电子元器件第一章

1、*电子器件基础唐晓莉微电子与固体电子学院办公室：微固楼215 Email：Tel引言：电子元器件无源器件电感器电容器电阻器有源器件变压器滤波器电感器*教学目的通过该部分课程的学习，使大家能够在设计各类磁性电子器件时，知道该如何有效的进行磁芯材料、结构、尺寸的设计，并在遇到一些实际工程应用问题的时候，知道该从哪些方面来调整参数，使器件满足实际应用的需要。课程内容说明：第一章：对磁性材料的一些基本特征进行介绍。第二章：磁芯和绕组基础特征介绍。第三、四、五、六章：分别介绍四大类应用最广泛的磁性器件(电感器、低功率线性变压器、功率变压器、抗电磁干扰滤波器）的原理及设计。第七

2、章：LTCC无源集成技术及在磁性器件中的应用*第一章 软磁材料的基本特性1.1磁性材料的基本特性一、基本特性： 物体放在外加磁场中，物体就被磁化了，其磁化强度M和磁场强度H的关系由M=H来描述。M、H、B三者关系：M=H；B=0 （H+M）=0（ +1）H定义=1+，则B= 0H*磁化强度M、磁场强度H、磁感应强度B、磁化率、磁导率几个关键磁学量的关系和区别：M：描述宏观磁性体磁性强弱的量H、B：表征磁场强度与方向的物理量H：描述磁场源的特性B：垂直穿过单位面积的磁力线的数量B2B1B受介质的影响，磁场的强弱、方向发生变化，表示的是磁场源在特定环境下的效果H反映的是磁场源的强弱，不随有无介质而

3、改变*:物体磁化难易程度的参量:磁性物体导磁能力的物理量定义:=1+注：磁化率一般只在讨论物质磁性的时候使用；磁导率则是磁性材料关键的磁参数*铁磁性 和亚铁磁性物质磁化率0，与外磁场H之间呈现复杂的非线性函数关系铁磁性材料可达101106 量级，一般为Fe、Co、Ni及一些稀土金属磁性材料。亚铁磁性材料可达101104 量级，一般为铁氧体材料（磁性陶瓷材料）亚铁磁磁结构本课程主要讨论亚铁磁性材料构建的磁性器件AB物质可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性五类铁磁磁结构*二.磁性材料分类A、软磁：a、金属软磁：种类：包括硅钢片、坡莫合金等；优点：磁导率和Bs大， 居里温度高；缺点：电阻

4、率小；用途：用于低频磁性器件磁芯b、非晶/纳米晶软磁：种类：包括Co基/Fe基非晶/纳米晶材料等优点：磁导率和Bs大， 居里温度高；缺点：电阻率较小，成本高；用途：用于较低频磁性器件磁芯常用磁性材料软磁永磁旋磁矩磁压磁纳米晶：采用熔体快淬法制备出非晶条带，然后将非晶条带在一定条件下进行退火处理 Finemet(Fe73.5Si13.5B9CuNb3) TEM明场像示意*d、铁氧体软磁：种类：包括尖晶石系和六角晶系铁氧体等；优点：电阻率高，成本低；缺点：磁导率和Bs不太高，居里温度较低；用途：用于中、高频磁性器件磁芯c、铁粉芯软磁：特征：将金属软磁与有机介质复合；优点：电阻率高，不易饱和；缺点：

5、磁导率不高；用途：用于抗大直流偏置的磁芯*B、永磁：a、稀土合金永磁：种类：包括烧结稀土永磁和粘结稀土永磁；优点：磁能积大；缺点：成本高；用途：对外提供磁场的领域b、铁氧体永磁：种类：主要为六角晶系Ba铁氧体；优点：成本低廉；缺点：磁能积较小；用途：对外提供磁场的领域*C、旋磁（微波铁氧体）：种类：包括尖晶石系、石榴石系和六角晶系铁氧体旋磁；用途：用于制作各种微波旋磁器件，如隔离器、环行器、移相器等等E、压磁用途：用于磁存储用途：基于磁致伸缩效应的应用用途：用于磁存储用途：基于磁致伸缩效应的应用D、矩磁用途：用于磁存储用途：基于磁致伸缩效应的应用*铁氧体软磁尖晶石系MnZn铁氧体：Bs和磁导率

6、较高，但电阻率相对较低，在 2MHz以下性能一般优于NiZn铁氧体。按 应用主要可分为功率型MnZn和高导型 MnZn材料两大类。NiZn铁氧体：Bs和磁导率相对较低，但电阻率很高，因 而更适合高频应用，按应用可分为功率 型、高频电感型、抗EMI型、低温共烧型 材料等几类。Co2Z铁氧体：磁导率低，电阻率高，截止频率很高，可 应用GHz的特高频，可用于高频电感和 抗EMI材料。六角晶系铁氧体软磁是品种最多，应用最广泛的磁性材料。*1.2 软磁铁氧体材料磁化特性与磁导率 一. 磁滞现象和磁饱和现象磁滞回线和饱和磁滞回线区别-同一磁芯的磁滞回线有无穷多条，因为对其施加任意的大小的交变外加磁场，都会

7、产生对应的磁滞回线。而其饱和磁滞回线则是唯一的。不同磁化磁场下形成的磁滞回线 磁化曲线及磁滞回线 *起始磁导率：如果材料从退磁状态开始，受到对称的交变磁场的反复磁化，当这种交流磁场趋近于零时所得到磁导率。振幅磁导率：在某一特定振幅磁场下，振幅B比上振幅H所得到的磁导率。增量磁导率：有直流偏置磁场作用时的磁导率。有效磁导率：磁芯开气隙时的磁导率。二.磁性材料的磁导率*直流偏置磁场：使磁芯变得容易饱和，磁导率变为增量磁导率，值一般降低。注意：H0A0A1*加气隙作用：主要使磁芯不易饱和，磁导率变为有效磁导率，值一般会降低注意：H0A0A1A2*一般在外磁场H很小时，B与H保持线性关系，此时磁导率为

8、起始磁导率。1、影响起始磁导率i 的因素 对i 贡献包括畴壁的可逆位移和磁畴矢量的可逆转动。2、提高起始磁导率的途径三. 起始磁导率的影响因素及提高方法由畴壁可逆位移所决定的i由磁畴可逆转动磁化所决定的i 铁氧体微观形貌特征所决定的i 1.提高饱和磁化强度2.降低K1和s3.减少杂质和内应力 4.改善材料的微观结构*(1).提高饱和磁化强度MsMs主要由铁氧体的配方组成所决定，选择适当的成分或掺入某些会进入晶格的添加剂，可以提高Ms增大铁氧体的烧结密度，也可在一定程度上提高材料Ms (2).降低K1和s在材料配方和工艺上力求获得K1-0和s-0(3).减少杂质和内应力通过选择原料、控制烧结过程

9、及热处理等手段来实现 *(4).改善材料的微观结构高i铁氧体材料微观结构必须具备下列条件：a.晶粒大、均匀；没有或很少气孔、杂质、位错及其他缺陷；b.在晶粒内部不出现另相；c.晶粒内部有良好的化学均匀性。 综合以上的讨论，提高软磁铁氧体材料i的条件归纳如下：1.原材料：要求纯度高、活性好、杂质少。2.配方基本成分不仅要满足Ms高，更重要的是尽量满足K1和s趋于0的条件3.保证获得高密度及优良显微结构的工艺条件 4.采取适当的烧结和热处理工艺进一步改善微观结构，促使均匀化，消除内应力，调节离子、空位的稳定分布状态 *1.3 软磁材料的线性和非线性特性 一.软磁材料的线性特性在交变弱磁场下工作时软

10、磁材料的近似磁滞回线 -瑞利关系-磁化曲线表达式*彼德生关系无外加偏置磁场作用，回线相对于原点对称的前提下：如果忽略H2以上的高次项其中，a10 为起始磁导率，a11 为瑞利常数*二.磁性材料的非线性特性磁性材料的不可逆磁化过程引起了B滞后于H,磁化曲线称为非线性 磁化过程可逆磁化不可逆磁化磁化曲线为线性磁化曲线为非线性可逆磁畴转动可逆畴壁位移不可逆磁畴转动不可逆畴壁位移*可逆与不可逆畴壁位移能量H可逆过程示意H=0H=0能量HH=0不可逆过程示意能量H=0*1.4 软磁材料的损耗特性静态磁化由于不需要考虑磁化的时间问题，在一定大小的外磁场H作用下，铁磁体内便产生相应大小的磁感应强度B或磁化强

11、度M，所以本征静态磁特性磁导率为实数，损耗只有磁滞损耗。磁滞回线*动态磁化在交变磁场下，铁磁体内的B和H均随时间而变化，它们之间不仅有振幅的大小关系，还有相位关系，因此须采用复数磁导率来同时反映两者振幅和相位的关系100kHz50kHz25kHz不同频率下的磁滞回线*复数磁导率交变场下磁芯的损耗比损耗系数材料相对损耗的大小*动态磁化下的损耗：2.涡流损耗（We）来源：由交变磁场的电磁感应所引起的涡流造成 大小：与频率、厚度成正比，与电阻率成反比减小途径：提高材料电阻率及减小片状材料厚度d来源：克服阻尼作用而损耗的外磁场供能大小：磁滞回线包围的面积减小途径：降低材料剩磁Br和矫顽力Hc1.磁滞损耗（Wh）来源：克服阻尼作用而损耗的外磁场供能大小：磁滞回线包围的面积减小途径：降低材料剩磁Br和矫顽力Hc*3.剩余损耗（Wc）来源：来自磁后效,畴壁位移以及磁畴转动过程的时间 效应 大小：一方面决定于参与扩散的粒子浓度，另一方面还与环境温度及频率密切相关 减小途径：减小扩散离子浓度，抑制离子扩散的 产