電子元器件第一章

1、*電子器件基礎唐曉莉微電子與固體電子學院辦公室：微固樓215 Email：Tel引言：電子元器件無源器件電感器電容器電阻器有源器件變壓器濾波器電感器*教學目的通過該部分課程的學習，使大家能夠在設計各類磁性電子器件時，知道該如何有效的進行磁芯材料、結構、尺寸的設計，并在遇到一些實際工程應用問題的時候，知道該從哪些方面來調整參數(shù)，使器件滿足實際應用的需要。課程內容說明：第一章：對磁性材料的一些基本特征進行介紹。第二章：磁芯和繞組基礎特征介紹。第三、四、五、六章：分別介紹四大類應用最廣泛的磁性器件(電感器、低功率線性變壓器、功率變壓器、抗電磁干擾濾波器）的原理及設計。第七

2、章：LTCC無源集成技術及在磁性器件中的應用*第一章 軟磁材料的基本特性1.1磁性材料的基本特性一、基本特性： 物體放在外加磁場中，物體就被磁化了，其磁化強度M和磁場強度H的關系由M=H來描述。M、H、B三者關系：M=H；B=0 （H+M）=0（ +1）H定義=1+，則B= 0H*磁化強度M、磁場強度H、磁感應強度B、磁化率、磁導率幾個關鍵磁學量的關系和區(qū)別：M：描述宏觀磁性體磁性強弱的量H、B：表征磁場強度與方向的物理量H：描述磁場源的特性B：垂直穿過單位面積的磁力線的數(shù)量B2B1B受介質的影響，磁場的強弱、方向發(fā)生變化，表示的是磁場源在特定環(huán)境下的效果H反映的是磁場源的強弱，不隨有無介質而

3、改變*:物體磁化難易程度的參量:磁性物體導磁能力的物理量定義:=1+注：磁化率一般只在討論物質磁性的時候使用；磁導率則是磁性材料關鍵的磁參數(shù)*鐵磁性 和亞鐵磁性物質磁化率0，與外磁場H之間呈現(xiàn)復雜的非線性函數(shù)關系鐵磁性材料可達101106 量級，一般為Fe、Co、Ni及一些稀土金屬磁性材料。亞鐵磁性材料可達101104 量級，一般為鐵氧體材料（磁性陶瓷材料）亞鐵磁磁結構本課程主要討論亞鐵磁性材料構建的磁性器件AB物質可分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性五類鐵磁磁結構*二.磁性材料分類A、軟磁：a、金屬軟磁：種類：包括硅鋼片、坡莫合金等；優(yōu)點：磁導率和Bs大， 居里溫度高；缺點：電阻

4、率?。挥猛荆河糜诘皖l磁性器件磁芯b、非晶/納米晶軟磁：種類：包括Co基/Fe基非晶/納米晶材料等優(yōu)點：磁導率和Bs大， 居里溫度高；缺點：電阻率較小，成本高；用途：用于較低頻磁性器件磁芯常用磁性材料軟磁永磁旋磁矩磁壓磁納米晶：采用熔體快淬法制備出非晶條帶，然后將非晶條帶在一定條件下進行退火處理 Finemet(Fe73.5Si13.5B9CuNb3) TEM明場像示意*d、鐵氧體軟磁：種類：包括尖晶石系和六角晶系鐵氧體等；優(yōu)點：電阻率高，成本低；缺點：磁導率和Bs不太高，居里溫度較低；用途：用于中、高頻磁性器件磁芯c、鐵粉芯軟磁：特征：將金屬軟磁與有機介質復合；優(yōu)點：電阻率高，不易飽和；缺點：

5、磁導率不高；用途：用于抗大直流偏置的磁芯*B、永磁：a、稀土合金永磁：種類：包括燒結稀土永磁和粘結稀土永磁；優(yōu)點：磁能積大；缺點：成本高；用途：對外提供磁場的領域b、鐵氧體永磁：種類：主要為六角晶系Ba鐵氧體；優(yōu)點：成本低廉；缺點：磁能積較?。挥猛荆簩ν馓峁┐艌龅念I域*C、旋磁（微波鐵氧體）：種類：包括尖晶石系、石榴石系和六角晶系鐵氧體旋磁；用途：用于制作各種微波旋磁器件，如隔離器、環(huán)行器、移相器等等E、壓磁用途：用于磁存儲用途：基于磁致伸縮效應的應用用途：用于磁存儲用途：基于磁致伸縮效應的應用D、矩磁用途：用于磁存儲用途：基于磁致伸縮效應的應用*鐵氧體軟磁尖晶石系MnZn鐵氧體：Bs和磁導率

6、較高，但電阻率相對較低，在 2MHz以下性能一般優(yōu)于NiZn鐵氧體。按 應用主要可分為功率型MnZn和高導型 MnZn材料兩大類。NiZn鐵氧體：Bs和磁導率相對較低，但電阻率很高，因 而更適合高頻應用，按應用可分為功率 型、高頻電感型、抗EMI型、低溫共燒型 材料等幾類。Co2Z鐵氧體：磁導率低，電阻率高，截止頻率很高，可 應用GHz的特高頻，可用于高頻電感和 抗EMI材料。六角晶系鐵氧體軟磁是品種最多，應用最廣泛的磁性材料。*1.2 軟磁鐵氧體材料磁化特性與磁導率 一. 磁滯現(xiàn)象和磁飽和現(xiàn)象磁滯回線和飽和磁滯回線區(qū)別-同一磁芯的磁滯回線有無窮多條，因為對其施加任意的大小的交變外加磁場，都會

7、產生對應的磁滯回線。而其飽和磁滯回線則是唯一的。不同磁化磁場下形成的磁滯回線 磁化曲線及磁滯回線 *起始磁導率：如果材料從退磁狀態(tài)開始，受到對稱的交變磁場的反復磁化，當這種交流磁場趨近于零時所得到磁導率。振幅磁導率：在某一特定振幅磁場下，振幅B比上振幅H所得到的磁導率。增量磁導率：有直流偏置磁場作用時的磁導率。有效磁導率：磁芯開氣隙時的磁導率。二.磁性材料的磁導率*直流偏置磁場：使磁芯變得容易飽和，磁導率變?yōu)樵隽看艑剩狄话憬档?。注意：H0A0A1*加氣隙作用：主要使磁芯不易飽和，磁導率變?yōu)橛行Т艑剩狄话銜档妥⒁猓篐0A0A1A2*一般在外磁場H很小時，B與H保持線性關系，此時磁導率為

8、起始磁導率。1、影響起始磁導率i 的因素 對i 貢獻包括疇壁的可逆位移和磁疇矢量的可逆轉動。2、提高起始磁導率的途徑三. 起始磁導率的影響因素及提高方法由疇壁可逆位移所決定的i由磁疇可逆轉動磁化所決定的i 鐵氧體微觀形貌特征所決定的i 1.提高飽和磁化強度2.降低K1和s3.減少雜質和內應力 4.改善材料的微觀結構*(1).提高飽和磁化強度MsMs主要由鐵氧體的配方組成所決定，選擇適當?shù)某煞只驌饺肽承M入晶格的添加劑，可以提高Ms增大鐵氧體的燒結密度，也可在一定程度上提高材料Ms (2).降低K1和s在材料配方和工藝上力求獲得K1-0和s-0(3).減少雜質和內應力通過選擇原料、控制燒結過程

9、及熱處理等手段來實現(xiàn) *(4).改善材料的微觀結構高i鐵氧體材料微觀結構必須具備下列條件：a.晶粒大、均勻；沒有或很少氣孔、雜質、位錯及其他缺陷；b.在晶粒內部不出現(xiàn)另相；c.晶粒內部有良好的化學均勻性。 綜合以上的討論，提高軟磁鐵氧體材料i的條件歸納如下：1.原材料：要求純度高、活性好、雜質少。2.配方基本成分不僅要滿足Ms高，更重要的是盡量滿足K1和s趨于0的條件3.保證獲得高密度及優(yōu)良顯微結構的工藝條件 4.采取適當?shù)臒Y和熱處理工藝進一步改善微觀結構，促使均勻化，消除內應力，調節(jié)離子、空位的穩(wěn)定分布狀態(tài) *1.3 軟磁材料的線性和非線性特性 一.軟磁材料的線性特性在交變弱磁場下工作時軟

10、磁材料的近似磁滯回線 -瑞利關系-磁化曲線表達式*彼德生關系無外加偏置磁場作用，回線相對于原點對稱的前提下：如果忽略H2以上的高次項其中，a10 為起始磁導率，a11 為瑞利常數(shù)*二.磁性材料的非線性特性磁性材料的不可逆磁化過程引起了B滯后于H,磁化曲線稱為非線性 磁化過程可逆磁化不可逆磁化磁化曲線為線性磁化曲線為非線性可逆磁疇轉動可逆疇壁位移不可逆磁疇轉動不可逆疇壁位移*可逆與不可逆疇壁位移能量H可逆過程示意H=0H=0能量HH=0不可逆過程示意能量H=0*1.4 軟磁材料的損耗特性靜態(tài)磁化由于不需要考慮磁化的時間問題，在一定大小的外磁場H作用下，鐵磁體內便產生相應大小的磁感應強度B或磁化強

11、度M，所以本征靜態(tài)磁特性磁導率為實數(shù)，損耗只有磁滯損耗。磁滯回線*動態(tài)磁化在交變磁場下，鐵磁體內的B和H均隨時間而變化，它們之間不僅有振幅的大小關系，還有相位關系，因此須采用復數(shù)磁導率來同時反映兩者振幅和相位的關系100kHz50kHz25kHz不同頻率下的磁滯回線*復數(shù)磁導率交變場下磁芯的損耗比損耗系數(shù)材料相對損耗的大小*動態(tài)磁化下的損耗：2.渦流損耗（We）來源：由交變磁場的電磁感應所引起的渦流造成 大小：與頻率、厚度成正比，與電阻率成反比減小途徑：提高材料電阻率及減小片狀材料厚度d來源：克服阻尼作用而損耗的外磁場供能大?。捍艤鼐€包圍的面積減小途徑：降低材料剩磁Br和矯頑力Hc1.磁滯損耗（Wh）來源：克服阻尼作用而損耗的外磁場供能大小：磁滯回線包圍的面積減小途徑：降低材料剩磁Br和矯頑力Hc*3.剩余損耗（Wc）來源：來自磁后效,疇壁位移以及磁疇轉動過程的時間 效應 大?。阂环矫鏇Q定于參與擴散的粒子濃度，另一方面還與環(huán)境溫度及頻率密切相關 減小途徑：減小擴散離子濃度，抑制離子擴散的 產