PTC效應

PTC（Positive Temperature Coefficient）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料，可專門用作恒定溫度傳感器．該材料是以BaTiO3或 SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結體，其中摻入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物進行原子價控制而使之半導化，常將這種半導體化的BaTiO3等材料簡稱為半導（體）瓷；同時還添加增大其正電阻溫度系數(shù)的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化，從而得到正特性的PTC熱敏電阻材料．其溫度系數(shù)及居里點溫度隨組分及燒結條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化．

PTC熱敏電阻于1950年出現(xiàn)，隨后1954年出現(xiàn)了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻．PTC熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測與調節(jié)，還大量用于民用設備，如控制瞬間開水器的水溫、空調器與冷庫的溫度，利用本身加熱作氣體分析和風速機等方面．下面簡介一例對加熱器、馬達、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護方面的應用。

PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到“開關”的作用，兼有敏感元件、加熱器和開關三種功能，稱之為“熱敏開關”，如圖2和3所示．電流通過元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當超過居里點溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開關作用．利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣柜、空調等，還可對電器起到過熱保護作用．

PTC熱敏電阻的主要特點是：

①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；

②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于- 55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；

③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；

④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；

⑤易加工成復雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；

⑥穩(wěn)定性好、過載能力強．2100433B

PTC熱敏電阻(正溫度系數(shù)熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導體電阻，一旦超過一定的溫度(居里溫度) 時，它的電阻值隨著溫度的升高幾乎是呈階躍式的增高。PTC熱敏電阻本體溫度的變化可以由流過PTC熱敏電阻的電流來獲得，也可以由外界輸入熱量或者這二者的疊加來獲得。 陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體，而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基，摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的，具有較低的電阻及半導特性.通過有目的的摻雜一種化學價較高的材料作為晶體的點陣元來達到的:在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價的離子所替代，因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導電性的自由電子。

對于PTC熱敏電阻效應,也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構成的，在晶粒的界面上,即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘,阻礙電子越界進入到相鄰區(qū)域中，因此而產(chǎn)生高的電阻.這種效應在溫度低時被抵消；在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強度在低溫時阻礙了勢壘的形成并使電子可以自由地流動.而這種效應在高溫時，介電常數(shù)和極化強度大幅度地降低，導致勢壘及電阻大幅度地增高，呈現(xiàn)出強烈的PTC效應。

PTC熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件．PTC熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化。若電子和空穴的濃度分別為n、p，遷移率分別為μn、μp，則半導體的電導為：

σ=q（nμn pμp）

因為n、p、μn、μp都是依賴溫度T的函數(shù)，所以電導是溫度的函數(shù)，因此可由測量電導而推算出溫度的高低，并能做出電阻-溫度特性曲線．這就是半導體熱敏電阻的工作原理．

相當多種類型的導電聚合體會呈現(xiàn)出這種效應，如高分子PTC熱敏電阻。這些導電聚合體對于制造過電流保護裝置來說非常有用。2100433B

摻雜BaTiO₃陶瓷是主要的熱敏陶瓷。BaTiO₃的PTC效應與其鐵電性相關,其電阻率突變同居里溫度T_c相對應。但是，沒有晶界的BaTiO₃單晶不具有PTC效應。只有晶粒充分半導化，晶界具有適當絕緣性的BaTiO₃陶瓷才具有PTC效應。當制備BaTiO₃熱鐓陶瓷時，采用施主摻雜使晶粒充分半導化，采用氧氣氛燒結使晶界及其附近氧化，具有適當?shù)慕^緣性，緩慢冷卻也使晶界氧化充分，PTC效應增強。

關于BaTiO₃的PTC效應，Heywang基于該效應同居里點相關的事實，認為施主摻雜BaTiO₃晶粒邊界存在的二維受主型表面態(tài)與晶粒的載流子相互作用，產(chǎn)生晶粒表面的勢壘層。勢壘高度φ與有效介電常數(shù)ε成反比。當溫度低于居里點時，e約為10⁴，因此，φ很小時，電阻率也小。