Радиоматериалы и радиокомпоненты
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Нефёдцев Е.В., Кузебных Н.И., Кистенёва М. Г.
РАДИОМАТЕРМАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ
Учебное пособие по дисциплине «Материаловедение и технология
материалов», «Материалы и компоненты электронных средств», «Радиоматериалы и радиокомпоненты»
Томск
2022
УДК 538.956 ББК 22.379
Н 580
Рецензент Еханин С.Г., доцент кафедры конструирования узлов и деталей РЭА, доктор
физико-математических наук
Нефёдцев Е.В., Кузебных Н.И., Кистенёва М. Г.
Радиоматериалы и радиокомпоненты: Учебное пособие. - Томск:
Учебное пособие можно условно разделить на несколько структурных единиц. Первый раздел посвящен некоторым общим вопросам материаловедения. Остальную часть пособия можно условно разбить на тематические группы. В первых разделах каждой группы рассматриваются общие физические явления, свойственные определенному классу радиоматериалов и радиокомпонентов. В последующих разделах каждой такой группы дается информация о конкретных материалах: их свойствах, особенностях, области применения и др. В этом ключе рассмотрены физические процессы, характеристики и параметры: в металлах, диэлектриках и магнитных материалах.
В учебном пособии фактически опущены вопросы, связанные с полупроводниковыми материалами, занимающими особое место в электронике, поскольку традиционно им отводятся отдельные дисциплины.
Учебное пособие предназначено для студентов вузов радиотехнических специальностей дневного, заочного и дистантного обучения.
© Нефёдцев Евгений Валерьевич, |
2022 г. |
© Кузебных Николай Иванович, |
2022 г. |
© Кистенёва Марина Григорьевна, |
2022 г. |
© Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2022 г.
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ |
8 |
|
1.1 |
Введение |
8 |
1.2 |
Характеристики и параметры материалов |
9 |
1.3 |
Типы химических связей |
10 |
1.3.1 Межатомные связи |
10 |
|
1.3.2 Межмолекулярные связи |
13 |
|
1.4 |
Кристаллическое состояние вещества |
14 |
1.5 |
Дефекты кристаллической структуры |
16 |
1.6 |
Аморфное состояние вещества |
19 |
1.7 |
Нанокристаллическое состояние вещества |
20 |
2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ |
|
|
МАТЕРИАЛОВ |
22 |
|
2.1 |
Зонная энергетическая структура металлов |
22 |
2.2 |
Основные электрические параметры металлов |
24 |
2.3 |
Удельное сопротивление чистых металлов |
25 |
2.4 |
Электрические свойства металлических сплавов |
28 |
2.5 |
Влияние частоты напряжения на сопротивление проводников. |
|
|
Поверхностный эффект и эффект близости |
29 |
2.6 |
Сопротивление тонких металлических пленок. Размерные |
|
|
эффекты. Поверхностное удельное сопротивление. |
32 |
2.7 |
Свойства проводниковых материалов и их классификация по |
|
|
функциональному назначению |
34 |
2.7.1 Проводники электрического тока |
34 |
|
2.7.2 Контактные материалы |
36 |
|
2.7.3 Сплавы на основе железа для электронагревателей |
37 |
|
2.7.4 Материалы для термопар |
38 |
|
2.7.5 Сверхпроводники |
39 |
|
2.7.6 Криопроводники |
41 |
|
3. РЕЗИСТОРЫ |
41 |
|
3.1. Основные параметры и характеристики резисторов |
43 |
|
3.1.1. Номинальное сопротивление и допуск |
44 |
|
3.1.2. Номинальная мощность рассеивания |
45 |
|
3.1.3. Электрическая прочность резистора |
46 |
|
3.1.4. Стабильность |
47 |
|
3.1.5. Собственные шумы |
48 |
|
3.1.6. Частотные свойства резисторов |
50 |
|
3.1.7. Надежность резисторов |
51 |
|
3.1.8. Специфические параметры и характеристики резисторов |
|
|
|
переменного сопротивления |
51 |
|
3 |
|
3.1.9. Условные и кодированные обозначения резисторов и их запись |
|
|
|
в конструкторских документах |
53 |
3.2. Непроволочные резисторы постоянного сопротивления |
58 |
|
3.2.1. Конструктивные особенности непроволочных резисторов |
58 |
|
3.2.2. Углеродистые и бороуглеродистые резисторы |
59 |
|
3.2.3. Металлопленочные и металлоокисные резисторы |
59 |
|
3.3. Композиционные резисторы |
60 |
|
3.4. Проволочные резисторы постоянного сопротивления |
61 |
|
3.5. Непроволочные резисторы переменного сопротивления |
63 |
|
3.6. Проволочные резисторы переменного сопротивления |
64 |
|
3.7. Резисторы для поверхностного монтажа и интегральных схем. |
65 |
|
3.8. Специальные резисторы и материалы для них |
68 |
|
4 ДИЭЛЕКТРИКИ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ) |
71 |
|
4.1 |
Функции, выполняемые диэлектриками в РЭА |
71 |
4.2 |
Свободные и связанные заряды. Поляризация |
72 |
4.3 |
Электрический момент диполя |
73 |
4.4 |
Собственный и индуцированный электрический момент. |
|
|
Полярные и неполярные диэлектрики |
74 |
4.5 |
Поляризованность |
75 |
4.6 |
Диэлектрическая восприимчивость |
77 |
4.7 |
Электрическая индукция. Диэлектрическая проницаемость. Виды |
|
|
диэлектрических сред |
77 |
4.8 |
Емкость конденсатора |
79 |
4.9 |
Виды поляризации |
82 |
43.9.1 Классификация видов поляризации и их особенности |
82 |
|
4.9.2 Упругие виды поляризации |
83 |
|
4.9.3 Неупругие виды поляризации |
86 |
|
4.10 Зависимость диэлектрической проницаемости от различных |
|
|
|
факторов |
91 |
4.10.1 Зависимость от частоты напряжения |
91 |
|
4.10.2 Зависимость от агрегатного состояния вещества |
93 |
|
4.10.3 Зависимость от температуры |
94 |
|
43.10.4 Зависимость от состава. Эффективная диэлектрическая |
|
|
|
проницаемость неоднородных диэлектриков |
96 |
4.11 Диэлектрические потери |
99 |
|
4.11.1 Виды диэлектрических потерь |
99 |
|
4.11.2 Потери, обусловленные током проводимости |
100 |
|
4.11.3 Потери, обусловленные поляризацией |
102 |
|
4.11.4 Тангенс угла диэлектрических потерь |
106 |
|
4.11.5 Схемы замещения конденсатора с потерями |
108 |
|
4.12 Пробой диэлектриков |
110 |
|
4.12.1 Основные понятия |
110 |
|
|
4 |
|
4.12.2 Пробой газов |
111 |
|
4.12.3 Пробой жидких диэлектриков |
118 |
|
4.12.4 Пробой твердых диэлектриков |
119 |
|
5 ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ |
125 |
|
5.1. Классификация пассивных диэлектриков |
126 |
|
5.2 |
Основные сведения о строении и свойствах полимеров |
126 |
5.3 |
Линейные полимеры |
129 |
5.4 |
Композиционные порошковые пластмассы и слоистые пластики |
133 |
5.5 |
Электроизоляционные компаунды |
134 |
5.6 |
Неорганические стекла |
135 |
5.7 |
Ситаллы |
140 |
5.8 |
Керамика |
141 |
5.9 |
Слюда и материалы на ее основе |
144 |
5.10 Неорганические электроизоляционные пленки |
145 |
|
6 АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ |
145 |
|
6.1 |
Сегнетоэлектрики |
145 |
6.1.1 Спонтанная поляризация |
145 |
|
6.1.2 Характеристики и параметры сегнетоэлектриков |
149 |
|
6.1.3 Температурные свойства сегнетоэлектриков |
153 |
|
6.1.4 Сегнетоэлектрические материалы. Антисегнетоэлектрики |
154 |
|
6.1.5 Применение сегнетоэлектриков |
156 |
|
6.2 |
Пьезоэлектрики |
158 |
6.2.1 Общие свойства |
158 |
|
6.2.2 Практическое применение пьезоэлектриков |
161 |
|
6.2.3 Пьезоэлектрические материалы |
163 |
|
6.3 |
Электреты |
164 |
6.3.1 Основные понятия об электретах |
164 |
|
6.3.2 Электретные материалы |
166 |
|
6.4 |
Жидкие кристаллы |
168 |
7. КОНДЕНСАТОРЫ |
171 |
|
7.1. Общие сведения |
171 |
|
7.2. Классификация конденсаторов |
171 |
|
7.3. Условные обозначения и маркировка конденсаторов |
173 |
|
7.4. Основные параметры и характеристики конденсаторов |
|
|
|
постоянной емкости |
176 |
7.4.1. Свойства постоянных конденсаторов |
176 |
|
7.4.2. Номинальная емкость и допуск |
177 |
|
7.4.3. Электрическая прочность |
177 |
|
7.4.4. Сопротивление изоляции |
178 |
|
7.4.5. Потери энергии |
179 |
|
|
5 |
|
7.4.6. Реактивная мощность |
|
180 |
|
7.4.7. Полное сопротивление и зависимость емкости от частоты |
180 |
||
7.4.8. Стабильность параметров конденсатора |
|
181 |
|
7.4.9. Надежность |
|
183 |
|
7.4.10. Удельные показатели |
|
184 |
|
7.5. Конструктивные особенности, основные свойства и области |
|
||
|
применения конденсаторов постоянной емкости |
|
184 |
7.5.1. Керамические конденсаторы |
|
184 |
|
7.5.2. Стеклянные конденсаторы |
|
187 |
|
7.5.3. Слюдяные конденсаторы |
|
188 |
|
7.5.4. Бумажные и металлобумажные конденсаторы |
|
190 |
|
7.5.5. Пленочные конденсаторы |
|
191 |
|
7.5.6. Конденсаторы с оксидным диэлектриком |
|
193 |
|
7.5.7. Проходные и опорные конденсаторы |
|
197 |
|
7.5.8. Печатные конденсаторы |
|
197 |
|
7.5.9. Интегральные конденсаторы |
|
198 |
|
7.6. Конденсаторы переменной емкости |
|
199 |
|
7.6.1. Общие сведения |
|
199 |
|
7.6.2. Параметры и характеристики конденсаторов переменной |
|
||
|
емкости |
|
202 |
7.7. Подстроечные конденсаторы |
|
206 |
|
8 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ) |
208 |
||
8.1 |
Величины магнитного поля |
|
208 |
8.2 |
Нелинейные магнитные среды |
|
215 |
8.3 |
Характеристики и параметры магнитных материалов |
|
219 |
8.4 |
Магнитные потери энергии |
|
223 |
9 МАГНИТОМЯГКИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
|
224 |
|
9.1 |
Классификация магнитных материалов |
|
224 |
9.2 |
Магнитомягкие материалы на основе железа |
|
227 |
9.3 |
Пермаллои |
|
230 |
9.4 |
Другие магнитомягкие сплавы |
|
232 |
9.5 |
Магнитодиэлектрики |
|
233 |
9.6 |
Ферримагнетики (магнитоактивные ферриты) |
|
236 |
9.6.1 Строение ферримагнетиков |
|
236 |
|
9.6.2 Свойства, параметры и характеристики магнитомягких |
|
|
|
|
феррошпинелей |
240 |
|
9.6.3 Применение ферритов |
|
243 |
|
10 МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
|
243 |
|
10.1 Классификация магнитотвердых материалов |
|
243 |
6
10.2 |
МТМ с умеренными значениями Нс (4 − 40 кА/м) и |
|
|
|
wmax (1 − 4 кДж/м3) |
|
244 |
10.3 |
МТМ с повышенными значениями Нс (10 − 200 кА/м) и |
|
|
|
wmax (10 − 40 кДж/м3) |
|
244 |
10.4 |
МТМ с большими значениями Нс (100 − 300 кА/м) и |
|
|
|
повышенными значениями wmax (4 − 20 кДж/м3) |
|
245 |
10.5 |
МТМ с большими значениями Нс (200−700 кА/м) и |
|
|
|
wmax (50 − 120 кДж/м3) |
|
246 |
10.6 |
МТМ с наибольшими значениями Нс (до 1600 кА/м) и wmax (до |
|
|
|
200 кДж/м3) |
|
246 |
11 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ |
247 |
||
11.1 |
Термомагнитные материалы |
|
247 |
11.2 |
Магнитострикционные материалы |
|
248 |
11.3 |
Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса |
249 |
|
11.4 |
Магнитные материалы для устройств записи информации |
252 |
|
11.5 |
Материалы для устройств на цилиндрических |
магнитных |
|
|
доменах |
255 |
|
11.6 |
Материалы для магнитооптических устройств |
|
261 |
11.7 |
Материалы для термомагнитной записи |
|
264 |
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА |
|
267 |
7
1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
1.1 Введение
Радиотехническими материалами (радиоматериалами) называют такие материалы, которые имеют специфическое назначение в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), отличаются явно выраженными свойствами при воздействии на них электрического и магнитного полей. В связи с этим, радиоматериалы принято классифицировать по электрическим и магнитным свойствам (таблица 1.1).
По электрическим свойствам все материалы можно разбить на четыре класса. Полупроводники играют особую роль в электронике, и этим материалам отводятся отдельные дисциплины. Поэтому, в рамках данного пособия даются лишь общие сведения об этих материалах, а наиболее подробно рассмотрено лишь два класса - проводники (металлические) и диэлектрики. Сверхпроводники
имеют ограниченное применение в качестве радиоматериалов, поэтому лишь некоторая общая информация о них включена в раздел о проводниках.
Таблица 1.1 - Классификация радиотехнических материалов.
Электрические свойства |
Магнитные свойства |
|||
Класс |
Диапазон удель- |
Класс |
Значения маг- |
|
материала |
ных сопротивле- |
материала |
нитных прони- |
|
|
ний, Ом м |
|
цаемостей |
|
Сверхпроводники |
~0 Ом м |
Сверхпроводники |
=0 |
|
Проводники |
~10-8−10-4 Ом м |
Диамагнетики |
<1; |
1 |
Полупроводники |
~10-6−109 Ом м |
Парамагнетики |
>1; |
1 |
Диэлектрики |
~107−1017 Ом м |
Антиферромагнетики |
>1; |
1 |
|
|
Ферримагнетики |
~101−104 |
|
|
|
Ферромагнетики |
~102−106 |
По магнитным свойствам все материалы можно разделить на шесть классов. Из всех материалов, классифицируемых по магнитным свойствам, будут рассмотрены лишь магнитные материалы, широко используемые в РЭА, и обладающие значительными магнитными проницаемостями, то есть ферро− и ферримагнетики. По электрическим свойствам, ферромагнетики – это проводники, а ферримагнетики – полупроводники или диэлектрики.
Многие электрические и магнитные свойства радиоматериалов, можно понять на основе знаний о химическом строении веществ. В рамках данного пособия невозможно дать всю информацию об отдельных радиоматериалах. Поэтому, основной упор сделан на рассмотрение общих понятий и свойств, а отдельные материалы фигурируют здесь в качестве примеров.
8
1.2 Характеристики и параметры материалов
Понятие “материал” имеет двоякий смысл. С одной стороны, любой конкретный материал существует как “вещь в себе”, со всей совокупностью свойств, которую нам до конца не познать. С другой стороны, это “вещь для нас”, которая представляет собой набор разнообразных моделей: механической, электрической, оптической, термодинамической.
Наиболее распространенной формой представления моделей материалов яв-
ляются характеристики.
Характеристика материала – это функциональная зависимость между некоторым воздействием на материал F и реакцией R материала на это воздействие.
Воздействующих на материал факторов может быть несколько, но, несмотря на это, чаще всего пользуются одномерными характеристиками. Если, например, исследуется влияние на материал двух воздействий F1 и F2, то, как правило, результат представляется в виде семейства характеристик, вдоль которых один из факторов полагается равным постоянной величине (рисунок 1.1).
Часто характеристики материала оказываются простыми, поэтому нет необходимости их рассматривать целиком (например, в виде графиков) – достаточно описать их с помощью чисел – параметров.
Например, главной электрической характеристикой проводящей среды является зависимость плотности тока j от напряженности электрического поля E, созданного в среде. Часто эта зависимость линейна, к тому же проходит через начало координат. Для того чтобы представить эту характеристику, достаточно указать лишь один параметр – ее крутизну, = j/E, которая называется удельной проводимостью материала. Если характеристика нелинейная, но на основе теоретических соображений описывается аналитическим выражением, и ее также можно заменить некоторым набором параметров. Допустим, характеристика описывается аналитической зависимостью
R = R0exp(-a/F). |
(1.1) |
Эта зависимость нелинейная (см. рисунок 1.2,а), но может быть описана двумя параметрами – a и R0. Превратить эту характеристику в линейную труда не представляет. Достаточно данное выражение прологарифмировать:
lnR = lnR0 - a/F |
(1.2) |
и изменить единицы измерения внешнего воздействия и реакции по схеме F'→ 1/F; R'→ lnR, и получается линейная зависимость с крутизной −a и смещением по вертикальной оси lnR0 (см. рисунок 1.2б).
9
а) |
б) |
Рисунок 1.1 |
Рисунок 1.2 |
Параметры реальных материалов, как правило, сами являются зависимыми от многих факторов, поэтому приходится оговаривать условия, при которых параметры измерялись, или даже строить характеристики для самих параметров. Так, например, с изменением температуры удельное сопротивление металлов изменяется, поэтому для этого параметра вводится еще один параметр − температурный коэффициент удельного сопротивления (ТК ).
1.3 Типы химических связей
1.3.1 Межатомные связи
Для того чтобы объяснить многие свойства материалов, предсказать, хотя бы на качественном уровне, как будет вести материал в тех, или иных условиях, следует рассмотреть его молекулярно-атомную структуру. В частности, только на основе атомной теории можно объяснить многие электрофизические свойства материалов. Большое многообразие окружающих нас веществ обусловлено образованием химических связей, которые принято делить на две большие катего-
рии: межатомные (сильные) и межмолекулярные (слабые).
Межатомные связи являются главными и играют решающую роль в образовании молекул. Они осуществляются за счет кулоновских электростатических и обменных взаимодействий электронов внешних оболочек атомов. Прочность химических связей зависит от таких параметров атомов, как энергия ионизации,
энергия сродства к электрону и электроотрицательность.
Энергия ионизации атома – это энергия, которую нужно затратить для отрыва валентного электрона от атома и превращения его в положительный ион.
Энергия сродства атома к электрону – это энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к атому и превращении его в отрицательный ион.
В отличие от энергии ионизации, которая может быть только положительной, сродство атома к электрону может быть как положительным, так и отрицательным. Для атомов металлов сродство к электрону, как правило, близко к нулю
10