第一篇：半导体发光材料的总结与进展
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杨建新
半导体发光材料——LED灯的应用
简介：半导体材料和器件是本世纪六十年代末开始发展起来的半导体技术中的一个分支，所用的材料主要是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。由于用此材料制成的发光器件可广泛地用于信息显示、光纤通信灯方面，因此在材料制备方法、性能检测以及器件工艺改进等领域的研究和开发工作的发展也甚为迅速。国内外均已发展成新兴产业，国内年产的发光二极管数量也已达十亿余只。
近期由国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、中国国际光电博览会共同主办的首届第三代半导体材料及应用发展国际研讨会于2013年9月5日在深圳成功召开，来自中科院半导体研究所、南京大学、北京大学、科锐公司、西安电子科技大学等研究机构以及企业的近百名人士参加了此次会议。与会人员各自谈了半导体的发展前景，这说明半导体材料照明对于人类的发展起的作用越来越来重要。半导体照明作为一项重要内容列入到七大战略新兴产业之一的节能环保产业之中，今年正是“国家半导体照明工程”启动十周年，也是产业发展关键时期的转折之年。总结过去展望未来，一路走来的十年半导体照明产业披荆斩棘，创造了诸多成绩同样遇到了一些问题;未来十年，我们将怎样面对?又会给其他新兴产业有哪些关键性借鉴?正如日前国际半导体照明联盟(ISA)主席、国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)秘书长吴玲接受中国半导体照明网专访时所言，“今年是国家半导体照明工程启动的第十年，作为首个连续参与国家科技计划管理的行业组织机构，我们欣喜的看到LED的产业技术已经取得长足发展，产业未来发展的前景越来越明晰。但LED是一个新兴产业，如果说一个战略性新兴产业的培育期是二十年的话，LED产业现在才刚刚过半，产业进入相对成熟的阶段至少还需要十年以上的时间。而对于一个战略新兴产业来说，恰恰是这个转折时期，蕴藏的挑战最大”。
图一 城市灿烂的led灯
LED在室内照明的应用及前景 1.应用的原则及方向。
室内照明不同于夜景照明，更强调照明的功能；相对道路照明说，则是一个更为广阔的空间，不同的使用场所，不同的功能，不同的大小场所，不同的装饰美观要求，决定了室内照明灯具品种繁多，配光类型各异，当前成百上千企业拥向路灯的局面，应该开阔视野，更换思维，走进室内这个更宽广的天地。进室内，先做什么，从哪些领域突破，建议考虑以下原则和方向。(1)首先应符合《建筑照明设计标准》的规定，包括照度、均匀度、眩光、显色指数要求和相宜的色温，以达到良好的视觉条件和LPD限值规定。(2)应选择场所，试点应用，逐步扩展，循序渐进，总结经验，不断改进，切忌不顾对象，不分析条件，大面积推广。应寻找更能发挥自身优势的场所作为切入点。(3)突出节能：当前首先目标是去取代低效的白炽灯，更能发挥优势；第二个目标是取代卤素灯；第三是力求逐步代替紧凑型荧光灯。
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特别注意：并非LED都节能，应该是在达到相同照度水平、接近的照明质量条件下进行比较；从这点分析，目前不应以LED去代替高效的三基色直管荧光灯。(4)发挥LED彩色光的优势，在室内用于需要更高装饰要求，或作为景观、标志灯等用途。(5)发挥LED快速起动、方便调光的优势，优先用在要求声、光自控和需要调光或频繁开关灯等场所。(6)利用LED定向发光的特点，应用于需要定向照明的部位，如射灯、筒灯等。
2.适宜应用的场所
按上述原则，以下场所适宜应用或试用。
(1)住宅或类似场所的楼梯间、走道装设节能自熄开关的灯，几乎都用白炽灯，最适宜用LED代替，节能效果好，虽只是一个“小灯’’，但数量大，全国估计过亿支，其节能效益可观企业经济效益显著。(2)疏散照明灯、疏散标志灯，以及其他标志灯，还有部分备用照明灯(当正常照明采用HID灯时)，适宜用LED。(3)用LED代替PAR38(采用反射型白炽灯)这5类灯，是十分合适的；进一步研究代替MRl6、MR25(采用卤素灯)一类射灯；这些应要求LED有更高显色指数(Ra)和具有暖色表(<3300K)。(4)应用于商场作重点照明的射灯，博展馆类建筑的射灯，以及公共建筑的筒、射灯等。(5)宾馆使用白炽灯和卤素灯较多，是应用LED灯的适宜场所，可以应用来取代白炽灯、卤素灯的有：客房需调光的床头灯、床头顶上阅读灯、夜灯、衣柜灯、吧台灯、开门灯、进门过道灯，以及卫生间洗浴灯等。(6)局部照明灯，采用安全特低电压(SELv)的检修灯。(7)视觉条件要求不太高的一般建筑的辅助场所，如走道、卫生间，一般用途的库房，风机、水泵房等。
3.LED在室内的应用前景
图二 室内绚烂的led灯
LED仍在不断发展之中．室内照明空间广阔，未来应用前景是光明的。但是要有更大前进和相应的研究、探索工作，为应用创造条件。(1)进步提高光效和显色性，研究多种更适应的色温。(2)把半导体学科和照明学科更有机结合，深入研究适合LED特点的灯具形式和灯具配光系统。(3)进一步降低成本。期望在5年～10年时间。LED在室内功能照明领域能更大范围推广应用。在关注LED发展、应用的同时，还应该注意到另一种固体光源——有机半导体发光二极管(OLED)也在悄然崛起，已丌始显示更多的优势，或许在未来若干年成为现有光源以及LED的强有力竞争者，需要找们更多的关注。
我国现阶段LED的应用市场主要在建筑照明、室内外显示屏，因此，下一波的主力可能还是目前这些市场。但在手机、小尺寸液晶背光、汽车的渗透力度会加大，另外一些零散市场如特种照明的开拓也会更大(特种照明对成本的要求没有通用照明那么苛刻)。经过前几年的替换，LED交通指示灯已经非常普遍，由于LED的使用寿命较长，短期内很难再出现大规模的替换工作，这就使得交通指示灯对于LED的需求将出现一段低潮期；国内轿车市场庞大，但要求较高，认证周期长，只要有过硬的产品质量，国内车用背光及车灯的LED市场需求非常大，而且这一市场的需求增长比较稳定；而LED显示屏以其易拼装、低功耗、高亮度等优
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点已经广泛应用到银行、证券、广场、车站、体育场馆中，未来这一市场仍有很大增长潜力；在奥运会、世博会、一些城市夜景工程示范效应的带动以及国家半导体照明工程等众多有利因素的促进下，建筑照明市场依然前景广阔。专业研究机构Next Gen Research指出，201 1年我国LED产值已超过1 500亿元人民币，2010年全球新增的100多万盏LED路灯，将有一半来自中国。
图三 新型led灯示意图
基于以下几点，我国LED产业在国内有良好的发展前景。(1)就技术而言，LED具有技术成长瓶颈高，学习门坎低等特性，国内在半导体领域长期积累的研究资源都可以用得上，具备较好的研究基础。尽管国内集成电路制造基础比较薄弱，工艺水平比较低，但大陆一些企业通过聘请海外技术人员加盟，在技术上不断取得突破，大陆好的企业技术水平已经与台湾地区大厂的技术水平相差不大，与国际大厂的整体差距也在不断拉近。(2)LED的投资额比较小，初始投资1亿就可建厂，国内企业进入门槛低，容易实现滚动发展，这与集成电路制造及液晶面板制造动辄几十亿到上百亿人民币的投资而言显得“微不足道”，国内企业容易进入形成产业集群，当然，也可能造成恶性竞争，发展到一定阶段需要市场整合(3)国内市场巨大，LED未来主要市场是通用照明市场，市场容量大，终端消费市场比较分散，不易形成垄断，国内企业生存空间广阔。(4)国内一些企业拥有核心知识产权，如晶能光电的硅衬底氮化镓蓝光项目，大连路美的芯片领域核心技术，都具有全球竞争力，这些企业在技术发展上容易形成示范效应，促进国内企业市场健康成长。(5)技术成熟后，LED下游封装和器件生产属于劳动密集型，国内具备劳动力成本优势。小结
LED节能环保寿命长，随着LED技术水平的不断提升，高功率、高亮度、小尺寸LED灯的不断出现，LED灯具在各照明领域的应用必然会普及，LED灯具必定会深入到人们的日常室内照明、生活、交通之中。参考文献: 1.关于《半导体照明中国梦》的简介 2.LED灯应用及展望，期刊，宋冬灵
3.半导体LED照明光源技术的进展及前景，期刊论文[2006.12],中国半导体网 4.刘鹏,LED将引领照明“时尚”[期刊论文]-科技致富向导2011(5)5.国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，2013.09.18，中国政府网 6.半导体的原理，百度百科
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第二篇：第八章 半导体发光（范文）
第八章
半导体发光
研究一种新型半导体材料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。对于光电子材料。对它的发光性质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。可以说每一种光电子材料的光学性质研究都有大量文献报道。通过对材料的发光性能的研究，可以判定材料的生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器件等。画光谱图
1.辐射跃迁：处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。要求系统处于非平衡状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。
电致发光：电流激发。
阴极射线发光：电子束激发。
光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。
2．发光波长与能量的关系：λ=c/v=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）
3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。（激子效应对半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以观察到带-带跃迁）
发光光谱形状：F(hv)∝(hv)2（hv-Eg）1/2
exp-(hv-Eg)/KT
特征：发光峰在Eg附近。发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边缘突然截止。在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。随掺杂浓度增加和费米能级深入导带，发光峰峰位置和高能边缘均向高能量方向移动。增加激发和升高温度也可导致发光向高能方移动。自吸收导致实验观测的发光光谱向低能方向漂移。K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子伏特/度。300K时，KT约26meV。77K时，KT约6.6meV。
4． 自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可
在晶体中运动。电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相互作用。自由激子代表了低激发密度下纯半导体中电子和空穴的能量最低的本征激发态。（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主要特征可以是激子复合导致的狭窄谱线。按激子复合发光模型，发光谱低能端应在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，有时还需考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实验观察到的发光谱线的低能带尾）。温度较低，材料纯度较高时可观察到。
发光峰能量：hv= hv=Eg-Eex 束缚能：Eex=-mr*q4/8ε
r
ε
0
h2n2 =（mr* /mo）（13.6/ε
r
2）（1/n2）
mr*为电子和空穴的折合质量 mr*=mp* /（mp*+mn*）
mp*，mn*分别是空穴和电子的有效质量。（在杂质原子里（如施主），核的有效质量很大，因此，其折合质量等于电子的有效质量。但激子折合质量要小于电子，激子束缚能要低于施主或受主的束缚能）（一般只能观察到n=1，2的谱线）
特征：发光峰能量略低于Eg，离化能可估计出，发光峰尖锐，半峰宽在几
个meV以内。发光强度与激发密度成线性关系，一般在低温下才可观察到。
自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。
发光峰能量：hv= hv=Eg-Eex-mEp
特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差为声子能量。出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。
横向光学声子（TO），横向声学声子（TA），纵向光学声子（LO），纵向声学声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子（LO声子）伴线。
5． 束缚激子：束缚在杂质上的激子。杂质中心俘获电子或空穴，然后俘获相反符号的载流子；或者杂质中心俘获一个自由激子。束缚激子不能在晶体中自由运动。可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。（从能量的观点看，如果激子处在杂质中心附近时使系统能量下降，那么激子保持在杂质或缺陷附近是有利的，激子可以束缚在杂质中心上。）低温观察KT/ EDx﹤0.3。
中性施主束缚激子：D0X
电离施主束缚激子：D+X 中性受主束缚激子：A0X
电离受主束缚激子：A+X 对中性施主或受主，杂质中心都有可能束缚激子，但电离杂质的情况就不一样。判定：有效质量比：σ：me*/mh*，认为：对于电离施主，σ小于0.71，系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子（D+X）才是稳定的。当σ接近0时，Eb=0.22 Ex。D+X离解为一个中性施主和一个自由空穴比离解为一个电离施主和一个自由激子更容易发生。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于1.4时，才可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。具体参照半导体光学性质337，图5.21。
中性施主束缚激子：D0X
电离施主束缚激子：D+X 中性受主束缚激子：A0X
电离受主束缚激子：A+X 发光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb，电离施主束缚激子hv= Eg-EDx= Eg-ED-D（D0h）束缚能：Ex+Eb
其中，Ex为自由激子束缚能，Eb是将自由激子束缚到杂质中心的附加能。
特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄（样品较纯的情况下，束缚激子的波函数可认为互不交叠，基态能量是孤立和局域化的，不同于自由激子，其动能项对发光谱线的展宽效应可忽略不计），半峰宽一般低于1meV。GaAs，束缚于浅杂质的激子发射谱线宽在0.1meV数量级。（各种束缚激子的判定较为复杂，首先可比较实验观测到的束缚激子发光谱线的能量和各种不同束缚激子态束缚能的理论估计）如，利用有效质量近似，类氢模型估算出的自由激子束缚能（Eex），计算出有效质量比σ：me*/mh*，在已知该材料的σ情况下，根据不同束缚激子能Eb与Eex的关系估算出Eb，得到各种束缚激子的发光峰能量，与实验值比较。还可以结合磁场作用下的束缚激子发光谱线的塞曼分裂来判定。
束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。
6．深跃迁：电子从导带跃迁到受主能级，或从施主能级跃迁到价带。
发光能量：hv= Eg-Ei
Ei（EA受主束缚能，ED施主束缚能）
施主束缚能：ED= mn*q4/8ε
r
ε
0
h2= 13.6 mn*/m0ε
r
mn*: 电导有效质量，m0: 电子惯性质量。εr: 相对介电常数。
如果掺杂浓度达到1018cm-3, 导带电子跃迁到受主能级或从施主能级跃迁到价带的几率和带-带跃迁，激子跃迁有相同的量级，不难在实验中观察到。也可观察到声子伴线峰。
特征：发光峰能量低于激子峰，一般谱线较宽。当杂质浓度增加时，发光峰展宽，峰位能量漂移。（半导体的光学性质，P362。，半导体中的光学过程，P151）7．施主-受主对：施主离子及其束缚的电子和受主离子及其束缚的空穴可以构成施主-受主对（D-A对）（半导体中的光学过程，P160），KT﹤Ei时，载流子被电离杂质俘获后很难热电离，D-A对的跃迁变得重要。
发光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4πεr），其中，r为施主-受主对的间距。
特征：当r不是很大（10-50晶格常数）可显示为一系列分立的谱线，但在r较大时，形成一个连续的宽发射谱。随激发密度增大，激发近距离的D-A对数目增多，发光峰向高能方移动。
8．能带内的跃迁，导带热电子跃迁到价带顶，导带底电子与价带热电子复合：在直接带隙半导体中很难观察到，而价带空穴到电离受主的跃迁的声子发射几率远大于光子发射几率，一般难以观察到。
半导体的光吸收
探测半导体能带结构最直接的方法就是测量它的吸收光谱。研究一种新型半导体材料，首先是要对它的光电以及结晶品质等进行研究。对于光电子材料。对它的发光性质的研究是一个重大课题，有大量的工作可做。可以说每一种光电子材料的光学性质研究至少有上千篇的相关文献报道。通过对材料的发光性能的研究，可以判定材料的生长质量，发光特性，杂质情况，杂质电离能，适合不适合制作发光器件等。画光谱图
1． 本征吸收：价带电子吸收能量跃迁到导带的过程。可判定材料的禁带宽度。条件：入射光子能量大于禁带宽度。特点：吸收系数与光子的能量关系为：
α（hv）=A（hv-Eg）1/2，hv≥Eg
=0
hv＜Eg 处于激发态的电子向较低的能级跃迁，同时发射光子的过程。要求系统处于非平衡状态，一般通过一些外加的激发手段才能达到。
电致发光：电流激发。
阴极发光：电子束激发。
光致发光：光激发，入射光子能量要大于材料禁带宽度。
2．发光波长与能量的关系：λ=hv=hc/E=1240/E（nm），E单位为电子伏特（eV）
3．带-带跃迁：导带的电子跃迁到价带，与空穴复合，自由载流子复合。（激子效应对半导体发光光谱有更重要的影响，但在较高实验温度下和对于纯度较差的样品，可以观察到带-带跃迁）
发光光谱形状：L=B（hv-Eg）1/2
特征：发光峰在Eg附近。发光峰具有一个高能量尾部，在hv=Eg处，低能量边缘突然截止。在低激发情况，发射峰的半峰宽近似等于0.7kT。
K：玻尔兹曼常数，8.62x10-5电子伏特/度。300K时，KT约26meV。77K时，KT约6.6meV。
6． 自由激子：自由电子和自由空穴由与库仑力作用而束缚在一起所形成的系统，可
在晶体中运动。电子与空穴之间的作用类似与氢原子中电子与质子的相互作用。（对足够纯的半导体材料，低温下本征辐射复合的主要特征可以是激子复合导致的狭窄谱线。按激子复合发光模型，发光谱低能端应在激子波矢0对应的激子能量处突然截止，考虑激子效应时，有时还需考虑激子和光子耦合导致的激子极化激元的效应，可以解释实验观察到的发光谱线的低能带尾）
发光峰能量：hv= hv=Eg-Eex 束缚能：Eex=-mr*q4/8ε
r
ε
0
h2n2 =13.6 mr* /moε
r
mr*为电子和孔穴的折合质量 mr*=mp* /（mp*+mn*）
mp*，mn*分别是空穴和电子的有效质量。（在杂质原子里（如施主），核的有效质量很大，因此，其折合质量等于电子的有效质量。但激子折合质量要小于电子，激子束缚能要低于施主或受主的束缚能）（一般只能观察到n=1，2的谱线）
特征：发光峰能量略低于Eg，离化能可估计出，发光峰尖锐，半峰宽在几
个meV以内。一般在低温下才可观察到。
自由激子的声子伴线：自由激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。
发光峰能量：hv= hv=Eg-Eex-mEp
特征：发光峰一般伴随自由激子峰出现。其与自由激子的能量差为声子能量。出现多声子伴线时，发射峰之间的能量差相等。
横向光学声子（TO），横向声学声子（TA），纵向光学声子（LO），纵向声学声子（LA）一般最易观察到纵向光学声子（LO声子）伴线。
7． 束缚激子：束缚在杂质上的激子。杂质中心俘获电子或空穴，然后俘获相反符号的载流子；或者杂质中心俘获一个自由激子。束缚激子不能在晶体中自由运动。可束缚在中性施主，中性受主，电离施主，电离受主上。（从能量的观点看，如果激子处在杂质中心附近时使系统能量下降，那么激子保持在杂质或缺陷附近是有利的，激子可以束缚在杂质中心上。）
对中性施主或受主，杂质中心都有可能束缚激子，但电离杂质的情况就不一样。判定：有效质量比：σ：me*/mh*，认为：对于电离施主，σ小于0.71，系统能量下降，也有认为，σ小于0.2时，束缚激子（D+X）才是稳定的。当σ接近0时，Eb=0.22 Ex。D+X离解为一个中性施主和一个自由空穴比离解为一个电离施主和一个自由激子更容易发生。对于电离受主束缚激子，只有当σ大于1.4时，才可能存在，因此一般电离受主束缚激子很难观察到。具体参照半导体光学性质337，图5.21。
中性施主束缚激子：D0X
电离施主束缚激子：D+X 中性受主束缚激子：A0X
电离受主束缚激子：A+X 发光峰能量：hv= Eg-Ex-Eb 束缚能：Ex+Eb
其中，Ex为自由激子束缚能，Eb是将自由激子束缚到杂质中心的附加能。
特征：发光峰能量略低于自由激子，发射谱线很窄，半峰宽一般低于1meV。GaAs，束缚于浅杂质的激子发射谱线宽在0.1meV数量级。（各种束缚激子的判定较为复杂，首先可比较实验观测到的束缚激子发光谱线的能量和各种不同束缚激子态束缚能的理论估计）如，利用有效质量近似，类氢模型估算出的自由激子束缚能（Eex），计算出有效质量比σ：me*/mh*，在已知该材料的σ情况下，根据不同束缚激子能Eb与Eex的关系估算出Eb，得到各种束缚激子的发光峰能量，与实验值比较。还可以结合磁场作用下的束缚激子发光谱线的塞曼分裂来判定。
束缚激子的声子伴线：束缚激子在复合时，发射了一个或多个声子，同时发出的光子。
6．深跃迁：电子从导带跃迁到受主能级，或从施主能级跃迁到价带。
发光能量：hv= Eg-Ei
Ei（EA受主束缚能，ED施主束缚能）
施主束缚能：ED= mn*q4/8ε
r
ε
0
h2= 13.6 mn*/m0ε
r
mn*: 电导有效质量，m0: 电子惯性质量。εr: 相对介电常数。
如果掺杂浓度达到1018cm-3, 导带电子跃迁到受主能级或从施主能级跃迁到价带的几率和带-带跃迁，激子跃迁有相同的量级，不难在实验中观察到。也可观察到声子伴线峰。
特征：发光峰能量低于激子峰，一般谱线较宽。当杂质浓度增加时，发光峰展宽，峰位能量漂移。（半导体的光学性质，P362。，半导体中的光学过程，P151）7．施主-受主对：施主离子及其束缚的电子和受主离子及其束缚的空穴可以构成施主-受主对（D-A对）（半导体中的光学过程，P160）
发光峰能量：hv=Eg-（EA+ED）+e2/（4πεr），其中，r为失主-受主对的间距。
特征：当r不是很大（10-50晶格常数）可显示为一系列分立的谱线，但在r较大时，形成一个连续的宽发射谱。随激发密度增大，激发近距离的D-A对数目增多，发光峰向高能方移动。
9． 能带内的跃迁，导带热电子跃迁到价带顶，导带底电子与价带热电子复合：在直接带隙半导体中很难观察到，而价带空穴到电离受主的跃迁的声子发射几率远大于光子发射几率，一般难以观察到。
第三篇：实验六 半导体发光器件的电致发光测量1
实验六 半导体发光器件的电致发光测量 081190088 杨静
一． 实验内容与目的
（1）了解半导体发光材料电致发光的基本概念。
（2）了解并掌握半导体显微探针测试台、光纤光谱仪的使用。（3）掌握半导体发光材料电致发光特性的测量方法。
二． 实验原理概述 1．辐射跃迁
半导体材料受到某种激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，形成非平衡载流子。这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回到较低的能量状态，并发生电子—空穴对的复合。复合过程中，电子以不同的形式释放出多余的能量。如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁成为辐射跃迁。作为半导体发光材料，必须是辐射跃迁占优势。
导带的电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随的光子发射，称为本征跃迁。显然这种带与带之间的电子跃迁所引起的发光过程，是本征吸收的逆过程。对于直接带隙半导体，导带与价带极值都在k空间原点，本征跃迁为直接跃迁。由于直接跃迁的发光过程只涉及一个电子—空穴对和一个光子，其辐射效率较高。间接带隙半导体中，导带与价带极值对应于不同的波矢k，这时发生的带与带之间的跃迁是间接跃迁。在间接跃迁过程中，除了发射光子外，还有声子参与。因此，这种跃迁比直接跃迁的几率小的多，发光比较微弱。
[键入文字]
如果将杂质掺入半导体，则会在带隙中产生施主及受主的能级，因此又可能产生不同的复合而发光。电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁入价带，或电子在杂质能级间的跃迁都可以引起发光，这类跃迁称为非本征跃迁。间接带隙半导体本征跃迁几率较小，非本征跃迁起主要作用。施主与受主之间的跃迁效率较高，多数发光二极管属于这种跃迁机理。在施主—受主对的复合中，过剩电子、空穴先分别被电离的施主和受主看成点电荷，把晶体看作连续介质，施主与受主之间的库伦作用力使受基态能量增大，其增量与施主—受主杂质间距离r成正比，所发射的光子能量为：
ην＝E－(E+E)＋
gq2DA4πεε0r
式中ED和EA分别为施主和受主的电离能，ε是晶体的低频介电常数。对简单的替位施主和受主杂质，r只能取一系列的不连续值，因此，施主—受主复合发光是一系列分离谱线，随着r的增大，成为一发射带。
2.电致发光
根据不同的激发过程，可以有各种发光过程，如：光致发光、阴极发光、电致发光等。
半导体的电致发光（EL），也称场致发光，是由电流（电场）激发载流子，将电能直接转变成光能的过程。EL包括低场注入型发光和高场电致发光。前者是发光二极管（LED）和半导体激光器的基础。本实验只涉及这类EL谱的测量。
发光二极管是通过电光转换实现发光的光电子器件，是主要的半[键入文字]
导体发光器件之一，具有广泛的应用，如各类显示、数据通讯等。特别是通过白色发光二极管实现固体照明，不仅可以节省能源、减少污染，而且体积小、寿命长，因此固态照明已被全世界重视。
所有商用LED都具有P-N结结构，因此以P-N结的发光为例来说明注入发光机制。P型半导体是掺杂了受主杂质，而N型则是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起，即得到P-N结。N型半导体中产生电子，P型半导体中产生空穴，在其中间产生耗尽层。P-N结处于平衡时，存在一定的势垒区，场也相应地减弱。这样继续发生载流子的扩散，即电子由N区注入P区，同时空穴由P区注入到N区。进入P区的电子和进入N区的空穴都是非平衡少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光。
如果采用异质结，发光效率可以得到显著的提高。由宽带隙半导体材料隔开的中间发光区，两种类型的过剩载流子从两侧注入并被限制在同一区域，过剩载流子数目显著提高。随着载流子浓度的提高，辐射寿命缩短，导致更为有效的辐射复合。如果中间有源区域减小到10nm或更小就形成量子阱，由于其厚度与德布罗意波长相近，量子力学效应出现，载流子状态密度变得更高，从而可以获得更高的发光效率。这是目前商用LED的实际结构。
电致发光谱的测量系统的基本结构与光致发光测量装置类似，主要区别是用高温定度直流电源代替了光致发光谱测量中所用的激发光源。针对半导体发光器件的电致发光的测量中，电源与发光器件的连接通常在探针测试台上进行，由金属微探针压在发光器件上预制的[键入文字]
电击表面形成欧姆接触，使直流电源输出的电压和电流无损耗地加到被测器件上。
本实验的光谱测量采用微型光纤光谱仪。这类光谱仪具有体积小、即插即用、检测速度快、配置灵活、操作方便等特点。USB接口的微型光纤光谱仪内置了先进的探测器和强大的高速电路系统，与扫描式单色仪相比，由于采用了线性探测器阵列，不需要转动光栅来工作，光栅永久固定，保证了性能的长期稳定，并能够实现高速检测，配合电子快门，全谱测量的最短积分时间可达到数毫秒。
三．实验方法与步骤 实验仪器与材料
手动式半导体显微探针测试台：1台 探针座：2只 探针：2根
石英光纤（SMA905接头）：1根 卤钨灯光源（SMA905接头）：1台 高精度直流电源：1台 微型光纤光谱仪：1台 微型计算机：1台
InGaN或AlGaAs LED芯片：若干
实验方法与操作步骤
（一）测试系统的连接与调整
1.用石英光纤连接探针测试台上光收集单元与卤钨灯光源，开启[键入文字]
卤钨灯光源，根据被测样品在载物台上的实际位置调整探针测试台上光收集单元的位置与方向，使其出射光斑（定位光斑）照射于显微镜视野可及的区域，作为实际的测试点位置。
2.以导线连接探针座电极与直流电源输出端。开启直流电源，根据需要调整限流电流（如为100mA）。
3.将被测LED芯片放置于载物台上，覆盖其上的吸附孔。开启真空泵和真空阀门开光，使芯片被稳固地吸附于载物台表面上。通过载物台平移机构将芯片移动到定位光斑位置。
4.关闭卤钨灯光源。将石英光纤连接卤钨灯光源端改接到微型光纤光谱仪的输入端口。用USB连接线连接微型光纤光谱仪与计算机。开启光谱仪电源。启动计算机。启动光谱仪控制程序。
（二）探针与电极的连接
1.调节显微镜的倍率，以能够清楚观察探针尖端及LED芯片上电极为度。
2.使用载物台上X轴/Y轴平移机构移动载物平台，将待测电极移动至显微镜视野中央。
3.待测点位置确认好后，再调节探针座位置，将探针装上后可先通过眼视将探针移到接近待测点的位置旁，再使用探针座上下左右三个旋钮，慢慢的通过显微镜观察将探针移至测试点，此时动作一定要小心，以防动作太大而碰上到芯片，将探针针尖轻触或稍微悬空到待测电极上。（滑动探针可以电极上留下划痕，视为接触）
4.调节探针座的Z轴旋钮使探针尖扎在待测电极上，确保针尖和[键入文字]
电极良好接触。则可以通过连接的测试设备开始测试。
（三）电致发光的测量
1.调节直流电压电源的输出电压V(0-4V)，记录直流电压源的输出电流（驱动电流）I，绘制LED芯片的I-V曲线。
2.通过微型光纤光谱仪测量与一组预定的驱动电流值对应的LED的电致发光谱，绘制光谱曲线。
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3.根据电致发光谱计算出发光峰的面积，绘制发光峰面积-驱动电流曲线。
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四．思考与讨论
（1）试举出几种典型的电致发光器件，并进行简要说明。
答：①交流电致发光显示。它是将电致发光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr混合在环氧树脂和氰乙基醣的混合物的有机介质中，两端夹有电极，其中一个为透明电极。另一个是真空蒸镀铝或银电极，构成一个EL。
②高场薄膜电致发光（TFEL）。目前的ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，起消除漏电流与避免击穿的作用。掺不同杂质则发不同的光，其中掺Mn的发光效率最高，加200V，5000Hz电压时，亮度高达5000cd/m2。ACTFEL具有记忆效应，通常室内光照度下，记忆可维持几分钟，在黑暗中可保持十几个小时。
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③有机发光显示器（OLED）又称有机EL，是以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件。它是固体自发光器件，可适应恶劣工作环境；它响应时间短、发光效率高、视角宽、对比度高；它可在5V~10V的低电压下工作，功耗低，工艺简单；制造成本低、有机发光材料众多、覆盖发光光谱从红外到紫外，适合全彩色显示；价廉、易于大规模生产；OLED的生产更近似于精细化工产品，可在塑料、树脂等不同的材质上生产，产品的机械性能好，不仅可以制造出笔记本电脑、台式机适用的显示器，还有可能创造出墙壁大小的屏幕、可以弯曲折叠的屏幕。人们预言，随着规模量产的到来，OLED可以比LCD成本低20%。
（2）介绍几种发光二极管在日常生活中的应用。
答：发光二极管是一种把电能直接转换为光能的固体发光器件。它以体积小、耗电低、响应速度快、亮度调整灵活、使用寿命长、稳定性好、抗震性强等优点广泛应用于工农业和家用电器等设备上。具体应用有：①指示用电源。在不需要高亮度的场所，可采用发光二极管作指示电源。例如示波器的标尺照明、收音机的刻度照明、十字路口的信号指示灯等。②电压越限报警。利用发光二极管和稳压二极管的直流上下限报警。③发光二极管作光电开关的光辐射源。光电开关是以光辐射驱动的电子开关，当一定强度的光辐射到其中的光敏器件上时，会产生开关作用。驱动光电开关的辐射，可以是可见光，也可以是非可见光，可以用不同类型的发光二极管充任。④闪光电路。发光二极管的闪光电路组成是将两只发光二极管接在多谐振振荡器的[键入文字]
集电极电路中。这样，当多谐振振荡器工作时，T1和T2交替导通，LED1和LED2交替发出闪光信号。
（3）比较发光二极管与光电二极管的工作原理，设计一个由发光二极管和光电二极管组成的运动感知机构。
答：光电二极管，即可将光信号转换成电信号。我们在捕获系统上安装光电二极管，将捕捉到的运动信息经过一定的处理变成计算机可以识别的电信号。然后再利用发光二极管，将电信号重新读取并在显示设备上还原成光信号，比如我们可以在屏幕上重现运动的影响和运动过程，这样就实现了运动感知。
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第四篇：稀土LED发光材料及半导体照明技术获突破
稀土LED发光材料及半导体照明技术获突破
来源：长春应用化学研究所更新时间：2013-07-04 09:57:05[我要投稿]
专家组实地考察
中科院长春应用化学研究所与成都四川新力光源股份有限公司合作研发的“发光余辉寿命可控稀土LED发光材料研发及其在半导体照明中的应用”成果，近日在成都通过由中科院组织的成果鉴定。专家组认为，该原创性稀土发光材料有效解决了国际上一直未能攻破的交流LED照明设备频闪问题，并实现了从基础研究到产业化的跨越，达到了国际领先水平，使中国成为世界上唯一掌握通过稀土荧光粉生产低频闪交流LED产品的国家。
LED照明是继白炽灯、荧光灯后照明光源的又一次革命，被世界公认为是最具发展前景的高效照明产业。现有的LED照明光源使用直流电作为驱动，在工作时必须经交、直流电源转换，能耗大、散热差、成本高，因此，开发可直接使用交流电驱动的新型LED照明产品是造福百姓、推进LED照明产业发展的重大需求。
长春应化所与四川新力光源有限公司围绕国家重大需求，于2006年合作开展新型交流LED照明技术的研发，经过6年多的不懈探索和开拓，研发出具有自主知识产权发光余辉寿命可控的新型稀土LED发光材料，从源头上解决交流LED频闪的瓶颈问题，其发光余辉寿命与交流电频率匹配，实现了LED芯片不发光时发光粉仍然发光，从而弥补交流LED电流波动导致的频闪，开辟了一条以具有特定寿命的稀土发光粉为核心、完全不同于国外及台湾地区交流LED技术路线，从源头上解决了直流和交流电驱动存在的若干技术难题。该成果荣获2012年英国工程技术学会（IET）“能源创新”和“建筑环境”两项提名奖，并已获得3项中国发明专利授权，3项PCT国际专利申请已经进入多个国家实审阶段，构筑了自主知识产权体系。
该成果产品与现有的LED相比，具有发热低、能量转换率高、体积小等优势，可提高使用寿命2倍以上，能耗和成本分别降低15%和20%以上。目前，该系列产品已通过我国的相关认证，以及美国保险商实验室(UL)、美国联邦通信委员会(FCC)、欧洲统一(CE)和欧盟环保(RoHS)等认证，销往美国、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西等多个国家，并已取得显著的经济效益。
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第五篇：热敏半导体陶瓷的研究现状及应用进展
热敏半导体陶瓷的研究现状及应用进展
摘要：半导体陶瓷是当今世界迅速发展的一项高新技术领域，热敏半导体陶瓷作为其中的一类，应用也越来越广泛。本文分别对正温度系数热敏陶瓷（PTC），负温度系数热敏陶瓷（NTC）和临界温度急变陶瓷（CTR）的研究现状进行了简要叙述，并对热敏半导体陶瓷存在的问题及发展趋势进行了分析探讨。
关键词： PTC陶瓷；NTC陶瓷；CTR陶瓷；现状；发展前景
1.前言
半导体陶瓷是具有半导体性能的无机非金属多晶材料的总称。其电导率约在10-3~108 Ω·cm之间，受外界条件如温度、光照、电场、气氛、湿度等影响可能发生显著的变化，使得它可以把外界物理化学量的变化转变为便于处理的电信号，从而制成各种用途的敏感元件[l,2]。
热敏半导体陶瓷[1]是半导体陶瓷材料的一类，其电阻、磁性、介电等性质随环境温度变化而变化。热敏半导体陶瓷敏感元件具有灵敏度高、结构简单、使用方便、价格低廉等优点，因此在现代微电子技术、光电技术、通讯技术等许多高技术领域获得了广泛应用，已受到国防、科技、工农业、特别是材料科学领域的极大重视。
热敏半导瓷陶瓷材料主要为各类电阻材料，按其温度特性可分为正温度系数热敏陶瓷（PTC），负温度系数热敏陶瓷（NTC）和临界温度急变陶瓷（CTR）等。下面主要对这三种热敏半导体陶瓷研究现状及应用进行介绍。
2.国内外研究进展
2.1 PTC陶瓷材料
2.1.1 PTC陶瓷材料的研究现状
目前PTC热敏陶瓷主要有三大类[3]：第一类是采用BaPbO3基材料制作的PTC热敏陶瓷，第一类是氧化钒（V2O3）基材料，第三类是BaTiO3基材料。
BaPbO3基半导体陶瓷的居里温度约为750℃，这一特性使其在高温过流保护装置领域很受青睐，但其起跳幅度仍需要提高[4]。BaPbO3基半导体陶瓷具有优异的金属导电性以及较低的室温电阻率，而且在高温下还具有正温度系数（PTC）特性，通过掺杂不同元素，其PTC特性可得到显著改善，现已在陶瓷点击、导电胶、抗蚀材料及高温道题上获得一定的应用。Itoh[5]等报道了在Ba1-xSrPbO3中随着x的增加，其电导率也随之增加，同时其晶体结构也随之改变。当温度为77K时，载流子浓度也从BaPbO3的2.7×1020下降到SrPbO3的2×1018cm-3，但晶格畸变程度则相应地增加。在掺杂方面，国内主要集中在稀土元素上，蔡伟民[6]等研究了铺掺杂BaPbO3的EXAFS，发现稀土铺掺杂后，BaPbO3结构发生部分畸变，开
始由立方向四方转变，同时铅的配位数也降低了，分别为3.7和4.1，铕的配位也只有4左右，说明掺铕后在Pb和Eu周围均出现了氧空位，从而解释了材料具有高导电性的原因。
V2O3基陶瓷材料的研究起步较晚，近几十年才逐渐发展起来。其PTC效应来源于温度诱发的体效应，且不受电压和频率的影响。该材料具有较低的常温电阻率和较大大的同流能力，这些特点使得V2O3基PTC陶瓷材料在大电流过流保护元件方面具有广阔的应用前景[7]。陈文等[8]研究了淬冷对V2O3系PTC陶瓷材料阻温特性的影响，发现经过液氮淬冷处理后样品中某些晶粒表面产生了长度为2~4μm的微裂纹，明显改善了材料的性能。同时他们在材料中添加微量的SnO2，会使V2O3系PTC陶瓷材料更加致密、常温电阻率较低，其升阻比得到极大提高。薛荣生[9]研究了以少量、微量Al2O3、SiO2、TiO2的纳米超微粒子和BN超微粉体的添加对PTCR半导体陶瓷材料性能的影响，发现少量的纳米超微粒子的加入能够使产品性能得到非常显著的提高，而BN超微粉体的加入能够有效消除生产中过量受主杂质Fe的混入而带来的PTC特性恶化的影响。V2O3基PTC陶瓷材料作为一种新兴的材料和元件正逐渐被人们所关注，随着科研、生产技术的不断发展和提高，其PTC的特性将会不断发展和成熟，从而使它的应用范围不断向广度和深度发展。
目前，无论是理论还是工艺研究的比较成熟的是BaTiO3基PTC陶瓷。由于制备BaTiO3基PTC陶瓷主要以传统固相反应法为主，烧结温度在 1200℃以上，纯的BaTiO3陶瓷室温电阻率达到109Ω•cm，远远超过BaTiO3基半导体PTC陶瓷的低室温电阻率(<104Ω•cm)的应用要求，而且纯BaTiO3陶瓷的居里点在120℃左右，无法满足实际的需要；因此，通常都需要在BaTiO3陶瓷中引入一些掺杂剂来改善BaTiO3基陶瓷的PTC性[10]。蒲永平[11]等人通过用不同掺杂浓度Nb2O5掺杂BaTiO3陶瓷，研究发现：随着Nb2O5掺杂量的增大，陶瓷的平均晶粒尺寸先增大后减小，室温电阻率也随之先减小后增大，这说明室温电阻率有一个最小值。另外，不同Nb2O5的掺杂方式也会影响BaTiO3基陶瓷的PTC性能。潘彬[12]等人利用液相掺杂及低温固相反应的方法制备了Bi掺杂BaTiO3纳米晶体，发现Bi掺杂BaTiO3晶体在常温下为立方晶系，颗粒基本呈球形，大小均匀，而且在烧结温度为1330℃、保温时间为20min条件下所制PTC陶瓷性能最佳。宁青菊[13]等人研究了影响BaTiO3基PTC陶瓷材料的因素，发现Bi3+取代微量Pb2+可以使BaTiO3半导化，且具有PTC效应，但是室温下其电阻较大；用V5+取代微量Pb2+，不能实现BaTiO3的半导化；NBT-BaTiO3陶瓷在还原气氛下烧结，半导化效果良好，但没有PTC效应，经重氧化试样的室温电阻增加，具有PTC效应。
综上所述，一般BaTiO3陶瓷的室温电阻率首先会随着施主掺杂量增大而减
小，当施主掺杂量达到某一值时，室温电阻率降达到最小值，如果施主掺杂量继续增大，室温电阻率则会急剧增大。对于掺杂不同种类的施主离子，BaTiO3陶瓷的室温电阻率达到最小值时的掺杂量一般也是不同的。2.1.2 PTC陶瓷材料的应用
我国在PTC热敏陶瓷方面的研究开始于20世纪60年代，之后许多高校和研究所都在对该方向就行大量的研究，并获得一定的研究成果。而在国外，PTC热敏陶瓷电阻器的实用化是从上世纪60年代开始的，到七十年代中期得到很大的发展，相继研制开发出了不同用途的PTC热敏电阻元件。世界上最大的电子陶瓷生产公司之一的日本村田制作报导，其PTC产品的品种规格已达169种之多。近年来，相继开发出消磁用PTC热敏电阻器、马达启动用PTC热敏电阻器、限流用PTC热敏电阻器、加热用PTC热敏电阻器、片式PTC热敏电阻器等，这些电阻器分别在彩电和彩显、冰箱空调启动、电子仪器、医疗加热器等方面发挥着特别重要的作用[14]。
2.2 NTC陶瓷材料
2.2.1 NTC陶瓷材料的研究现状
NTC热敏半导体陶瓷是负电阻温度系数热敏半导体陶瓷的简称。NTC热敏陶瓷种类繁多，按材料组成和结构可以分为氧化物系、非氧化物系和单体等[15]，其晶相结构有尖晶石、萤石、钙钛矿、金红石等多种结构类型[16]。而应用较广泛的NTC热敏陶瓷材料大多数为AB2O4尖晶石结构型氧化物半导体陶瓷，如以MnO、CoO、NiO、Fe2O3和CuO为主要成份的二元或多元氧化物的混晶结构材料。NTC热敏陶瓷材料因为其较大的电阻温度系数、稳定的性能一级宽广的使用温区而得到快速发展。这种材料的制备工艺比较简单，成本较低廉，但性能在很大程度上受到烧结工艺、粉体合成、组成、掺杂以及热处时间等工艺因素的影响。
首先，烧结工艺对于NTC热敏陶瓷材料的性能有很大的影响。张惠敏等人[17]探讨了不同烧结方法对CoMnNiO系NTC热敏半导体陶瓷特性及电性能的影响。实验结果表明，①采用共沉淀法制备的热敏电阻超微细粉体材料烧结性能好，且成瓷致密、均匀、材料一致性好；②微波烧结的样品成瓷均匀、致密，且在同样温度下微波烧结制备的热敏元件B值、阻值一致性较常规烧结方法有较大提高。由此可见，微波烧结技术在制备热敏电阻陶瓷材料方面有潜在的优势。
粉体合成方法对于NTC特性影响也很大。杨阳等人[18]采用先进的半导体陶瓷生产工艺制备出阻值一致性好、抗冲击性强、稳定性好的Sr-Co-O系NTC热敏陶瓷电阻元件，提高了生产效率和元件的成品率。另通过控制非化学计量比的钙钛矿结构SrCo1-xNixO3-δ材料的反应温度、恒温时间、Ni的含量来控制烧结后样品的电阻值和热敏电阻参数B值，制备出不同参数可以在-253℃一下使用的低温
NTC氧化物热敏电阻材料。而且还分别运用高温固相法和液相法制备了SrCo1-xNixO3-δ陶瓷粉体，得出液相法制备的粉体陶瓷样品的烧结温度低、阻值和B值的一致性好，降低了烧结温度，提高了成品率。
组成不同的NTC热敏材料，其结构性能有很大的差异。王卫民[19]通过传统固相法制备Mn-Co-Ni-O基热敏半导体陶瓷，并研究组成对其相结构与电性能的影响。结果发现：①制备具有单一尖晶石结构的Mn-Co-Ni-O系半导体陶瓷材料，是保持热敏半导瓷良好电性能的前提，加入CuO虽然可以将烧结温度降低至1100℃，但是也降低了B值；②V2O5掺杂不能促进Mn-Co-Ni-O系半导瓷的烧结，但可以促进Mn-Co-Ni-Cu-O系半导瓷的烧结。
掺杂元素对材料性能也有着不同程度的影响。NTC热敏电阻材料可以通过添加少量掺杂物，改善材料的性能。杨涛[20]以Mg-Al-Cr-Fe-O系高温NTC热敏材料为基础，研制出一种高温烧结体高温NTC热敏陶瓷材料，并研究掺杂La2O3、Y2O3、CeO2对材料体系性能的影响。得到掺杂La2O3与Cr2O3形成高温稳定性好的LaCrO3晶相物质，掺杂质量分数2%La获得材料电阻率最大，样品老化后电阻率、B值均增大，B值达10000K以上。掺杂Y2O3、CeO2均未与配方中各氧化物形成新物质，对体系样品电性能影响不大，未能优化性能。
不同制备方法使NTC热敏陶瓷的性能有一定差异。王肖燕[21]BaSnO3陶瓷材料的NTC特性研究用传统固相法制备了具有良好NTC特性的BaSnO3半导体陶瓷，分析研究其NTC的机理，认为导带电子由于热激发而越过晶界势垒的导电过程是其具有NTC特性的根本原因，这与传统NTC材料因极化子导电而具有NTC特性有着本质的不同。另外还考察了Mn2+掺杂对BaSnO3陶瓷NTC特性的影响，发现在0.5mol%~2.6mol%的掺杂范围内，随着Mn的掺杂量的增加，材料B值随之增大，但过多Mn掺杂会使材料的室温电阻率增大。而且采用单面Mn2+的涂覆扩散处理方式，可以制备出较低的视在室温电阻率、高B值及线性度较好的NTC陶瓷材料。杨涛[20]以Mg-Al-Cr-Fe-O系高温NTC热敏材料为基础，研制出一种高温烧结体高温NTC热敏陶瓷材料，并系统研究了不同工艺参数对该体系材料性能的影响。发现：①预烧温度越低，获得的热敏电阻的阻值与B值越高；②随球磨时间增加热敏电阻中尖晶石比例越高，B值有所增加，球磨20h获得电阻值最大；③保温时间对阻值影响较大，样品保温6h烧结得到的样品阻值最大，保温时间过短或过长，样品电阻率均减小。2.2.2 NTC陶瓷材料的应用
由于NTC热敏电阻的阻温特性以及伏安特性，NTC热敏电阻已经被广泛的应用在工农业生产以及国防科研等各个方面。按其所起到的作用分为三类[21]：第一，温度补偿作用。主要是在石英振荡器电路内设置温度补偿电路，可以在相当
宽的温度范围内获得良好的温度特性。第二，抑制浪涌电流。开关电源、电机、变压器或者照明电流源等在接通时，有很大的浪涌电流，将NTC热敏电阻和这些元件串连，可以有效地抑制这种电流，对元件起到保护作用。同时，抑制浪涌电流的 NTC元件也用于电子装置，如限制荧光灯、探照灯、幻灯、卤素灯等。第三，NTC热敏电阻还可用于温度检测。其在热水器、空调、厨房设备（微波炉、电热锅、消毒柜等）、办公用品（遥控器、无绳电话等）、汽车电控等方面已有广泛应用。
随着智能化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大、以及手机、掌上电脑、笔记本电脑和其它便携式信息及通信设备的迅速普及，进一步带动了对热敏电阻的大量需求，主要表现在大量充电电池、液晶显示器(LCD)、温度补偿型晶体振荡器(TCXO)等都必须采用热敏电阻进行温度补偿，以保证器件性能稳定。另外，高密度组装的电路结构对温度测量和控制的要求也就更加迫切[19]。
调查研究表明目前NTC热敏元件的销售额约已经占到热敏元件整体销售总量的20％左右，所以NTC热敏材料具有巨大的研究、发展空间。在工业和民用 许多领域都需要NTC热敏电阻及器件，NTC产业前景非常好[22]。
2.3 CTR陶瓷的研究及应用现状
临界温度系数热敏电阻(CTR)是一种具有开关特性的负温度系数热敏电阻[4]。CTR温敏器件是利用材料从半导体相转变到金属相时电阻的急剧变化而制成，故称为临界温度急变温敏电阻[21]。由于某些材料的转变温度较低，因此必须在低温情况下使用。如果需要转变温度较高一些的CTR热敏电阻，就必须搀杂一些氧化物(如CaO、SrO、BaO、SiO2、TiO2 等)。利用这种热敏电阻可以制成固态无触点开关，具有广泛的应用前景。VO2系临界温度热敏陶瓷已应用于恒温箱温度控制、火灾报警和电路的过热保护等[23]。
国外对于CTR半导瓷材料的研究从上世纪四十年代就开始了。1946年, Foex等人首先观察到V2O3的电阻率在173K时下降105倍的现象。1959年，Morin又发现VO2、VO、Ti2O3、NbO2等也有同样特性，其转变温度VO2为341K，VO为126K，Ti2O3为450K，NbO2为1070K。1965年，日本日立公司利用这种跃变特性首次制成CTR。它是以VO2为基加上Mg、Ca、Ba、Pb和P、B、Si的氧化物组成的二元系或三元系氧化物，在还原气氛下烧结后，在900℃以上淬火制成[24]。发展到今天，其理论与生产工艺都已经相当成熟。而我国从上世纪80年代开始研究CRT半导体陶瓷材料，不过关于该方面研究的交流甚少。目前，国内主要研究的是V-P-Fe系CTR电阻。
孙健等人[25]研究了3种样品的测量结果对应的电阻-温度特性曲线，比较其不同组份的导电特性，得到：①材料组份比的不同，将导致产品性能产生很大差距，它们的多数不能形成稳定的尖晶石结构，只能形成各种多晶氧化物的机械混合物。随组份比波动大，对热处理敏感；②各组分之间相互牵制影响。另外，王惠等人[26]从微观方面分析了V-P-Fe系CTR组分与材料性能的关系，得出V-P-Fe系CTR材料的导电模型是：晶粒体-粒界模型。利用该模型对该材料的实测阻温特性曲线进行分析，发现晶粒体阻值具有临界特征，且在高温态呈金属性，在低温态成为半导体，而粒界的导电则采取“电势垒模式”。
国内外关于CTR热敏陶瓷材料的研究交流较少，特别是对于其制备工艺以及影响其特性的因素方面的报道。国内的孙健等人[27]曾用烧结方法制成价格低廉的多晶VO2的CTR热敏材料。由于粗粒多晶也和单晶一样，在反复相变后性能不稳定，他们先使VO2微晶化并在其中掺入一些P2O5酸性氧化物，在弱还原性气氛中烧结并急剧冷却，使氧化物形成的玻璃相将VO2微晶粘结起来，以缓和相变引起的变形，同时又加入一些可以变价的Fe2O3碱性氧化物，以使CTR在导电中可因这些氧化物原子的变价而导电。经过反复筛选摸索工艺条，研制出了取材容易、价格低廉、体积小、响应快、性能良好的V-P-Fe系CTR珠状元件。
3.热敏半导体陶瓷存在的问题及展望
3.1 存在的问题
虽然我国的热敏半导体陶瓷材料在理论和应用方面的研究均取得了很快的发展，但是在技术和生产工艺方面还是与国外的水平之间存在着一定的差距，主要表现在：
①产品的品种少，种类不齐全；
②生产工艺与国外的水平有一定的差距，自动化生产程度相对较低，产品的一致性和合格率均较低；
③所有原料的一致性和稳定性差，这对产品的质量和生产的重复性都有极大的影响。
④测试技术不健全，对原材料与产品性能的测试不够完善，缺乏科学分析手段，生产者遇到的质量问题不能及时解决。
3.2 未来发展方向
首先，对于PTC陶瓷材料，其市场规模一方面会随着消费类等产品的发展而同步增长，另一方面会随着PTC陶瓷元件在其他各个领域（如军事、航天、汽车、通讯、家电等领域）的推广而进一步增长。其中汽车领域上的应用将会是一个很大的发展市场。而在技术方面，从目前看，主要向三个方向发展[28]：①高温PTC半导体陶瓷：目前，国内外广泛应用的高温PTC热敏陶瓷的居里温度约为300℃，而实际应用中很多时候要求居里温度更高，所以发展高温PTC陶瓷元件势在必得；②V型PTC陶瓷材料：V型PTC陶瓷材料是指在温度达到或超过居里温度时
呈现PTC特性，而低于居里温度时呈现NTC的特性。这种材料能够弥补传统PTC陶瓷的不足，目前已经研制开发出来的V型PTC陶瓷材料主要是(Sr、Pb)TiO3系的V型PTC陶瓷；③低电阻PTC陶瓷材料：对于PTC陶瓷元件要求较大的起始电流，所以就要求其室温电阻率越来越低。
对于NTC半导体陶瓷：随着信息技术的飞速发展，多层片式NTC热敏陶瓷[20]己经成为了国内外研究和开发的热点。它是一种技术含量高、生产难度大、产品附加值高的新型无源电子元件，涉及多项关键技术，主要包括：超低电阻率超微细粉体原料的制备、瓷体微晶结构的控制、高性能坯体绿色成型技术，以及气氛烧结等工艺技术等。国外在此技术领域对我们严格保密，研制出具有自主知识产权的片式NTC热敏元件，对满足迅速发展的国内电子信息产业的需求具有重大意义。另外，NTC热敏电阻老化特性研究和可控性研究也将是未来一段时间重点研究的方向。
而迄今为止，对于CRT半导体陶瓷的认识还是不够深入，今后应从缺陷化学、熔体化学及粒界形成的热力学方面进一步的深入研究。在这方面 理论和应用研究的进展，都将会极力的促进我国电子陶瓷的生产和电子科学技术的进步。另外，在CTR热敏陶瓷的制备过程中，可以尝试利用计算机来控制预烧和烧结。
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