层型半导体陶瓷电容器的基本原料是与BaTiO₃不同的SrTiO₃系统，因而与表面层型半导体陶瓷电容器比较，绝缘电阻提高了，介质损耗下降了。但这种电容器的电容低到3.0毫微法/平方毫米的水平，达不到Cs≥5毫微法/平方毫米的高水平。

在表面层型半导体陶瓷电容器中，电容C并不与其厚度成反比，因此介电常数ε_S可按下列方程求出：

Cs（毫微法/平方毫米）＝8.85×10^-6ε_s/t……（1）

Vb（伏）＝Eb·t……（2）

于是ε_s·Eb（伏/毫米）＝1.13×10⁵Cs·Vb

表一中的ε_S·Eb乘积即按上式求出。