Радиоматериалы и радиокомпоненты.-3

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ( ТУСУР)

Н.И. Кузебных, Л.Ю.Солдатова

РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ

Учебное пособие по дисциплине «Радиоматериалы и радиокомпоненты»

для студентов радиотехнических специальностей

2012

2

Кузебных Н.И., Солдатова Л.Ю.

Радиоматериалы и радиокомпоненты: Учебное пособие для студентов радиотехнических специальностей. – Томск: ТУСУР, 2012. – 176 с.

Вучебном пособии представлено подробное содержание курса лекций по радиоматериалам и радиокомпонентам, читаемого студентам радиотехнических специальностей дневного и вечернего образования.

Впособии достаточно подробно рассмотрены физические свойства, параметры и характеристики и области применения проводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, нашедших широкое применение в радиоэлектронной промышленности. В частности, приведены подробные сведения о материалах: с высокой проводимостью и с высоким удельным сопротивлением; пассивные и активные диэлектрики; магнитомягкие и магнитотвердые материалы.

Из радиокомпонентов в полном объеме приведены сведения о резисторах, конденсаторах и высокочастотных катушках индуктивности. Достаточно подробно рассмотрены следующие вопросы: классификация, параметры и характеристики, кодировка и условные обозначения электрорадиоэлементов в конструкторской документации, конструктивные особенности, основные свойства и области применения резисторов, конденсаторов и высокочастотных катушках индуктивности.

Ксожалению, из-за ограниченности курса в данном учебном пособии не рассматриваются функциональные устройства радиоэлектронных средств и устройства функциональной электроники, которые также относятся к элементной базе электронных средств. Но желающие могут с ними ознакомиться в других источниках информации, которые приведены в списке рекомендуемой литературы.

Каждый раздел пособия заканчивается подробным перечнем контрольных вопросов, предназначенных для самопроверки знаний данного раздела.

Учебное пособие предназначено для студентов радиотехнических специальностей всех форм обучения, но может быть использовано также студентами других специальностей радиотехнического профиля.

4.4.3Электротехнические стали……………………………………….. 59

4.4.4Пермаллои…………………………………………………………. 62

7.2.4Собственная емкость………………………………………………. 156

7.2.5Стабильность параметров…………………………………………. 157

7.2.6Надежность катушек………………………………………………. 158 7.3 Типы намоток катушек индуктивности………………………………. 158

7

1ВВЕДЕНИЕ

1.1Предмет и задачи изучения дисциплины

Данный курс относится к общепрофессиональным дисциплинам. Предметом изучения дисциплины являются:

проводниковые, диэлектрические и магнитные материалы, используемые

врадиоэлектронике;

радиокомпоненты: резисторы, конденсаторы и высокочастотные катушки индуктивности.

Взадачи изучения дисциплины ставится получение необходимых знаний:по физико-техническим свойствам радиотехнических материалов;по физическим основам функционирования, основным свойствам, кон-

структивным особенностям и областям применения современной элементной базы РЭС;

по методам расчета основных параметров и характеристик радиотехнических материалов и электрорадиоэлементов.

Врезультате изучения дисциплины студенты должны:

знать физико-технические свойства радиоматериалов и радиокомпонен-

тов;

уметь рационально выбирать радиоматериалы и радиокомпоненты при разработке РЭА с учетом технических требований к ним и заданных условий эксплуатации.

1.2Общие сведения о материалах

Крадиотехническим относятся материалы, свойства которых находятся в явной зависимости от воздействия на них электрических и магнитных полей.

В зависимости от электрических и магнитных свойств радиоматериалы раз-

деляют на классы.

По электрическим свойствам:

1)сверхпроводники – имеют удельное сопротивление 0 Ом м;

2)проводники – 10-8..10-4 Ом м;

3)полупроводники – 10-6..109 Ом м;

4)диэлектрики – 107..1017 Ом м.

По магнитным свойствам:

1)диамагнетики – относительная магнитная проницаемость < 1 ( 1);

2)парамагнетики – > 1 ( 1);

3)антиферромагнетики – > 1 ( 1);

4)ферримагнетики – >> 1 ( 101..104);

5)ферромагнетики – >> 1 ( 102..106).

6)сверхпроводники – = 0;

8

Свойства радиоматериалов и радиокомпонентов определяются параметрами и характеристиками.

Под параметрами понимается количественное выражение физических свойств радиоматериалов или радиокомпонентов.

Характеристика – функциональная зависимость какого-либо физического свойства от какого-либо внешнего воздействия (фактора) или реакция радиоматериала (радиокомпонента) на внешнее воздействие. Например: зависимость магнитной проницаемости феррита от напряженности магнитного поля

(H) или зависимость сопротивления переменного резистора от угла поворота оси регулятора R( ).

Все параметры и характеристики являются вероятностными величинами и зависимостями. В свою очередь, сами параметры не являются постоянными величинами, а зависят от многих факторов, например, от температуры, влажности, атмосферного давления, от времени и т.д.

Те или иные электрофизические свойства материалов обусловлены типом молекулярно-атомной структуры и химическими связями между структурными элементами. По виду эти связи делятся на межатомные (сильные) и межмолеку-

лярные (слабые).

Принято различать ионную, ковалентную, донорно-акцепторную и металлическую атомные связи. Среди молекулярных связей выделяют: дипольноориентированные – наиболее сильные связи между двумя полярными молекулами; индукционные – менее интенсивные взаимодействия между полярной и неполярной молекулами; депрессивные (слабые) взаимодействия наблюдается в основном между двумя неполярными молекулами.

По агрегатному состоянию материалы делятся на газообразные, жидкие и твердые. Здесь рассматриваются преимущественно твердые вещества.

Втвердом состоянии большинство веществ имеют кристаллическую структуру. И лишь немногие – аморфную. Обычно каждое вещество в нормальных условиях образует кристаллы совершенно определенной формы. Это продиктовано стремлением свести к минимуму энергии взаимосвязей между элементарными частицами, что имеет место при наиболее плотной упаковке кристаллической решетки.

Взависимости от структуры кристаллов твердые вещества разделяют на изотропные – свойства одинаковы во всех направлениях и анизотропные – различные свойства по различным направлениям. Например: механическая анизотропия слюды – расслаивается на пластинки, которые механически прочные в ортогональном направлении; магнитная анизотропия холоднокатаных текстурованных электротехнических сталей – магнитная индукция и магнитная проницаемость существенно выше вдоль проката, чем поперек.

К сожалению, в природе материалов с идеально правильной геометрией кристаллической решетки не существует. Они имели бы превосходные свойства. Практически во всех веществах наблюдаются дефекты кристаллической структуры. Различают точечные и линейные дефекты. Последние наиболее сильно влияют на свойства материалов.

9

1.3Общие сведения о радиокомпонентах

Вобщем случае под радиокомпонентами понимаются электроэлементы радиоэлектронной аппаратуры: электрорадиоэлементы, функциональные устройства, устройства функциональной электроники, электронные и полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и др. элементы. Полупро-

водниковые приборы, интегральные микросхемы и др. активные радиокомпоненты изучаются в других дисциплинах. В данной дисциплине из-за ограниченности объема рассматриваются только электрорадиоэлементы (ЭРЭ).

Под электрорадиоэлементами понимаются простейшие пассивные электроэлементы электронной аппаратуры, блока, функционального узла или устройства, имеющие законченную конструктивную форму и предназначенные для их построения и выполнения в них простейших электрических функций. Принцип функционирования ЭРЭ основан на использовании физических свойств основных материалов во взаимодействии с окружающей средой. К ЭРЭ относятся резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

Свойства ЭРЭ, как и других радиокомпонентов (РК), оцениваются основными (положительными) и паразитными (отрицательными) параметрами. Очевидно, что величина параметров РК зависит от геометрических параметров элементов конструкции, электрофизических свойств основных материалов, условий эксплуатации и др. факторов. Так как параметры конструкций, свойства материалов и внешние воздействия носят случайный характер, то и электромагнитные параметры РК являются случайными величинами.

В общем случае свойства радиокомпонентов оцениваются следующими параметрами и характеристиками:

номинальным значением основного параметра;

допустимым отклонением основного параметра от номинального значения – допуском;

электрической прочностью;

параметрами, характеризующими активные потери;

параметрами, характеризующими стабильность и надёжность;

технико-экономическими показателями (ТЭП) – массой, габаритным объемом, стоимостью и т.д.

эксплуатационными параметрами и характеристиками.

10

2 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1 Зонная энергетическая структура материалов

Зонная теория – учение об энергетическом спектре носителей заряда (электронов, дырок), носителей упругих колебаний кристалла (фононов) и т.д. Наиболее важными для электрических свойств твердых тел являются представления о зонной структуре энергетического спектра носителей заряда.

Чтобы понять, почему металлы обладают значительно большей электропроводностью, чем полупроводники и диэлектрики, рассмотрим, какова структура их энергетических зон (рисунок 2.1).

В изолированном атоме имеется ряд расщепленных уровней энергии, которые могут быть «заселены» электронами (рисунок 2.1, а). Если атомы удалены друг от друга на достаточно большое расстояние, то структура энергетических зон сохраняется, а электроны оказываются привязанными к своим атомам (ядрам).

При сближении атомов на расстояние порядка размеров атомов, что имеет место в кристаллических материалах, происходит перекрытие электронных оболочек, благодаря чему электроны могут без изменения энергии посредством обмена переходить от одного атома к другому, то есть перемещаться по кристаллу. Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированного атома расщепляются в энергетические зоны (рисунок 2.1, б).

Рисунок 2.1 – Энергетические уровни: а – уединенного атома; б – твердого тела

Разрешенные зоны разделены запрещенными зонами. Уровни энергии внутренних оболочек, локализованных вблизи ядра и не подверженных сильному возмущению – валентные зоны, расщепляются меньше, чем уровни внешних электронов – зоны проводимости.

Стремление системы атомов к минимуму энергии приводит к тому, что энергетические уровни зон заселяются электронами «снизу вверх». В итоге нижние (внутренние) зоны заселяются полностью вплоть до валентной зоны (ВЗ), которая является последней заполняемой зоной. Следующая за валентной зоной, свободная незаполненная электронами зона, называется зоной проводимости