[发明专利]半导体陶瓷及由其制得的电子元件

说明书

本发明涉及半导体陶瓷及由该陶瓷制得的电子元件。更具体地，本发明涉及具有正温度特性的半导体陶瓷及由其制得的电子元件。

传统地，其电阻具有正温度系数(以下称为PTC特性，即当温度超过居里点时电阻急剧增加)的半导体元件被用来保护电路避免电流过载，或是用来使彩色电视机的元件退磁。由于其有利的PTC特性，主要包含钛酸钡的半导体陶瓷被广泛应用于这类半导体电子元件。

但是，要使以钛酸钡为基的陶瓷具有半导体性质，通常必须在1300℃或更高的温度烧结。这样的高温处理有以下缺点：易于损坏烧结所用的炉子；维修炉子的费用高；以及能耗高。因此，希望能有可在较低温度烧结的含钛酸钡的半导体陶瓷。

为了克服上述的缺点，在“通过硼引导的液相烧结制得的半导体钛酸钡陶瓷”一文中揭示了一种改进的工艺(“Semiconducting Barium Titanate CeramicsPrepared by Boron-conducting Liquid-phase Sintering”，In-Chyuan Ho，Communications of the American Ceramic Society，Vol.77，No.3.p829-832，1994).简而言之，在钛酸钡中加入氮化硼可以使陶瓷呈现半导体性质的温度降低。该文献报道，所述的加有氮化硼的陶瓷可在约1100℃的烧结温度变成半导体。

虽然使常规陶瓷呈现半导体性质的温度已经降低，但该温度仍在1000℃以上，所以这样的降低还不能令人满意。

鉴于以上情况，本发明的目的是提供一种半导体陶瓷，该种陶瓷含有钛酸钡，具有良好的PTC特性，而且可在低于1000℃的温度烧结。本发明的另一个目的是提供用所述的半导体陶瓷制得的电子元件。

因此，本发明的第一方面是提供一种半导体陶瓷，它包含半导体性的烧结钛酸钡，这种钛酸钡包含以下物质：氧化硼；选自钡、锶、钙、铅、钇和稀土元素的至少一种金属的氧化物；以及(可任选的)选自钛、锡、锆、铌、钨和锑的至少一种金属的氧化物；所掺入的氧化硼的数量，按硼原子计算，满足以下关系：

0.005≤B/β≤0.50和

1.0≤B/(α-β)≤4.0其中α表示半导体陶瓷中所含钡、锶、钙、铅、钇和稀土元素原子的总数，β表示半导体陶瓷中所含钛、锡、锆、铌、钨和锑原子的总数。

根据本发明的第一方面，该种含有钛酸钡的半导体陶瓷保持了它的PTC特性，而且可在低于1000℃的温度烧结。

本发明的第二方面，是提供一种电子元件，该元件包含本发明第一方面的半导体陶瓷，并有电极形成在半导体陶瓷上。

根据本发明的第二方面，可在低温烧结半导体陶瓷制得电子元件，而不会损害其PTC特性。

参照以下的较佳实施例的详细说明并结合附图，可更好地理解本发明的其它目的、特征以及优点，其中：

图1是由本发明半导体陶瓷制得的电子元件实施例的剖面示意图；

图2是由本发明半导体陶瓷制得的另一个电子元件实施例的剖面示意图；

图3是由本发明半导体陶瓷制得的再一个电子元件实施例的剖面示意图。

在本发明中，除了钛酸钡以外，可以使用其中的钡或钛部分地被其它元素取代的钛酸钡。例如，钛酸钡中的钡可以部分地被锶、钙、铅、钇或稀土元素取代(这些元素将称为钡位元素)。相似地，钛酸钡中的钛可以部分地被锡、锆等取代(这些元素将称为钛位元素)。虽然这些金属原子一般存在于BaTiO₃钙钛矿晶格的Ti位置或Ba位置，但超过化学计量值的金属原子则存在于这些位置以外的位置。

下面详细说明上述关系中的参量α和β。

α是指可在半导体陶瓷中构成Ba位置的原子总数以及偏离Ba与Ti的化学计量比而在半导体陶瓷的Ba位置之外形成氧化物的原子总数之和。同样，β是指可在半导体陶瓷中构成Ti位置的原子总数以及在半导体陶瓷的Ti位置之外形成氧化物的原子总数之和。

例如，当Ba部分被Ca取代，而Ti部分被Sn取代，且加入BaCO₃以便(经烧结后)在Ba位置之外形成BaO，则关系如下：

B/β＝B/(Ti+Sn)和

B/(α-β)＝B/[{(Ba+Ca)+Ba}-(Ti+Sn)]。

在本发明中，B/β的范围限制在0.005≤B/β≤0.50。当该比例在这范围之外时，陶瓷的电阻率高而且陶瓷并不完全成为半导体。B/(α-β)的范围限制在1.0≤B/(α-β)≤4.0。同样地，当该比例在这范围之外时，陶瓷的电阻率高而且陶瓷并不完全成为半导体。