А.П. Казанцев Учебное пособие

«МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

для высших учебных заведений по специальностям

I-39 01 01 «Радиотехника»,

I-39 01 02 «Радиоэлектронные системы»,

I-39 01 03 «Радиоинформатика»,

I-39 01 04 «Радиоэлектронная защита информации»

Минск 2008

Аннотация

В учебном пособии изложены основные сведения о свойствах материалов, используемых в изделиях электронной техники: проводников, диэлектриков, полупроводников и магнитных материалов.

Значительное внимание уделено физическим процессам, происходящим в материалах под действием электромагнитного поля, которое определяет такие свойства, как электропроводность, поляризация, способность намагничиваться. Выделены основные количественные параметры, отражающие свойства материалов и позволяющие сравнивать и рационально выбирать нужный материал для конкретных областей применения.

Приведены общие сведения по основным компонентам электроники: резисторам, конденсаторам, полупроводниковым приборам и интегральным схемам. Представлены классификационные схемы и таблицы основных количественных параметров наиболее широко используемых материалов и компонентов

электроники, изготавливаемых на их основе.

Предназначается для студентов младших курсов вузов и колледжей, обучающихся по радиотехническим и приборостроительным специальностям.

Содержание

Введение......................................................................................................................... 5

Глава 1. Электротехнические материалы.................................................................... 6

1.1. Классификация ЭТМ........................................................................................... 6

1.2. Физико-химическая природа материалов......................................................... 7

1.3. Энергетический спектр электронов и деление веществ на классы.................... 9

Контрольные вопросы.............................................................................................. 14

Глава 2. Проводники..................................................................................................... 15

2.1. Свойства и количественные параметры проводников....................................... 15

2.2. Материалы с высокой проводимостью............................................................. 17

2.3. Материалы с высоким удельным сопротивлением........................................... 20

2.4. Резистивные материалы..................................................................................... 22

2.5. Материалы и сплавы различного назначения................................................... 22

2.6. Изделия и компоненты электроники на основе

проводниковых материалов............................................................................. 25

Обмоточные провода.......................................................................................... 25

Монтажные провода........................................................................................... 26

Установочные провода, шнуры, кабели.............................................................. 27

2.7. Резисторы............................................................................................................. 30

Классификация резисторов по различным признакам........................................ 31

Наборы резисторов.............................................................................................. 33

Деление резисторов по материалу токопроводящего элемента......................... 35

Системы обозначений и маркировки резисторов............................................... 37

Контрольные вопросы.............................................................................................. 40

Глава 3. Диэлектрики.................................................................................................... 41

3.1. Свойства и количественные параметры диэлектриков...................................... 41

Поляризация.......................................................................................................... 41

Виды поляризации диэлектриков........................................................................ 44

Электропроводность диэлектриков..................................................................... 48

Потери в диэлектрике.......................................................................................... 49

Эквивалентные схемы замещения реального диэлектрика................................ 52

Пробой диэлектрика и виды пробоя................................................................... 54

Контрольные вопросы.............................................................................................. 56

3.2. Диэлектрические материалы............................................................................. 57

Классификация диэлектрических материалов..................................................... 57

Газообразные диэлектрические материалы........................................................ 57

Жидкие диэлектрические материалы.................................................................. 59

Твердые органические диэлектрические материалы.......................................... 60

Неорганические диэлектрические материалы.................................................... 66

Керамические материалы.................................................................................... 70

3.3. Конденсаторы....................................................................................................... 72

Классификация конденсаторов по различным признакам................................. 73

Варианты конструкций конденсаторов................................................................ 74

Деление конденсаторов по виду диэлектрика и система обозначений.............. 77

Контрольные вопросы.............................................................................................. 80

Глава 4. Полупроводники ...............................................................................................

4.1. Типы, основные свойства и количественные параметры полупроводников.... Собственные и примесные полупроводники.........................................................

Температурная зависимость удельной проводимости

примесных полупроводников..................................................................................

Фотопроводимость полупроводников.................................................................... Электропроводность полупроводников в сильных электрических полях.......... Контрольные вопросы..............................................................................................

4.2. Полупроводниковые материалы............................................................................

Методы получения монокристаллов.......................................................................

Получение и основные характеристики наиболее применяемых полупроводниковых материалов............................................................................

Контрольные вопросы..............................................................................................

4.3. Приборы и компоненты электроники на основе полупроводниковых материалов.............................................................................................................

Полупроводниковые резисторы.............................................................................. Диоды.........................................................................................................................

Транзисторы..............................................................................................................

Основные классификационные признаки транзисторов.......................................

Система условных обозначений транзисторов....................................................... Тиристоры..................................................................................................................

Многоэлектродные полупроводниковые приборы................................................ Контрольные вопросы..............................................................................................

4.4. Интегральные микросхемы....................................................................................

Классификация и типы интегральных микросхем................................................ Полупроводниковые ИС на биполярных и МДП-транзисторах.......................... Пленочные ИС. ........................................................................................................

Гибридные ИС...........................................................................................................

Совмещенные ИС.....................................................................................................

Контрольные вопросы...................................................................................................

Глава 5. Магнетики..........................................................................................................

5.1. Природа магнетизма и магнитные свойства веществ.........................................

5.2. Процесс намагничивания и количественные параметры магнитных материалов.............................................................................................................

Процесс намагничивания в переменном магнитном поле....................................

5.3. Магнитные материалы, основные характеристики, применение....................... Магнитомягкие материалы...................................................................................... Магнитотвердые материалы.................................................................................... Магнитные материалы специального назначения................................................. Контрольные вопросы...................................................................................................

Литература....................................................................................................................

Глава 5.

МАГНЕТИКИ

5.1. Природа магнетизма и магнитные свойства веществ.

Магнетик - вещество, основным свойством которого является способность намагничиваться.

Магнитные свойства всех веществ обусловлены магнитными свойствами атомов, которые в свою очередь определяются магнитными свойствами электронов, поскольку магнетизм других частиц - нейтронов, протонов весьма незначительный.

Электрон обладает орбитальным и спиновым магнитными моментами, которые, геометрически складываясь, создают результирующий момент атома. Следует подчеркнуть, что на полностью заполненных электронами орбитах спиновый и орбитальный моменты скомпенсированы и, таким образом, магнитный момент атома определяется только электронами на не полностью заполненных внутренних орбитах.

Суммарный магнитный момент всех атомов в единице объема называется намагниченностью J. Намагниченность J = О, когда вещество не намагничено, т.е. в пространстве, окружающем вещество, отсутствует внешнее магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле с напряженностью Н происходит ориентация магнитных моментов атомов и намагниченность определяется соот-

ношением

J = k mH , где

k m- безразмерная величина, которая называется магнитная

восприимчивость. Она характеризует способность веществ намагничиваться во внешнем магнитном поле с напряженностью Н.

На практике способность веществ намагничиваться принято характеризовать относительной магнитной проницаемостью m= (1 + km) , которая фактически является коэффициентом пропорциональности, связывающим магнитную индукцию в веществе с напряженностью внешнего поля Н. Магнитная проницаемость μ показывает во сколько раз магнитная индукция В поля в веществе больше, чем магнитная индукция В0 в вакууме.

В соответствии с численными значениями k m

и μ , а также характером их

зависимости от напряженности внешнего поля Н и температуры Т различают следующие основные типы магнитных явлений и магнетиков:

-5

- диамагнетизм – диамагнетики km

- парамагнетизм - парамагнетики km

» (10-3...10-6 ) > 0

μ ~ 1;

- ферромагнетизм - ферромагнетики km

~10

>> 0, m >> 1;

-3 -5

- антиферромагнетизм - антиферромагнетики

km

...10

) > 0

μ > 1;

- ферримагнетизм - ферримагнетики

km

) > 0 m >> 1.

Диамагнитный эффект заключается в том, что под действием внешнего магнитного поля возникающий в веществе магнитный момент направлен противоположно направлению внешнего поля. Следовательно, магнитная восприимчивость – величина отрицательная, очень мала и часто не зависит от

напряженности поля и температуры. Диамагнетизм проявляется в веществах, в которых орбитальные и спиновые моменты атомов полностью скомпенсированы. К ним относятся водород, инертные газы, цветные и благородные металлы.

Парамагнитный эффект наблюдается в веществах с не- скомпенсированными орбитальным и спиновым магнитными моментами, когда отсутствует магнитный атомный порядок. При отсутствии внешнего поля векторы магнитных моментов разориентированы и суммарный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля возникает преимущественная ориентация

магнитных моментов вдоль него. Однако k m

очень мала и существенно зависит

от температуры. К веществам данного класса относятся щелочные, щелочно- земельные и некоторые переходные металлы.

Ферромагнитный эффект заключается в том, что при температуре ниже точки Кюри даже в отсутствие внешнего поля существует ферромагнитный атомный порядок. Ему соответствует параллельное расположение спиновых моментов. Это означает, что при напряженности поля Н = 0 ферромагнетик находится в состоянии самопроизвольного или спонтанного намагничивания.

Магнитная восприимчивость k m

>> 0 и существенно зависит от напряженности

внешнего поля и температуры. К ферромагнетикам относятся Fe, Ni, Co, Cd, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы Mn, Ag, A1.

Ферромагнетики характеризуются:

- кристаллическим строением и доменной структурой при температурах ниже точки Кюри;

- нелинейной зависимостью μ и k m, от H и температуры;

- способностью даже в слабых полях намагничиваться до насыщения, когда магнитные моменты всех атомов сориентированы по направлению внешнего поля;

- магнитным гистерезисом, т.е. отставанием намагниченности от внешнего поля Н;

- температурой Кюри Тк, выше которой теряются магнитные свойства, т.е. разрушается ферромагнитный атомный порядок.

Антиферромагнитный эффект характеризуется наличием антиферромагнитного атомного порядка, когда магнитные моменты соседних атомов ориентированы антипараллельно и скомпенсированы так, что при Н=0 результирующий магнитный момент равен нулю. Под действием внешнего поля

магнитные моменты атомов устанавливаются по его направлению. Поэтому k m

положительна, но очень мала и сильно зависит от температуры.

Ферримагнитный эффект - это нескомпенсированный антиферромагнетизм, который характеризуется ферримагнитным атомным порядком. Это означает, что магнитные моменты атомов антипараллельны и нескомпенсированы. Эффект проявляется в том, что вещество по кристаллической структуре состоит из двух подрешеток, создающих встречные нескомпенсированные моменты. Для таких

веществ

k m>> 0 и зависит от температуры, причем при некоторой ТН,

называемой температурой (точкой) Нееля, наступает компенсация встречных магнитных моментов и вещество теряет магнитные свойства. Точка Кюри для

некоторых ферримагнетиков может совпадать с точкой Нееля, а может быть и несколько выше.

При температурах выше точки Кюри для ферромагнетиков и выше точки Нееля для антиферромагнетиков и ферримагнетиков нарушается соответствующий атомный магнитный порядок и они переходят в парамагнитное состояние.