电子器件基础-第一章

1、文文 天天 龙龙电子科技大学微电子与固体电子学院电子科技大学微电子与固体电子学院办公办公室：微固楼室：微固楼217电子邮电子邮件：件：电子器件基础电子器件基础第一章第一章 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： 外磁场外磁场 (mks: A/m, cgs: Oe) M：磁化强度：磁化强度 (mks: A/m, cgs: emu/cc)B： 磁感应强度磁感应强度 (mks: T, cgs: Oe)H M一，一， H, M, B的换算关系的换算关系 从从实用的磁学观点看，物质可分为实用的磁学观点看，物质可分为抗磁性抗磁性、顺磁性顺磁性、反铁

2、磁性反铁磁性、铁磁性铁磁性和和亚铁磁性亚铁磁性五类材料五类材料。 其中前三种材料其中前三种材料|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，而铁磁性材料而铁磁性材料| |可达可达101 1106 6 量级，一般为量级，一般为Fe、Co、Ni及一些稀土金属磁性材料。亚铁磁性材料及一些稀土金属磁性材料。亚铁磁性材料| |可达可达101 1104 4 量级，一般为铁氧体材料（磁性陶瓷材料）。量级，一般为铁氧体材料（磁性陶瓷材料）。具有铁磁性和亚铁磁性的材料才能算真正的磁性材料。具有铁磁性和亚铁磁性的材料才能算真正的磁性材料。二，磁二，磁性材料的微观特性性材料的微观特性有序磁体的居里（尼尔

3、）温度有序磁体的居里（尼尔）温度 T8.01046 4 0 ( 0 . 1 -1MHz)镍锌铁氧体 2.0105 -8.010416-640铝铝 1.2566651061.000022空气 1.256637531061.00000037蓝宝石蓝宝石2.11071.256636810-60.99999976铜6.41061.2566291060.999994超导体超导体-100 1.2 1.2 磁磁性材料的线性特性性材料的线性特性M饱和磁化强度饱和磁化强度 Ms剩余磁化强度剩余磁化强度Mr矫顽力矫顽力 Hc初始磁化系数初始磁化系数 i一，磁一，磁畴畴1. 磁磁化过程就是跟磁场方向相同的磁畴长大和

4、与磁化过程就是跟磁场方向相同的磁畴长大和与磁场方向相反的磁畴减小和消失的过程。场方向相反的磁畴减小和消失的过程。2. 磁磁畴的长大和减小可以通过畴壁位移或者磁畴矢畴的长大和减小可以通过畴壁位移或者磁畴矢量的转动。量的转动。二，二， 提提高起始磁导率的途径高起始磁导率的途径3/212023ssiKDM提高材料的饱和磁化强度提高材料的饱和磁化强度降低磁晶各向异性常数和磁滞伸缩系数降低磁晶各向异性常数和磁滞伸缩系数减少杂质和内应力减少杂质和内应力改善微观结构改善微观结构1、晶粒大，均匀；没有气孔、杂质及其它缺陷；、晶粒大，均匀；没有气孔、杂质及其它缺陷；2、在晶粒内部不出现另相，所有非磁性析出物或气

5、孔、在晶粒内部不出现另相，所有非磁性析出物或气孔只能集中在晶界附近；只能集中在晶界附近；3、晶粒内部有良好的化学均匀性；、晶粒内部有良好的化学均匀性；三，三， 环环境温度、工作时间及应力影响境温度、工作时间及应力影响前两者分别用温度系数和减落系数来衡量，希望其值越小越好。前两者分别用温度系数和减落系数来衡量，希望其值越小越好。而应力主要通过引起磁至伸缩系数而应力主要通过引起磁至伸缩系数使使i 改变，一般也希望应力改变，一般也希望应力越小越好。越小越好。铁氧体磁导率随温度的变化示意图铁氧体磁导率随温度的变化示意图四，线性磁性材料在弱磁场下的磁滞特性四，线性磁性材料在弱磁场下的磁滞特性无外加偏置磁

6、场作用，回线相对于原点对称的前提无外加偏置磁场作用，回线相对于原点对称的前提下（彼下（彼德生关德生关系）：系）：如果忽略如果忽略H2 2 以上的高次项以上的高次项其中，其中，a10 为起始磁导率，为起始磁导率，a11 为瑞利常数为瑞利常数1.31.3 磁磁性材料的非线性特性性材料的非线性特性一，一， 畴畴壁位移壁位移(a) 退磁状态时的畴结构示意退磁状态时的畴结构示意 （b）畴结构简化图）畴结构简化图（c）有外磁场作用时的畴壁位移）有外磁场作用时的畴壁位移（d）外磁场将材料磁化饱和后畴结构）外磁场将材料磁化饱和后畴结构畴壁位移随外磁场的变化畴壁位移随外磁场的变化 二二 磁磁畴转动畴转动(a)

7、退磁状态时的畴结构示意退磁状态时的畴结构示意 （b）畴结构简化图）畴结构简化图(c) 有外磁场作用时的磁畴转动有外磁场作用时的磁畴转动（d）外磁场将材料磁化饱和后畴结构）外磁场将材料磁化饱和后畴结构磁畴转动随外磁场的变化磁畴转动随外磁场的变化 2016-电子器件基础电子器件基础QQ群：群：530331735密码：密码：F0301030建议建议？1.磁场强度磁场强度(H)，磁化强度，磁化强度(M)和磁感应强度和磁感应强度(B)的关系：的关系： M= _ H B= o ( _ + _ )=_ H2.按磁学的分类，物质分为按磁学的分类，物质分为_、_ 、 _ 、_ 、_3.磁性材料分为：磁性材料分为

8、： _ 、_ 、_ 、_ 、_4.软磁材软磁材料有：料有： _ 、_ 、_ 、_5.铁氧体铁氧体做磁芯其做磁芯其性能性能上的优点是上的优点是: _高高 、_低，其缺点是：低，其缺点是：_不高不高 、_不不高高、_较低较低6.铁氧体的使铁氧体的使用：用：2 MHz以以下使用下使用_铁氧体，铁氧体， 射射频使频使用用_铁氧体，铁氧体， 微波段使用微波段使用_铁铁氧体氧体7.好的磁芯要有大的磁导好的磁芯要有大的磁导率，为了获得大的磁导率我们需率，为了获得大的磁导率我们需要要_大大、_大大、_小小、_小小、_少少复习复习MH抗磁性顺磁性反铁磁性 铁磁性亚铁磁性软磁硬磁旋磁矩磁压磁金属软磁非晶/纳米晶软

9、磁铁氧体软磁铁粉芯软磁电阻率价格Ms初始磁化率居里温度MnZnNiZn旋磁Ms晶粒磁晶各向异性内应力和磁致伸缩杂质和缺陷1.4 1.4 退退磁场及其对磁化状态的影响磁场及其对磁化状态的影响一，一， 形形状各向异性下的磁滞回线状各向异性下的磁滞回线MH二，二， 形形状各向异性状各向异性球形： Na=Nb=Nc=1/3薄膜： Na=1, Nb=Nc=0圆柱： Na=Nb=1/2, Nc=01. 1.5 5 磁磁性材料的损耗性材料的损耗一，一，静静态磁化态磁化 ( (为实数）为实数）dBH二，动二，动态磁化态磁化 ( (为复数）为复数）100kHz50kHz25kHz不同频率下的不同频率下的动动态态

10、磁滞磁滞回线回线磁磁滞滞损耗增加损耗增加三，三， 动动态损耗态损耗单位体积单位体积(或者质量）中磁性材料在交变磁场中磁或者质量）中磁性材料在交变磁场中磁化一周所产生的损耗化一周所产生的损耗 为为 W， 则则磁滞损耗磁滞损耗可通过降低材料剩磁可通过降低材料剩磁BrBr和矫顽力和矫顽力HcHc来来降低。降低。涡流损耗涡流损耗可通过提高材料电阻率可通过提高材料电阻率及减小片状及减小片状材料厚度材料厚度d d来降低。来降低。剩余损耗剩余损耗可通过减小扩散离子浓度，抑制离可通过减小扩散离子浓度，抑制离子扩散的产生来降低，对于铁氧体材料而言，则子扩散的产生来降低，对于铁氧体材料而言，则是尽量减小铁氧体中是

11、尽量减小铁氧体中F Fe e2 2 含量或生成；在工艺含量或生成；在工艺和成分配制上进行控制，使铁氧体在应用频率和和成分配制上进行控制，使铁氧体在应用频率和工作温度范围内避开损耗最大值。工作温度范围内避开损耗最大值。四四，环，环形磁芯形磁芯安培定律：电感定义：交变电流下：五，五， 串串并联等效模式并联等效模式对对于一般磁性材料制作的磁芯线圈，分布电于一般磁性材料制作的磁芯线圈，分布电容往往可以忽略，而等效电阻又比等效电抗容往往可以忽略，而等效电阻又比等效电抗小得多，所以串联电路的模式更符合于客观小得多，所以串联电路的模式更符合于客观情况；而对于在高频下使用的某些特殊的磁情况；而对于在高频下使用

12、的某些特殊的磁芯和变压器，分布电容已不能忽略，这时采芯和变压器，分布电容已不能忽略，这时采用并联电路模式更符合实际情况。用并联电路模式更符合实际情况。 串联等效电路 并联等效电路 （a）串联等效 （b）并联等效考虑分布电容影响后的串并联等效电路六，六， 环环形磁芯的等效电路形磁芯的等效电路串联等效电路 故：并联等效电路 换算关系：换算关系： 一、从材料的磁性参数转换成器件的电气参数一、从材料的磁性参数转换成器件的电气参数（学会各参数之间的转化和计算） 定义磁势： 定义磁阻： 定义磁导：二、磁性器件的特点：二、磁性器件的特点： 磁势电势（电压源） 磁通电流 磁阻电阻 磁导电导 磁导率电导率但磁性器件与电路最大的区别是：在电路中，导体的电导率约为空气的1014 1019 倍，所以泄漏到空气中的漏电流相对于通过导体的电流可忽略不计。而在磁路中，磁芯的磁导率仅为空气的102 105 倍，泄漏到空气中的漏磁通对器件的影响不能忽略，尤其在高频时候，它是决定器件性能很重要的因素。复习复习1.退磁场退磁场2.磁损磁