М. В. Логунов, Н. В. Моисеев

Радиоматериалы

и радиокомпоненты

Лабораторный практикум

Саранск

Издательство Мордовского университета

2004

УДК 621.396 (075.8)

ББК З81я73

Л6981

Рецензенты:

кафедра физики Мордовского государственного педагогического института им. М. Е. Евсевьева (зав. кафедрой - д. т. н., профессор В. К. Свешников); д. ф.-м. н, профессор кафедры высшей математики и физики СКИ МУПК Н. Г. Тактаров; зав. кафедрой теоретической и общей электротехники Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева д. т. н., профессор С. А. Панфилов.

М. В. Логунов

Л698 Радиоматериалы и радиокомпоненты: Лаборатор. практикум/ М. В. Логунов, Н. В. Моисеев .- Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004. - 112 с.

ISBN 5-7103-1027-1

Содержатся краткие теоретические сведения о радиоматериалах и радиокомпонентах, необходимые для выполнения приведенных здесь же работ лабораторного практикума. Особое внимание уделено рассмотрению физических процессов в материалах под действием электрических и магнитных полей, влиянию температуры на параметры материалов.

Предназначено для студентов специальности 200700 «Радиотехника» при изучении курса «Радиоматериалы и радиокомпоненты» и студентов специальности 0104000 «Физика» при изучении курса «Радиофизика и электроника».

УДК 621.396 (075.8)

ББК З81я73

ISBN 5-7103-1027-1 М. В. Логунов, Н. В. Моисеев, 2004

Содержание

	Введение	4
1.	Физико-химические и потребительские свойства радиоматериалов	7
2.	Классификация материалов, применяемых для изготовления элементов радиоэлектронных систем	14
2.1.	Полупроводниковые материалы	14
2.2.	Проводниковые материалы	15
2.3.	Магнитные материалы	19
2.4.	Диэлектрические материалы	21
3.	Основные сведения о радиокомпонентах	23
4.	Лабораторный практикум	25
4.1.	Исследование диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектриков	25
4.2.	Исследование термоэлементов на базе термопар	32
4.3.	Исследование интегральных свойств магнитных материалов	40
4.4.	Исследование доменной структуры магнитных пленок	49
4.5.	Исследование параметров резисторов	54
4.6.	Исследование параметров варисторов и терморезисторов	68
4.7.	Исследование параметров конденсаторов	75
4.8.	Исследование параметров катушек индуктивности	86
4.9.	Исследование параметров электромагнитных реле	96
4.10.	Исследование параметров магнитоуправляемых герметизированных контактов (герконов)	104
	Библиографический список	111

Введение

Разработка новых радиоматериалов и совершенствование уже известных происходит одновременно с общим развитием радиотехники и электроники и расширением требований к качеству материалов. История практического применения материалов для создания электронных приборов базируется на открытиях и исследованиях физических явлений, связанных с взаимодействием свободных электронов с электромагнитными полями и веществом. Поэтому первые работы М. В. Ломоносова, Г. В. Рихмана, Б. Франклина, Л. Гальвани и А. Вольта в ХVIII в по исследованию электричества могут быть отнесены к началу возникновения электроники и разработке новых материалов и компонентов для электроники.

Работы как отечественных, так и зарубежных ученых в течение ХIX в. создали фундамент электроники. Среди наиболее важных достижений можно отметить труды А. Ампера и М. Фарадея, установивших законы электричества и электромагнитной индукции, создание теории электромагнетизма М. Максвеллом и теории электронов Х. А. Лоренцем, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем. Первый в мире электровакуумный прибор - лампа накаливания изобретена А. И. Лодыгиным и усовершенствована Т. А. Эдисоном. Важными работами по применению новых материалов для создания электронных приборов являются открытие фотоэлектронной эмиссии А. Г. Столетовым и термоэлектронной эмиссии Т. А. Эдисоном. В этих изобретениях были использованы проводники, магнитные материалы и электрическая изоляция. По мере развития электротехники все большее значение приобрел правильный выбор материалов, помогавший успешно разрешать возникавшие задачи.

Изобретение радио русским ученым А.С. Поповым в 1895 г. открыло новую эру в развитии науки и техники и форсировало разработку новых радиоматериалов и компонентов для различных отраслей радиотехники: радиофизики, радионавигации, радиоастрономии, радиометрологии, электроники и автоматики. Большое влияние на развитие электроники оказали работы К. Ф. Брауна, Д. Томсона, О. У. Ричардсона, А. Эйнштейна, выполненные вскоре после изобретения радио. В начале ХХ в. были изобретены электровакуумные диоды и триоды, газотроны. Существенное влияние на развитие полупроводниковых приборов оказали работы школы А. Ф. Иоффе: теория выпрямления тока в контакте металл-полупроводник, квантовая теория полупроводников и теория генерации пар носителей заряда электрон-дырка, разработка полупроводниковых термоэлектрических батарей.

Революционные открытия были сделаны во второй половине ХХ в. В 1948 г. американские ученые Д. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли предложили биполярный транзистор. В 50-60-е годы были изобретены: полевой транзистор с p-n - переходом, солнечные батареи, оптроны, туннельные диоды, тиристоры, МОП - транзисторы, полевые транзисторы с барьером Шотки. Для того чтобы обеспечить развитие радиоэлектроники, потребовалось огромное количество радиодеталей и радиокомпонентов. Собираемая из разнородных деталей электронная аппаратура во многих случаях была громоздкой, тяжелой и недостаточно надежной. В результате поиска выхода из сложившегося положения в конструировании и производстве электронного оборудования возникло и стало интенсивно развиваться новое направление - микроэлектроника. Техническая задача микроэлектроники сводилась к интеграции радиоэлементов на кристалле микросхемы, к сокращению размеров и веса электронной аппаратуры при одновременном увеличении ее функциональных возможностей, надежности и долговечности. Для решения этой задачи создавались новые радиоэлементы на основе полупроводниковых активных диэлектриков, ферритов. Используя различные свойства веществ, удается повышать функциональность элементов и схем и заменять прибор, состоящий в прошлом из нескольких резисторов, конденсаторов и других элементов, специально выращенной и легированной кристаллической системой.

В конце 70-х годов возникает идея интеграции на одном кристалле не только традиционных полупроводниковых радиоэлементов - резисторов, диодов, транзисторов,- но и постепенный переход к устройствам функциональной электроники, где носителями информационного сигнала являются динамические неоднородности различной физической природы, что увеличивает функциональные возможности приборов и устройств интегральной электроники. Это привело к формированию альтернативного пути в развитии микроэлектроники - функциональной электроники: функциональной диэлектрической электроники, функциональной полупроводниковой электроники, функциональной магнитоэлектроники.

Дальнейшее развитие микроэлектронных приборов связано с уменьшением размеров элементарных приборов до субмикронных и переход в нанометровый масштаб, что способствует интенсивному развитию нанотехнологий в производстве новых радиоматериалов и радиокомпонентов. Так, в настоящее время освоено производство микросхем с минимальным размером элементов 90 нанометров, что позволило довести число транзисторов в одном чипе до 100 миллионов и более.

Для обеспечения высоких требований, предъявляемых к современной радиоэлектронной аппаратуре, проводятся исследования большого количества различных материалов и радиокомпонентов. Новые материалы в редких случаях можно получить в результате удачного опыта, необходимо глубокое изучение электрических, физических, механических и химических характеристик веществ. Правильное и рациональное применение радиоматериалов во многом определяет технико-экономические показатели и надежность работы электрооборудования и электротехнических устройств, приборов. Поэтому в программу подготовки инженеров-радиотехников включен курс «Радиоматериалы и радиокомпоненты». Цель дисциплины: расширить и углубить знания студентов в области современных радиокомпонентов, а также основных материалов, используемых при их изготовлении.

Задачи дисциплины: изучение электрофизических свойств, характеристик и областей применения материалов, применяемых в радиоэлектронных системах (РЭС); изучение типов, эксплуатационных характеристик и маркировок отечественных и зарубежных радиокомпонентов; освоение методов выбора радиокомпонентов для различных видов РЭС.

Данное учебное пособие разработано на основе примерной программы дисциплины «Радиоматериалы и радиокомпоненты», рекомендованной в 2001 г. Министерством образования России для направлений подготовки дипломированных специалистов 654200 «Радиотехника» и бакалавров и магистров 552500 «Радиотехника». Оно содержит краткие теоретические сведения о радиоматериалах, радиокомпонентах и описания 10 работ лабораторного практикума по исследованию радиоматериалов и радиокомпонентов. Пособие также может быть использовано студентами специальности 010400 «Физика» при изучении курса «Радиофизика и электроника».