正溫度係數熱敏電阻(PTC thermistor)
/ P-T-C THERM-iss-ter /
熱敏電阻是一種電阻值被刻意做成強烈依賴溫度的電阻。PTC 熱敏電阻是其中電阻值會「向上跳」的那種——一旦夠熱,就急遽地、以數量級之差跳升。冷的時候它樂於導電;一旦加熱越過設定的門檻,它便幾乎完全掐斷電流。這種自我限流的行為使它同時像一個可復歸的保險絲與一個自我調節的加熱器,而且不同於半導體版本,它是由陶瓷做成的。
經典的陶瓷 PTC 是半導體化的鈦酸鋇——同樣的鐵電鈣鈦礦,但經施體摻雜(例如摻一點鑭或鈮)使它導電,並做成多晶體。作用發生在晶界。在 Heywang 模型中,每個晶界上富含受體的薄層形成阻礙電子流動的位能能障。在居里溫度以下,材料是鐵電的、介電率高,這在電學上「屏蔽」了那些能障、使它們維持很低,所以陶瓷導電。把它加熱到居里溫度以上,它變成順電:介電率依居里-外斯定律崩落、屏蔽消失、晶界能障陡升,於是電阻在幾度之內躍升一千到一千萬倍。切換溫度恰好就是鈦酸鋇的居里溫度,並可藉置換鍶(使其降低)或鉛(使其升高)來調整。
這使 PTC 陶瓷成為漂亮的自我調節加熱器——它們升溫、達到切換溫度、掐住自己的電流,並在毫無控制電子電路下維持一個穩定溫度,這正是為什麼它們加熱汽車後照鏡、柴油引擎進氣與吹風機。它們也充當可復歸的過電流保護器,以及舊映像管電視裡的消磁元件。一個容易被忽略的誠實提醒:PTC 的跳升是一種晶界現象,所以它只存在於正確摻雜、正確再氧化的多晶顯微組織中——同樣組成的單晶幾乎完全顯不出 PTC 效應。這個元件是由晶界、而不只是由本體所造就的。
汽車電熱後照鏡後面的一顆 PTC 陶瓷不需要恆溫器:冷時它抽取電流、溫熱玻璃;當它達到居里溫度切換點,電阻飆升、自身電流下降,便安定在一個安全、自我限制的溫度——較熱的天氣只是讓它更快到達那裡。
PTC 的切換溫度就是鐵電居里溫度:其下陶瓷導電,其上晶界能障把電阻猛地推高。
PTC 效應不是本體性質,而是晶界性質。同樣的鈦酸鋇組成若長成單晶便幾乎顯不出——那巨大的電阻跳升仰賴摻雜、再氧化的多晶顯微組織。