JP2000315601A - 半導体セラミック、半導体セラミック素子、および回路保護素子 - Google Patents

半導体セラミック、半導体セラミック素子、および回路保護素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 室温比抵抗が3Ω・cm以下、かつ抵抗温度特
性が9%/℃以上の半導体セラミックおよび半導体セラ
ミック素子を提供する。 【解決手段】 正の抵抗温度係数を有する半導体セラミ
ックにおいて、結晶粒子の粒内抵抗値(R1)と、結晶
粒子の粒内抵抗値(R1)と結晶粒子間の粒界抵抗値
(R2)との和である全体抵抗値(R1+R2)との比R1
/(R1+R2)が、0.35〜0.85であることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体セラミック、
特に正の抵抗温度特性を有する半導体セラミック、半導
体セラミック素子、およびそれを用いた回路保護素子に
関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来
より、過電流からの回路の保護や、カラーテレビの消磁
用の部品には、キュリー温度以上で急激に高抵抗化する
正の抵抗温度特性(以下、PTC特性とする)を有する
半導体セラミックに電極を設けた半導体素子が用いられ
ている。半導体素子に用いられる半導体セラミックとし
ては、主に室温比抵抗が小さく、抵抗温度係数が大きい
チタン酸バリウム系セラミックが用いられている。
【0003】このようなチタン酸バリウム系半導体セラ
ミックについては、抵抗温度特性の向上、室温比抵抗の
低減、耐電圧の向上が求められており、これらの課題を
解決すべく様々な研究がなされている。
【0004】例えば、特開平3−54165号公報に
は、45〜87mol%のBaTiO3と、3〜20mol%
PbTiO3と、5〜20mol%のSrTiO3と、5〜
15mol%のCaTiO3とを主成分とし、この主成分に
対して、Sb,Bi,Nb,Ta,希土類元素の中から
選ばれる半導体化剤と、0.2〜0.5mol%のMn
と、0〜0.45mol%のSiO2とを添加したチタン酸
バリウム系半導体セラミックが開示されており、このよ
うな組成にすることによって、その室温比抵抗を3〜1
0Ω・cmとしている。
【0005】また、特開平3−88770号公報には、
45〜85mol%のBaTiO3と、1〜20mol%のP
bTiO3と、1〜20mol%のSrTiO3と、5〜2
0mol%のCaTiO3とを主成分とし、この主成分に対
し、0.1〜0.3mol%の半導体化剤と、0.006
〜0.025molのMnと、0.1〜1mol%のSiO2
とを添加剤として含む半導体セラミックが開示されてい
る。このよう組成および粒径を調整することによって、
その室温比抵抗を4〜8Ω・cm、抵抗温度特性の勾配が
9%/℃以上としている。
【0006】さらに、特開平9−22801号公報に
は、半導体セラミックの結晶粒子の粒界抵抗値と結晶粒
子間の粒内抵抗値とからなる抵抗値に占める粒界抵抗値
の割合を20%以下とすることによって、半導体セラミ
ックの耐電圧を向上させうることが開示されている。
【0007】このように、PTC特性を有する半導体セ
ラミックにおいて、抵抗温度特性の向上、室温比抵抗の
低減、耐電圧の向上が図られてはいるが、市場からの半
導体セラミックに対する要求はますます厳しくなってき
ている。特に、回路保護用に用いられる半導体セラミッ
クについては、消費電力を低減するために、さらに低い
室温比抵抗を有するものが求められている。
【0008】本発明の目的は、室温比抵抗が3Ω・cm以
下、かつ抵抗温度特性が9%/℃以上の半導体セラミッ
クおよび半導体セラミック素子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記のような目
的に鑑みてなされたものである。第1の発明の半導体セ
ラミックは、正の抵抗温度係数を有する半導体セラミッ
クにおいて、結晶粒子の粒内抵抗値(R1)と、前記結
晶粒子の粒内抵抗値(R1)と前記結晶粒子間の粒界抵
抗値(R2)との和である全体抵抗値(R1+R2)との
比R1/(R1+R2)が、0.35〜0.85であるこ
とを特徴とする。
【0010】このような粒内抵抗値と全体抵抗値との比
にすることによって、室温比抵抗を3Ω・cm以下とする
ことができ、かつ抵抗温度特性が9%/℃以上とするこ
とができる。
【0011】また、第2の発明の半導体セラミックにお
いては、前記結晶粒子は、チタン酸バリウムを主成分と
することが好ましい。
【0012】このような組成にすることによって、より
PTC特性に優れた半導体セラミックとすることが出き
る。
【0013】また、第3の発明の半導体セラミックは、
第1の発明または第2の発明の半導体セラミック上に電
極を設けたことを特徴とする。
【0014】また、第4の発明の回路保護素子において
は、第3の発明の半導体セラミック素子からなることが
好ましい。
【0015】このような用途に用いることによって、室
温比抵抗の低い本発明の半導体セラミック素子をより効
果的に用いることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の半導体セラミックは、結
晶粒子の粒内抵抗値(R1)と、粒内抵抗値(R1)と結
晶粒子間の粒界抵抗値(R2)との和である全体抵抗値
(R1+R2)との比R1/(R1+R2)が、0.35〜
0.85である。
【0017】上記半導体セラミックは、その組成を特に
限定するものではないが、PTC特性に優れているとい
う点から主成分にBaTiO3を含むものを用いること
が好ましい。なお、ここでいうBaTiO3を含む主成
分とは、BaTiO3の他にPbTiO3,SrTi
3,CaTiO3等を含んでいてもよい。さらに好まし
くは、BaTiO3が30〜97mol%、PbTiO3
1〜50mol%、SrTiO 3が1〜30mol%、CaT
iO3が1〜25mol%(合計100mol%)の範囲にあ
る主成分を用いることが好ましい。
【0018】また、上記主成分の他に、副成分として、
La,Sb,Nb,Y,希土類元素から選ばれる半導体
化剤や、SiやMn等の酸化物等を添加してもよい。な
お、半導体化剤としては、室温比抵抗のロット間ばらつ
きが小さく、室温比抵抗をより小さくできるSm23
用いることが好ましい。
【0019】また、上記全体抵抗値は、粒内抵抗値(R
1)と粒界抵抗値(R2)との和である。すなわち、粒内
抵抗値/全体抵抗値=粒内抵抗値/(粒内抵抗値+粒界
抵抗値)=R1/(R1+R2)となる。次に、本発明の
半導体セラミックを実施例を用いてさらに具体的に説明
する。
【0020】
【実施例】まず、主成分の出発原料としてBaCO3
60mol、PbOが10mol、SrCO3が15mol、Ca
CO3が15mol、TiO2が100molとなるように秤量
した。さらに、半導体化剤としてSm23が0.1mo
l、その他の添加剤としてMnCO3が0.02mol、S
iO2が1molとなるように副成分の出発原料を秤量し
た。
【0021】次に、それぞれを配合してボールミルで5
時間湿式混合し、脱水、乾燥して混合物を得た。得られ
た混合物を1150℃で2時間仮焼した後、バインダー
を混合し、さらに造粒して造粒粒子とした。この造粒粒
子を1.5ton/cm2で厚さ4.0mm、直径9.0mmの円
板状に加圧成形し、成形体とした。得られた成形体を、
1350℃で1時間焼成し、表1のような粒内/全体抵
抗値比となるように、1150〜1250℃の範囲で酸
化処理条件を変えて、半導体セラミックを得た。
【0022】次に、図1に示すように、半導体セラミッ
ク3の両主面にIn−Ga電極ペーストを塗布し、表面
電極5を形成して半導体セラミック素子1とした。
【0023】次に、この半導体セラミック素子の室温比
抵抗(ρ25)、抵抗温度係数(α)を測定し、さらに半
導体セラミックの結晶粒の粒内抵抗値(R1)、粒界抵
抗値(R2)、および全体抵抗値(R1+R2)とを測定
した。なお、粒内抵抗値(R1)および粒界抵抗値
(R2)は、複素インピーダンス法によって測定した。
ここで、複素インピーダンス法による粒内抵抗値および
粒界抵抗値の測定の方法を説明する。インピーダンスア
ナライザーを用いて100MHzから30MHzの周波数領域
で測定を行い、図2に示す測定点を得た。この測定点よ
り粒内抵抗値、全体抵抗値を求めるために、図2に示す
円弧を作図した。なお、作図に際しては、円弧の右側部
分を測定点の一致性を高めるようにした。また、円弧の
左側部分は円弧の右側部分を外すように作図した。した
がって、図2のグラフは、右端の点0.84Ωが粒内抵
抗値(R1)、左端の点1.45Ωが全体抵抗値(R1
2)、全体抵抗値(R1+R2)と粒内抵抗値(R1)と
の差(1.45Ω−0.84Ω=0.61Ω)が粒界抵
抗値(R2)であることを示す。この粒内抵抗値(R1
と粒界抵抗値(R2)から、粒内/全体抵抗値比率(R1
/(R1+R2))を算出した。その結果を表1に示す。
なお、表1中の※印は本発明の範囲外である。
【表1】 表1に示すように、本発明の半導体セラミックは、室温
比抵抗が3.0Ω・cm以下、かつ抵抗温度係数が9%/
℃以上であることがわかる。
【0024】ここで、請求項1において粒内/全体抵抗
値比率(R1/(R1+R2))を0.35〜0.85に
限定したのは、試料番号1のように、粒内/全体抵抗値
比率(R1/(R1+R2))が0.35より小さい場合
には、抵抗温度係数が12.1%/℃と高いものの、室
温比抵抗が3Ω・cmを越えてしまい好ましくないからで
ある。一方、試料番号14のように、粒内/全体抵抗値
比率(R1/(R1+R 2))が0.85より大きい場合
は、室温比抵抗が1.0Ω・cmと小さいものの、抵抗温
度係数が9%/℃より大幅に低くなり好ましくないから
である。
【0025】
【発明の効果】本発明の半導体セラミックは、正の抵抗
温度係数を有する半導体セラミックにおいて、結晶粒子
の粒内抵抗値(R1)と、前記結晶粒子の粒内抵抗値
(R1)と前記結晶粒子間の粒界抵抗値(R2)との和で
ある全体抵抗値(R1+R2)との比R1/(R1+R2
が、0.35〜0.85であるので、室温比抵抗を3Ω
・cm以下とすることができ、かつ抵抗温度特性が9%/
℃以上とすることができる。
【0026】また、上記結晶粒子をチタン酸バリウムを
主成分とすることによって、よりPTC特性に優れた半
導体セラミックとすることができる。
【0027】また、本発明の半導体セラミック素子は、
上記半導体セラミック上に電極を設けたものである。ま
た、上記半導体セラミック素子は回路保護用に用いられ
るので、室温比抵抗の低い本発明の半導体セラミック素
子をより効果的に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体セラミック素子の概略斜視図。
【図2】複素インピーダンス法による各抵抗値の測定例
を示すグラフ。
【符号の説明】
1 半導体セラミック素子 2 半導体セラミック 3 電極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正の抵抗温度係数を有する半導体セラミ
    ックにおいて、結晶粒子の粒内抵抗値(R1)と、前記
    結晶粒子の粒内抵抗値(R1)と前記結晶粒子間の粒界
    抵抗値(R2)との和である全体抵抗値(R1+R2)と
    の比R1/(R1+R2)が、0.35〜0.85である
    ことを特徴とする半導体セラミック。
  2. 【請求項2】 前記結晶粒子は、チタン酸バリウムを含
    んでなることを特徴とする請求項1に記載の半導体セラ
    ミック。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載の半導体
    セラミック上に電極を設けたことを特徴とする半導体セ
    ラミック素子。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の半導体セラミック素子
    からなることを特徴とする回路保護素子。
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