電子元器件第一章

1、*電子器件基礎(chǔ)唐曉莉微電子與固體電子學(xué)院辦公室：微固樓215 Email：Tel引言：電子元器件無(wú)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(xué)目的通過(guò)該部分課程的學(xué)習(xí)，使大家能夠在設(shè)計(jì)各類磁性電子器件時(shí)，知道該如何有效的進(jìn)行磁芯材料、結(jié)構(gòu)、尺寸的設(shè)計(jì)，并在遇到一些實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題的時(shí)候，知道該從哪些方面來(lái)調(diào)整參數(shù)，使器件滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。課程內(nèi)容說(shuō)明：第一章：對(duì)磁性材料的一些基本特征進(jìn)行介紹。第二章：磁芯和繞組基礎(chǔ)特征介紹。第三、四、五、六章：分別介紹四大類應(yīng)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(shè)計(jì)。第七

2、章：LTCC無(wú)源集成技術(shù)及在磁性器件中的應(yīng)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(chǎng)中，物體就被磁化了，其磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系由M=H來(lái)描述。M、H、B三者關(guān)系：M=H；B=0 （H+M）=0（ +1）H定義=1+，則B= 0H*磁化強(qiáng)度M、磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁化率、磁導(dǎo)率幾個(gè)關(guān)鍵磁學(xué)量的關(guān)系和區(qū)別：M：描述宏觀磁性體磁性強(qiáng)弱的量H、B：表征磁場(chǎng)強(qiáng)度與方向的物理量H：描述磁場(chǎng)源的特性B：垂直穿過(guò)單位面積的磁力線的數(shù)量B2B1B受介質(zhì)的影響，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、方向發(fā)生變化，表示的是磁場(chǎng)源在特定環(huán)境下的效果H反映的是磁場(chǎng)源的強(qiáng)弱，不隨有無(wú)介質(zhì)而

3、改變*:物體磁化難易程度的參量:磁性物體導(dǎo)磁能力的物理量定義:=1+注：磁化率一般只在討論物質(zhì)磁性的時(shí)候使用；磁導(dǎo)率則是磁性材料關(guān)鍵的磁參數(shù)*鐵磁性 和亞鐵磁性物質(zhì)磁化率0，與外磁場(chǎng)H之間呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系鐵磁性材料可達(dá)101106 量級(jí)，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(dá)101104 量級(jí)，一般為鐵氧體材料（磁性陶瓷材料）亞鐵磁磁結(jié)構(gòu)本課程主要討論亞鐵磁性材料構(gòu)建的磁性器件AB物質(zhì)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(jié)構(gòu)*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(diǎn)：磁導(dǎo)率和Bs大， 居里溫度高；缺點(diǎn)：電阻

4、率??；用途：用于低頻磁性器件磁芯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(diǎn)：磁導(dǎo)率和Bs大， 居里溫度高；缺點(diǎn)：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(jìn)行退火處理 Finemet(Fe73.5Si13.5B9CuNb3) TEM明場(chǎng)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(diǎn)：電阻率高，成本低；缺點(diǎn)：磁導(dǎo)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(jī)介質(zhì)復(fù)合；優(yōu)點(diǎn)：電阻率高，不易飽和；缺點(diǎn)：

5、磁導(dǎo)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(jié)稀土永磁和粘結(jié)稀土永磁；優(yōu)點(diǎn)：磁能積大；缺點(diǎn)：成本高；用途：對(duì)外提供磁場(chǎng)的領(lǐng)域b、鐵氧體永磁：種類：主要為六角晶系Ba鐵氧體；優(yōu)點(diǎn)：成本低廉；缺點(diǎn)：磁能積較?。挥猛荆簩?duì)外提供磁場(chǎng)的領(lǐng)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(chǔ)用途：基于磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用用途：用于磁存儲(chǔ)用途：基于磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用D、矩磁用途：用于磁存儲(chǔ)用途：基于磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用*鐵氧體軟磁尖晶石系MnZn鐵氧體：Bs和磁導(dǎo)率

6、較高，但電阻率相對(duì)較低，在 2MHz以下性能一般優(yōu)于NiZn鐵氧體。按 應(yīng)用主要可分為功率型MnZn和高導(dǎo)型 MnZn材料兩大類。NiZn鐵氧體：Bs和磁導(dǎo)率相對(duì)較低，但電阻率很高，因 而更適合高頻應(yīng)用，按應(yīng)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(dǎo)率低，電阻率高，截止頻率很高，可 應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(wú)窮多條，因?yàn)閷?duì)其施加任意的大小的交變外加磁場(chǎng)，都會(huì)

7、產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁滯回線。而其飽和磁滯回線則是唯一的。不同磁化磁場(chǎng)下形成的磁滯回線 磁化曲線及磁滯回線 *起始磁導(dǎo)率：如果材料從退磁狀態(tài)開始，受到對(duì)稱的交變磁場(chǎng)的反復(fù)磁化，當(dāng)這種交流磁場(chǎng)趨近于零時(shí)所得到磁導(dǎo)率。振幅磁導(dǎo)率：在某一特定振幅磁場(chǎng)下，振幅B比上振幅H所得到的磁導(dǎo)率。增量磁導(dǎo)率：有直流偏置磁場(chǎng)作用時(shí)的磁導(dǎo)率。有效磁導(dǎo)率：磁芯開氣隙時(shí)的磁導(dǎo)率。二.磁性材料的磁導(dǎo)率*直流偏置磁場(chǎng)：使磁芯變得容易飽和，磁導(dǎo)率變?yōu)樵隽看艑?dǎo)率，值一般降低。注意：H0A0A1*加氣隙作用：主要使磁芯不易飽和，磁導(dǎo)率變?yōu)橛行Т艑?dǎo)率，值一般會(huì)降低注意：H0A0A1A2*一般在外磁場(chǎng)H很小時(shí)，B與H保持線性關(guān)系，此時(shí)磁導(dǎo)率為

8、起始磁導(dǎo)率。1、影響起始磁導(dǎo)率i 的因素 對(duì)i 貢獻(xiàn)包括疇壁的可逆位移和磁疇矢量的可逆轉(zhuǎn)動(dòng)。2、提高起始磁導(dǎo)率的途徑三. 起始磁導(dǎo)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(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)度2.降低K1和s3.減少雜質(zhì)和內(nèi)應(yīng)力 4.改善材料的微觀結(jié)構(gòu)*(1).提高飽和磁化強(qiáng)度MsMs主要由鐵氧體的配方組成所決定，選擇適當(dāng)?shù)某煞只驌饺肽承?huì)進(jìn)入晶格的添加劑，可以提高M(jìn)s增大鐵氧體的燒結(jié)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(zhì)和內(nèi)應(yīng)力通過(guò)選擇原料、控制燒結(jié)過(guò)程

9、及熱處理等手段來(lái)實(shí)現(xiàn) *(4).改善材料的微觀結(jié)構(gòu)高i鐵氧體材料微觀結(jié)構(gòu)必須具備下列條件：a.晶粒大、均勻；沒(méi)有或很少氣孔、雜質(zhì)、位錯(cuò)及其他缺陷；b.在晶粒內(nèi)部不出現(xiàn)另相；c.晶粒內(nèi)部有良好的化學(xué)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(zhì)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(jié)構(gòu)的工藝條件 4.采取適當(dāng)?shù)臒Y(jié)和熱處理工藝進(jìn)一步改善微觀結(jié)構(gòu)，促使均勻化，消除內(nèi)應(yīng)力，調(diào)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?nèi)醮艌?chǎng)下工作時(shí)軟

10、磁材料的近似磁滯回線 -瑞利關(guān)系-磁化曲線表達(dá)式*彼德生關(guān)系無(wú)外加偏置磁場(chǎng)作用，回線相對(duì)于原點(diǎn)對(duì)稱的前提下：如果忽略H2以上的高次項(xiàng)其中，a10 為起始磁導(dǎo)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(guò)程引起了B滯后于H,磁化曲線稱為非線性 磁化過(guò)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(zhuǎn)動(dòng)可逆疇壁位移不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)不可逆疇壁位移*可逆與不可逆疇壁位移能量H可逆過(guò)程示意H=0H=0能量HH=0不可逆過(guò)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(shí)間問(wèn)題，在一定大小的外磁場(chǎng)H作用下，鐵磁體內(nèi)便產(chǎn)生相應(yīng)大小的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁化強(qiáng)

11、度M，所以本征靜態(tài)磁特性磁導(dǎo)率為實(shí)數(shù)，損耗只有磁滯損耗。磁滯回線*動(dòng)態(tài)磁化在交變磁場(chǎng)下，鐵磁體內(nèi)的B和H均隨時(shí)間而變化，它們之間不僅有振幅的大小關(guān)系，還有相位關(guān)系，因此須采用復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率來(lái)同時(shí)反映兩者振幅和相位的關(guān)系100kHz50kHz25kHz不同頻率下的磁滯回線*復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率交變場(chǎng)下磁芯的損耗比損耗系數(shù)材料相對(duì)損耗的大小*動(dòng)態(tài)磁化下的損耗：2.渦流損耗（We）來(lái)源：由交變磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)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(lái)源：克服阻尼作用而損耗的外磁場(chǎng)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(lái)源：克服阻尼作用而損耗的外磁場(chǎng)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Hc*3.剩余損耗（Wc）來(lái)源：來(lái)自磁后效,疇壁位移以及磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的時(shí)間 效應(yīng) 大小：一方面決定于參與擴(kuò)散的粒子濃度，另一方面還與環(huán)境溫度及頻率密切相關(guān) 減小途徑：減小擴(kuò)散離子濃度，抑制離子擴(kuò)散的 產(chǎn)