МУ по М и К ЭТ для ФЗО скоорект. Методические указания по их выполнению по курсу Материалы и компоненты электронной техники

• Название: Методические указания по их выполнению по курсу Материалы и компоненты электронной техники
• Дата: 23.06.2022
• Размер: 0.56 Mb.
• Имя файла: МУ по М и К ЭТ для ФЗО скоорект.docx
• Тип: Методические указания; #612370
• страница: 8 из 13

4. Справочный материал по курсу.

4.1.Общие электрические и физические свойства проводниковых материалов
Закон Ома в дифференциальной форме

, (1)

где – плотность тока в материале, т.е. электрический заряд, движущийся в электрическом поле Е_в за единицу времени через единицу площади.

– удельная проводимость и удельное сопротивление материала соответственно.

Закон Ома в интегральной форме:

, (2)

где I – ток в материале.

U – напряжение, приложенное к материалу или его участку.

R – полное сопротивление материала.

, (3)

где – геометрический параметр тела, называемый приведенной длиной.

Для тела с постоянным по всей длине поперечным сечением S и длиной h (например, жила провода или кабеля):

(4)

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры:

r(Т)=r₀(1+a_r(Т-Т₀)), (5)

где a_r - температурный коэффициент сопротивления;

r₀ – удельное сопротивление проводника при температуре Т₀.

Мощность Р, рассеиваемая материалом, находящимся под напряжением U при прохождении через него тока величиной I.
(6)
4.2 Общие электрические и физические свойства полупроводниковых материалов
Собственные полупроводники – полупроводники, не содержащие донорных и акцепторных примесей.

В собственном полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинаковы:

; (7)
где N_C и N_V – эффективные плотности состояний электронов и дырок в зонах проводимости и валентной зоне соответственно:

; (8)

; (9)

эффективная масса электронов в зоне проводимости полупроводника.

эффективная масса дырок в валентной зоне полупроводника.

постоянная Планка.

постоянная Больцмана.

DE_g– ширина запрещенной зоны полупроводника.
Произведение концентраций электронов и дырок – величина постоянная для данного полупроводника при каждой конкретной температуре, это есть выражение закона действующих масс:

, (10)

где n_i – концентрация собственных носителей в полупроводнике;

Условие электронейтральности для единичного объема:
р+N_Д=n+N_{А ,}(11)
где слева – положительный заряд дырок и ионизированных доноров N_Д, а справа – отрицательный заряд электронов и ионизированных акцепторов N_А.

Для электронных полупроводников, не содержащих акцепторов:

n=N_Д+р (12)

Для дырочных полупроводников, не содержащих доноров:

р=N_А+n. (13)

Плотность электронной и дырочной составляющей тока в полупроводниковом материале, во внешнем электрическом поле Е:

; (14)

; (15)

где g_n и g_p – удельные электронная и дырочная проводимости полупроводника.

; (16)

; (17)

где m_n и m_p – подвижность электронов и дырок соответственно.

; (18)

; (19)

где V_n и V_p – средние скорости носителей в полупроводнике.

Соотношение Эйнштейна:

; (20)

; (21)

где D_n и D_p – коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно.

; (22)

; (23)

где L_n и L_p – диффузионная длина носителей; t_n и t_p – время жизни носителей.

Суммарная плотность тока в полупроводнике:

; (24)

- удельная проводимость полупроводника.

; (25)

Для собственного полупроводника, где n_i = p_i:

; (26)

Для электронного полупроводника где n>>p:

g_n=enm_n. (27)

Для дырочного полупроводника где р>>n

g_p=epm_p. (28)

Таблица 4.1 - Основные параметры полупроводников

Параметр	Ge	Si	GaAs	InSb
Атомный вес	72,6	28,1
Диэлектрическая проницаемость (отн. Ед.), e	16	12	11	16
Эффективная масса электронов (отн. ед.), mn	0,22	0,33	0,07	0,013
Эффективная масса дырок (отн. ед.), mp	0,39	0,55	0,5	0,6
Ширина запрещенной зоны, эВ, DWO	0,67	1,11	1,40	0,18
Эффективная плотность состояний Nс, см-3	1,0Ч1019	2,8Ч1019
Эффективная плотность состояний NV, см-3	0,61Ч1019	1,0Ч1019
Подвижность электронов, mn, см2/сек.	3800	1400	11000	до 65000
Подвижность дырок mр, см2/сек.	1800	500	450	700
Собственная концентрация ni, см-3, Т=3000 К.	2,5Ч1013	2Ч1010	1,5Ч106
Коэффициент диффузии электронов Dn, см2/сек.	100	36	290	до 1750
Коэффициент диффузии дырок Dp, см2/сек.	45	13	12	17

4.3 Общие электрические и физические свойства диэлектрических материалов
К основным характеристикам диэлектриков относят.

Поляризованность диэлектрика:

, (29)

где - вектор индуцированного электрического момента.

V – объем поляризованного диэлектрика.

Дипольный момент поляризованного диэлектрика:

, (30)

где q – суммарный положительный (или отрицательный) заряд диэлектрика.

- плечо диполя, то есть расстояние между положительным и отрицательным зарядами.

В диэлектрике, помещенном в переменное синусоидальное электрическое поле с напряженностью E и угловой частотой w, возникают токи двух видов: ток смещения и ток проводимости.

Плотность тока смещения:

, (31)

где e₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума.

e – диэлектрическая проницаемость материала.

Плотность тока проводимости:

; (32)

где – активная проводимость диэлектрика на угловой частоте w.

Плотность общего тока j равна векторной сумме плотностей токов смещения и проводимости. Угол d между векторами плотностей переменного тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь d. Тангенс этого угла:

; (33)

Добротность диэлектрика:

; (34)

Электрическая прочность диэлектрика:

, (35)

где U_пр – напряжение пробоя диэлектрика.

h – толщина материала.

Удельная емкость диэлектрика:

, (36)

где l - приведенная длина участка изоляции (см. (4)).

Зависимость удельного сопротивления диэлектрика от температуры:

; (37)

где ₀ –сопротивление диэлектрика при температуре окружающей среды Т₀=0°С .

a - температурный коэффициент сопротивления.

Мощность, выделяемая диэлектриком емкостью С, при подаче на него напряжения U с угловой частотой w:

; (38)

Тепловая мощность, отводимая от образца диэлектрика нагретого до температуры Т:

; (39)

где s – коэффициент теплоотдачи материала.

S – площадь поверхности диэлектрика.

Т₀ – температура окружающей среды.

В условиях теплового равновесия: .

Поэтому

; (40)

_{При этом температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь определяется формулой:} , (41)
тогда

. (42)
4.4 Общие электрические и физические свойства магнитных материалов
Намагниченностью материала J называется суммарный магнитный момент электронов в единице объема.

Намагниченность материала равна 0 в случае, когда он не был намагничен, и внешнее магнитное поле отсутствует. Под воздействием магнитного поля со средней напряженностью Н внутри тела намагниченность равна:

J=c'H, (43)

где c - магнитная восприимчивость.

Магнитная индукция вещества В связана с намагниченностью:

В=В₀+J=B₀+c'H, (44)

где В₀ – магнитная индукция вещества в отсутствии внешнего магнитного поля.

Относительная магнитная проницаемость

m=1+ /m₀, (45)

где m₀=4p'10^-7 Гн/м - магнитная постоянная вакуума.

Классификация материалов по магнитным свойствам:

Материалы	Магнитная восприимчивость c
Диамагнетики	<0
Парамагнетики	»0
Ферромагнетики	>>0

Остаточной индукцией B_r называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля.

Коэрцитивная сила H_c – напряженность размагничивающего поля, которое должно быть приложено к предварительно намагниченному образцу для того, чтобы магнитная индукция в нем стала равной нулю.

Энергетические потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, отнесенные к единице объема вещества (удельные потери):

; (46)

Зависимость магнитной индукции материала от напряженности внешнего магнитного поля имеет форму петли гистерезиса.
Таблица 4.2 - Классификация материалов по форме петли гистерезиса

Материалы	Форма петли гистерезиса	Применение
Магнитомягкие	Узкая, округлая, небольшая площадь, Нс®0	Сердечники трансформаторов и электрические машины.
Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ)	Узкая, округлая, небольшая площадь, Нс®0	Элементы памяти.
Магнитотвердые	Широкая, Нс>>0	Для изготовления постоянных магнитов.

Дополнительные параметры магнитных материалов вводят в частных областях по признакам применения.

Например, для магнитных материалов с прямоугольной петлей гистерезиса, основой элементов памяти, важным параметром является коэффициент переключения:

S_ф=t(Н_m-H₀), (47)

где Н_m- напряженность магнитного поля, соответствующая максимальной магнитной индукции В_m:

Н_m»4/3H_c (48)

t - время переключения элемента памяти, т.е. время необходимое для перехода из одного магнитного состояния в другое, например, от -В_r до +В_r;

Н₀ – напряженность поля старта, т.е. минимальная напряженность поля, необходимое для такого перехода.

Для магнитодиэлектрика, состоящего из связующего диэлектрика и магнитного наполнителя магнитная проницаемость m:

m=m_а^a_, (49)

где m_а- магнитная проницаемость наполнителя.

Диэлектрическая проницаемость магнитодиэлектрика:

e=e_m^a_eД^1-a , (50)

где e_m, e_Д – диэлектрическая проницаемость наполнителя и диэлектрика соответственно;

a - объемное содержание магнитного материала.

4.5 Основные сведения о радиокомпонентах

4.5.1 Кодовая и цветовая маркировка резисторов
Кодированное обозначение номинальных сопротивлений резисторов состоит из трёх или четырёх знаков, включающих две или три цифры и букву. Буква кода является множителем, обозначающим сопротивление в омах, и определяет положение десятичного знака. Кодированное обозначение допускаемого отклонения состоит из буквы латинского алфавита (таблица Е.1).

На постоянных резисторах в соответствии с ГОСТ 17598–72 и требованиями Публикации 62 МЭК допускается маркировка цветным кодом. Её наносят в виде полос или кругов.

Для маркировки цветным кодом номинальное сопротивление резисторов в омах выражается двумя или тремя цифрами (в случае трёх цифр последняя цифра не равна нулю) и множителем 10ⁿ, где n – любое целое число от –2 до +9.

Маркировочные знаки сдвигаются к одному из торцов резистора и располагаются слева направо в следующем порядке:

– в случае выражения сопротивления двумя цифрами и множителем цветовая маркировка состоит из четырёх полос:

первая полоса – первая цифра вторая полоса – вторая цифра третья полоса – множитель четвёртая полоса – допуск

Номинальное сопротивление

– в случае выражения сопротивления тремя цифрами и множителем цветовая маркировка состоит из пяти полос:

первая полоса – первая цифра вторая полоса – вторая цифра третья полоса – третья цифра четвёртая полоса – множитель пятая полоса – допуск

Номинальное сопротивление

Цвета знаков маркировки номинального сопротивления и допусков должны соответствовать указанным в таблице Е.2. Пример цветовой маркировки приведён на рисунке 4.1, согласно ему сопротивление резистора составляет 5,6 кОм 5%.


Рисунок 4.1 – Пример цветовой маркировки резистора
Если размеры резистора не позволяют разместить маркировку ближе к одному из торцов резистора, площадь первого знака (ширина первой полосы) делается примерно в 2 раза больше других знаков.

4.5.2 Кодовая маркировка конденсаторов

Полное обозначение номинальных ёмкостей состоит из значения номинальной ёмкости (цифры) и обозначения единицы измерения (пФ, нФ, мкФ, мФ, Ф). Кодированное обозначение номинальных ёмкостей конденсаторов состоит из трёх или четырёх знаков, включающих две или три цифры и букву. Буква кода из русского или латинского алфавита (в скобках) обозначает множитель, составляющий значение ёмкости в Фарадах, и определяет положение десятичного знака. Буквы П (p), Н (n), M (), И (m), Ф (F) обозначают множители 10^–12, 10^–9, 10^–6, 10^–3 и 1 соответственно для значений, выраженных в фарадах.

Полное обозначение допускаемого отклонения ёмкости состоит из цифр, а кодированное обозначение допускаемого отклонения состоит из буквы. В связи с тем, что буквенное обозначение допусков изменялось, на практике могут встречаться различные варианты, приведённые в таблице 4.3
Таблица 4.3 – Сравнительные данные по составу и обозначению допускаемых отклонений ёмкостей в процентах или пикофарадах

ГОСТ 9661 – 73	ГОСТ 11076 – 69	Публикация 62 МЭК	Стандарт СЭВ
0,1	0,1 Ж	0,1 (B)	0,1 В (B)
0,25	0,25 У	0,25 (C)	0,25 (0,2) С (C)
0,5	0,5 Д	0,5 (D)	0,5 Д (D)
1	1 Р	1 (F)	1 Ф (F)
2	2 Л	2 (G)	2 Ж (G)
5	5 И	5 (I)	5 И (I)
10	10 С	10 (K)	10 К (K)
20	20 В	20 (M)	20 М (M)
30	30 Ф	30 (N)	30 Н (N)
0 +50	–	–	0 +50 (0 +80) А (A)
–	0–100 Я	–	–
–10 +30	–	–10 +30 (Q)	–10 +30 Г (Q)
–10 +50	–10 +50 Э	–10 +50 (T)	–10 +50 Т (T)
–10 +100	–10 +100 Ю	–	–10 +100 Ю (Y)
–20 +50	–20 +50 Б	–20 +50 (S)	–20+50 Б (S)
–20+80	–20 +80 А	–20 +80 (Z)	–20 +80 (–20 +100) Э (Z)
0,1 пФ	–	0,1 пФ (B)	0,1 пФ (B)
0,25 пФ	–	0,25 пФ (C)	0,25 пФ С (C)
0,5 пФ	0,4 пФ X	0,5 пФ (D)	0,5 пФ Д (D)
1 пФ	–	1 пФ (F)	1 пФ Ф (F)