電子器件基礎(chǔ)-第一章

1、文文 天天 龍龍電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院辦公辦公室：微固樓室：微固樓217電子郵電子郵件：件：電子器件基礎(chǔ)電子器件基礎(chǔ)第一章第一章 磁性材料的基本特性磁性材料的基本特性1.1 1.1 磁磁性材料的基本特性：性材料的基本特性：H： 外磁場外磁場 (mks: A/m, cgs: Oe) M：磁化強(qiáng)度：磁化強(qiáng)度 (mks: A/m, cgs: emu/cc)B： 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度 (mks: T, cgs: Oe)H M一，一， H, M, B的換算關(guān)系的換算關(guān)系 從從實(shí)用的磁學(xué)觀點(diǎn)看，物質(zhì)可分為實(shí)用的磁學(xué)觀點(diǎn)看，物質(zhì)可分為抗磁性抗磁性、順磁性順磁性、反鐵

2、磁性反鐵磁性、鐵磁性鐵磁性和和亞鐵磁性亞鐵磁性五類材料五類材料。 其中前三種材料其中前三種材料|0，因此一般不能算作磁性材料，因此一般不能算作磁性材料，而鐵磁性材料而鐵磁性材料| |可達(dá)可達(dá)101 1106 6 量級，一般為量級，一般為Fe、Co、Ni及一些稀土金屬磁性材料。亞鐵磁性材料及一些稀土金屬磁性材料。亞鐵磁性材料| |可達(dá)可達(dá)101 1104 4 量級，一般為鐵氧體材料（磁性陶瓷材料）。量級，一般為鐵氧體材料（磁性陶瓷材料）。具有鐵磁性和亞鐵磁性的材料才能算真正的磁性材料。具有鐵磁性和亞鐵磁性的材料才能算真正的磁性材料。二，磁二，磁性材料的微觀特性性材料的微觀特性有序磁體的居里（尼爾

3、）溫度有序磁體的居里（尼爾）溫度 T8.01046 4 0 ( 0 . 1 -1MHz)鎳鋅鐵氧體 2.0105 -8.010416-640鋁鋁 1.2566651061.000022空氣 1.256637531061.00000037藍(lán)寶石藍(lán)寶石2.11071.256636810-60.99999976銅6.41061.2566291060.999994超導(dǎo)體超導(dǎo)體-100 1.2 1.2 磁磁性材料的線性特性性材料的線性特性M飽和磁化強(qiáng)度飽和磁化強(qiáng)度 Ms剩余磁化強(qiáng)度剩余磁化強(qiáng)度Mr矯頑力矯頑力 Hc初始磁化系數(shù)初始磁化系數(shù) i一，磁一，磁疇疇1. 磁磁化過程就是跟磁場方向相同的磁疇長大和

4、與磁化過程就是跟磁場方向相同的磁疇長大和與磁場方向相反的磁疇減小和消失的過程。場方向相反的磁疇減小和消失的過程。2. 磁磁疇的長大和減小可以通過疇壁位移或者磁疇矢疇的長大和減小可以通過疇壁位移或者磁疇矢量的轉(zhuǎn)動。量的轉(zhuǎn)動。二，二， 提提高起始磁導(dǎo)率的途徑高起始磁導(dǎo)率的途徑3/212023ssiKDM提高材料的飽和磁化強(qiáng)度提高材料的飽和磁化強(qiáng)度降低磁晶各向異性常數(shù)和磁滯伸縮系數(shù)降低磁晶各向異性常數(shù)和磁滯伸縮系數(shù)減少雜質(zhì)和內(nèi)應(yīng)力減少雜質(zhì)和內(nèi)應(yīng)力改善微觀結(jié)構(gòu)改善微觀結(jié)構(gòu)1、晶粒大，均勻；沒有氣孔、雜質(zhì)及其它缺陷；、晶粒大，均勻；沒有氣孔、雜質(zhì)及其它缺陷；2、在晶粒內(nèi)部不出現(xiàn)另相，所有非磁性析出物或氣

5、孔、在晶粒內(nèi)部不出現(xiàn)另相，所有非磁性析出物或氣孔只能集中在晶界附近；只能集中在晶界附近；3、晶粒內(nèi)部有良好的化學(xué)均勻性；、晶粒內(nèi)部有良好的化學(xué)均勻性；三，三， 環(huán)環(huán)境溫度、工作時間及應(yīng)力影響境溫度、工作時間及應(yīng)力影響前兩者分別用溫度系數(shù)和減落系數(shù)來衡量，希望其值越小越好。前兩者分別用溫度系數(shù)和減落系數(shù)來衡量，希望其值越小越好。而應(yīng)力主要通過引起磁至伸縮系數(shù)而應(yīng)力主要通過引起磁至伸縮系數(shù)使使i 改變，一般也希望應(yīng)力改變，一般也希望應(yīng)力越小越好。越小越好。鐵氧體磁導(dǎo)率隨溫度的變化示意圖鐵氧體磁導(dǎo)率隨溫度的變化示意圖四，線性磁性材料在弱磁場下的磁滯特性四，線性磁性材料在弱磁場下的磁滯特性無外加偏置磁

6、場作用，回線相對于原點(diǎn)對稱的前提無外加偏置磁場作用，回線相對于原點(diǎn)對稱的前提下（彼下（彼德生關(guān)德生關(guān)系）：系）：如果忽略如果忽略H2 2 以上的高次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)其中，其中，a10 為起始磁導(dǎo)率，為起始磁導(dǎo)率，a11 為瑞利常數(shù)為瑞利常數(shù)1.31.3 磁磁性材料的非線性特性性材料的非線性特性一，一， 疇疇壁位移壁位移(a) 退磁狀態(tài)時的疇結(jié)構(gòu)示意退磁狀態(tài)時的疇結(jié)構(gòu)示意 （b）疇結(jié)構(gòu)簡化圖）疇結(jié)構(gòu)簡化圖（c）有外磁場作用時的疇壁位移）有外磁場作用時的疇壁位移（d）外磁場將材料磁化飽和后疇結(jié)構(gòu)）外磁場將材料磁化飽和后疇結(jié)構(gòu)疇壁位移隨外磁場的變化疇壁位移隨外磁場的變化 二二 磁磁疇轉(zhuǎn)動疇轉(zhuǎn)動(a)

7、退磁狀態(tài)時的疇結(jié)構(gòu)示意退磁狀態(tài)時的疇結(jié)構(gòu)示意 （b）疇結(jié)構(gòu)簡化圖）疇結(jié)構(gòu)簡化圖(c) 有外磁場作用時的磁疇轉(zhuǎn)動有外磁場作用時的磁疇轉(zhuǎn)動（d）外磁場將材料磁化飽和后疇結(jié)構(gòu)）外磁場將材料磁化飽和后疇結(jié)構(gòu)磁疇轉(zhuǎn)動隨外磁場的變化磁疇轉(zhuǎn)動隨外磁場的變化 2016-電子器件基礎(chǔ)電子器件基礎(chǔ)QQ群：群：530331735密碼：密碼：F0301030建議建議？1.磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度(H)，磁化強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度(M)和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)的關(guān)系：的關(guān)系： M= _ H B= o ( _ + _ )=_ H2.按磁學(xué)的分類，物質(zhì)分為按磁學(xué)的分類，物質(zhì)分為_、_ 、 _ 、_ 、_3.磁性材料分為：磁性材料分為

8、： _ 、_ 、_ 、_ 、_4.軟磁材軟磁材料有：料有： _ 、_ 、_ 、_5.鐵氧體鐵氧體做磁芯其做磁芯其性能性能上的優(yōu)點(diǎn)是上的優(yōu)點(diǎn)是: _高高 、_低，其缺點(diǎn)是：低，其缺點(diǎn)是：_不高不高 、_不不高高、_較低較低6.鐵氧體的使鐵氧體的使用：用：2 MHz以以下使用下使用_鐵氧體，鐵氧體， 射射頻使頻使用用_鐵氧體，鐵氧體， 微波段使用微波段使用_鐵鐵氧體氧體7.好的磁芯要有大的磁導(dǎo)好的磁芯要有大的磁導(dǎo)率，為了獲得大的磁導(dǎo)率我們需率，為了獲得大的磁導(dǎo)率我們需要要_大大、_大大、_小小、_小小、_少少復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)MH抗磁性順磁性反鐵磁性 鐵磁性亞鐵磁性軟磁硬磁旋磁矩磁壓磁金屬軟磁非晶/納米晶軟

9、磁鐵氧體軟磁鐵粉芯軟磁電阻率價格Ms初始磁化率居里溫度MnZnNiZn旋磁Ms晶粒磁晶各向異性內(nèi)應(yīng)力和磁致伸縮雜質(zhì)和缺陷1.4 1.4 退退磁場及其對磁化狀態(tài)的影響磁場及其對磁化狀態(tài)的影響一，一， 形形狀各向異性下的磁滯回線狀各向異性下的磁滯回線MH二，二， 形形狀各向異性狀各向異性球形： Na=Nb=Nc=1/3薄膜： Na=1, Nb=Nc=0圓柱： Na=Nb=1/2, Nc=01. 1.5 5 磁磁性材料的損耗性材料的損耗一，一，靜靜態(tài)磁化態(tài)磁化 ( (為實(shí)數(shù)）為實(shí)數(shù)）dBH二，動二，動態(tài)磁化態(tài)磁化 ( (為復(fù)數(shù)）為復(fù)數(shù)）100kHz50kHz25kHz不同頻率下的不同頻率下的動動態(tài)態(tài)

10、磁滯磁滯回線回線磁磁滯滯損耗增加損耗增加三，三， 動動態(tài)損耗態(tài)損耗單位體積單位體積(或者質(zhì)量）中磁性材料在交變磁場中磁或者質(zhì)量）中磁性材料在交變磁場中磁化一周所產(chǎn)生的損耗化一周所產(chǎn)生的損耗 為為 W， 則則磁滯損耗磁滯損耗可通過降低材料剩磁可通過降低材料剩磁BrBr和矯頑力和矯頑力HcHc來來降低。降低。渦流損耗渦流損耗可通過提高材料電阻率可通過提高材料電阻率及減小片狀及減小片狀材料厚度材料厚度d d來降低。來降低。剩余損耗剩余損耗可通過減小擴(kuò)散離子濃度，抑制離可通過減小擴(kuò)散離子濃度，抑制離子擴(kuò)散的產(chǎn)生來降低，對于鐵氧體材料而言，則子擴(kuò)散的產(chǎn)生來降低，對于鐵氧體材料而言，則是盡量減小鐵氧體中是

11、盡量減小鐵氧體中F Fe e2 2 含量或生成；在工藝含量或生成；在工藝和成分配制上進(jìn)行控制，使鐵氧體在應(yīng)用頻率和和成分配制上進(jìn)行控制，使鐵氧體在應(yīng)用頻率和工作溫度范圍內(nèi)避開損耗最大值。工作溫度范圍內(nèi)避開損耗最大值。四四，環(huán)，環(huán)形磁芯形磁芯安培定律：電感定義：交變電流下：五，五， 串串并聯(lián)等效模式并聯(lián)等效模式對對于一般磁性材料制作的磁芯線圈，分布電于一般磁性材料制作的磁芯線圈，分布電容往往可以忽略，而等效電阻又比等效電抗容往往可以忽略，而等效電阻又比等效電抗小得多，所以串聯(lián)電路的模式更符合于客觀小得多，所以串聯(lián)電路的模式更符合于客觀情況；而對于在高頻下使用的某些特殊的磁情況；而對于在高頻下使用

12、的某些特殊的磁芯和變壓器，分布電容已不能忽略，這時采芯和變壓器，分布電容已不能忽略，這時采用并聯(lián)電路模式更符合實(shí)際情況。用并聯(lián)電路模式更符合實(shí)際情況。 串聯(lián)等效電路 并聯(lián)等效電路 （a）串聯(lián)等效 （b）并聯(lián)等效考慮分布電容影響后的串并聯(lián)等效電路六，六， 環(huán)環(huán)形磁芯的等效電路形磁芯的等效電路串聯(lián)等效電路 故：并聯(lián)等效電路 換算關(guān)系：換算關(guān)系： 一、從材料的磁性參數(shù)轉(zhuǎn)換成器件的電氣參數(shù)一、從材料的磁性參數(shù)轉(zhuǎn)換成器件的電氣參數(shù)（學(xué)會各參數(shù)之間的轉(zhuǎn)化和計算） 定義磁勢： 定義磁阻： 定義磁導(dǎo)：二、磁性器件的特點(diǎn)：二、磁性器件的特點(diǎn)： 磁勢電勢（電壓源） 磁通電流 磁阻電阻 磁導(dǎo)電導(dǎo) 磁導(dǎo)率電導(dǎo)率但磁性器件與電路最大的區(qū)別是：在電路中，導(dǎo)體的電導(dǎo)率約為空氣的1014 1019 倍，所以泄漏到空氣中的漏電流相對于通過導(dǎo)體的電流可忽略不計。而在磁路中，磁芯的磁導(dǎo)率僅為空氣的102 105 倍，泄漏到空氣中的漏磁通對器件的影響不能忽略，尤其在高頻時候，它是決定器件性能很重要的因素。復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1.退磁場退磁場2.磁損磁