Электронная аппаратура. Основные положения электроники. Радио- и электротехнические материалы и изделия

И. К. Никифоров





                ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА




ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ.

РАДИО- И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Учебное пособие










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.3
ББК 31.2
       Н62

Рецензент:
канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной электроники ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» Г. В. Малинин





       Никифоров, И. К.
Н62          Электронная аппаратура. Основные положения
       электроники. Радио- и электротехнические материалы и изделия : учебное пособие / Н. К. Никифоров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 372 с. : ил., табл.
              ISBN 978-5-9729-1164-6

              Рассматриваются основные положения электроники, приводится ряд сведений и справочных данных о проводниковых, диэлектрических, полупроводниковых и магнитных материалах, применяемых в радио- и электротехнике и электроэнергетике.
              Для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей и специалистов, занимающихся разработкой силовой электронной аппаратуры и мощных источников вторичного электропитания.

УДК 621.3
                                                 ББК 31.2





ISBN 978-5-9729-1164-6     © Никифоров И. К., 2023
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    Обозначения физических величин                            
a   период кристаллической решетки                            
a n коэффициент поля                                          
b   толщина пленки напыляемого материала (или толщина базы)   
C   электрическая емкость                                     
cT  удельная термоЭДС, характеризующая конкретную пару контак-
    тируемых металлов                                         
cy  удельная электрическая емкость                            
Dn  коэффициент диффузии электронов в полупроводнике п-типа   
Dp  коэффициент диффузии «дырок» в полупроводнике р-типа      
d   диаметр провода                                           
Ё   напряженность внешнего электрического поля                
EF  энергия уровня Ферми                                      
Eg  энергия запрещенной зоны                                  
Enp электрическая прочность диэлектрика                       
eL  условно свободный(е) электрон(ы)                          
et  ЭДС самоиндукции                                          
f   термоЭДС                                                  
h   частота тока                                              
hv  постоянная Планка                                         
i   фотон                                                     
!   электрический ток                                         
l   плотность электрического тока                             
k   средняя длина свободного пробега электрона                
kR  постоянная Больцмана (если не указано иное в тексте)      
l*  поправочный коэффициент к сопротивлению                   
l   орбитальное квантовое число                               
m*  длина                                                     
me  магнитное квантовое число                                 
mn  масса электрона                                           
mu  эффективная масса электрона                               
n*  эффективная масса «дырки»                                 
NA  главное квантовое число                                   
na  число Авогадро                                            
ne  концентрация акцепторных зарядов (дополнительных «дырок») 
nd  концентрация электронов                                   
nl  концентрация донорных зарядов (дополнительных электронов) 
ni  концентрация «ловушек» в структуре кристаллической решетки
    концентрация свободных носителей зарядов в собственном по-
    лупроводнике i-типа                                       
nu  концентрация «дырок»                                      

3

Q электрический заряд на обкладках конденсатора qₑ  заряд электрона
r дифференциальное сопротивление R сопротивление постоянному току R~ сопротивление переменному току s площадь сечения s* спиновое квантовое число Т   абсолютная температура
tg5 тангенс угла диэлектрических потерь t среднее время свободного пробега электрона и   «дырка» (или протонный заряд)
й   средняя тепловая скорость электронов
й   средняя скорость движения ионов
Uпр пробивное напряжение ai,2 температурный коэффициент термоЭДС a ₗ температурный коэффициент линейного расширения
aR температурный коэффициент электрического сопротивления a Т температурный коэффициент удельного сопротивления атп коэффициент теплопроводности материала / удельная теплопроводность у коэффициент рекомбинации Д₀ ширина электронно-дырочного перехода П1,₂ коэффициент Пельтье Хтп теплопроводность материала ц е подвижность электронов ц ᵢ подвижность ионов
ц ₙ подвижность зарядов в полупроводнике п -типа цₚ подвижность зарядов в полупроводнике р -типа ц ᵤ подвижность «дырок» студ удельная объемная электрическая проводимость диэлектрика г е среднее время жизни электрона
г ᵤ среднее время жизни «дырки»
р v удельное объемное электрическое сопротивление
Д   глубина проникновения тока
v   частота электромагнитных колебаний
е   диэлектрическая проницаемость
е₀  диэлектрическая постоянная
X   длина волны
р   удельное электрическое сопротивление
р ₛ удельное поверхностное электрическое сопротивление

4

g   удельная электрическая проводимость
и скорость движения электрона
и средняя скорость направленного движения электронов


          Условные сокращения                                
ГК        Горячекатаная                                      
ГП        Гетеропереход                                      
ДЭГ       Двумерный электронный газ                          
ИВЭП      Источники вторичного электропитания                
имс       Интегральная микросхема                            
КЗ        Короткое(ие) замыкание(я)                          
МЭК (IEC) Международная электротехническая комиссия (Interna-
          tional Electrotechnical Commission)                
НЭАС      Низковольтное электроаппаратостроение              
н.у.э.    Нормальные условия эксплуатации                    
ПП        Полупроводник(и), полупроводниковый                
ППГ       Прямоугольная петля гистерезиса                    
ППМ       Полупроводниковые материалы                        
ПУЭ       Правила устройства электроустановок                
РЭА       Радиоэлектронная аппаратура                        
СИП       Самонесущие изолированные провода                  
СЭА       Силовая электронная аппаратура                     
СЭС       Система электроснабжения                           
ХК        Холоднокатаная                                     
ти        Температурный индекс                               
ТКЛР      Температурный коэффициент линейного расширения     
ТУ        Технические условия                                
ТЭН       Трубчатые электронагревательные элементы           
ЭДП       Электронно-дырочный переход                        
ЭИМ       Электроизоляционные материалы                      
ЭТС       Электротехнические стали                           
ЭУ        Электронное устройство                             

5

ПРЕДИСЛОВИЕ
    В данном учебном пособии из серии «Электронная аппаратура» (далее по ссылке 1-я книга) рассматриваются базовые положения электроники, основные материалы и изделия на их основе, применяемые в радиотехнической промышленности, в электротехнике и в электроэнергетике. Так как стандарты высшего образования обязывают будущих специалистов - инженеров-проектировщиков и технологов «знать» и «уметь», - отсюда и более практичный подход в данном учебном пособии, отличающийся от принятого академического стиля.
    Многие теоретические вопросы, базовые расчетные соотношения даны в книгах, которые при современном подходе в образовании считаются «устаревшими». Отметим, что большинство теоретических вопросов по тематике данной книги было проработано в 60-90-х годах XX в., и в настоящее время частично изменилась лишь технология изготовления пассивных и активных компонентов и электрорадиоматериалов. Отсюда неизбежность ссылок на «устаревшую» литературу.
    С целью улучшения усвоения материала приводятся примеры типовых расчетов, отражены некоторые методы контроля и испытаний электро- и радиотехнических материалов, дана информация по некоторым вопросам конструирования и технологии, т. е. материал сформирован так, чтобы будущий специалист мог ориентироваться в современном производстве СЭА и РЭА и сопутствующих им изделиях и устройствах. Для того чтобы охватить полностью методы инженерных испытаний в современном производстве изделий радио- и электротехнических профилей, требуется рассматривать эти вопросы в отдельности для радио- и электротехнических профилей специальностей. Данная работа не претендует на полноту охвата материала. Подход к структурированию и объединению материала различных источников у каждого автора свой - отсюда неизбежные критика и замечания. Большинство материала в книге предназначено для подготовки по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
    Электронное изделие с инжнерной точки зрения делят по категориям - система в целом ^ отдельное устройство как

6

часть системы ^ конкретная схема ^ элементы и компоненты схемы ^ материалы, из которых изготовлены компоненты и элементы. Таким же образом строится учебный процесс на основе принципа «от простого к сложному». Этот же принцип заложен при написании связанных между собой учебных пособий, объединенных под общим заглавием «Электронная аппаратура».
    Литература по компонентам и элементам СЭА и ИВЭП, а также применяемым материалам устаревает каждые 15-20 лет, ввиду того, что появляются новые технологии изготовления этих материалов и компонентов (элементов). В производстве устройств РЭА, СЭА и ИВЭП широко стали применяются компактные SMD-компоненты, как пассивные (резисторы, конденсаторы, индуктивности), так и активные (диоды, транзисторы и «миниатюрные» тиристоры), т. е. имеется тенденция замещения установочных (навесных) относительно крупных по размерам дискретных компонентов электро- и радиотехнических изделий компактными и в ряде случаях более надежными чип-компонен-тами. Дискретными остаются компоненты, применяемые в силовых электроустановках и мощных ИВЭП.
    При изложении материала во всех книгах серии под компонентом понимают базовую единицу схемы, наименьшую конструктивно и технологически законченную деталь, выполняющую заданные функции в электрической принципиальной схеме и являющуюся составной частью элемента или узла РЭА, СЭА и ИВЭП; электрорадиоэлементом (далее - элемент схемы) - конструктивно завершенное, изготовленное в промышленных условиях изделие, состоящее из составных частей и способное выполнять свои функции (согласно регламентированным параметрам и гарантированное производителем) в составе электрических цепей, т. е. элементы могут иметь достаточно сложное внутреннее устройство, но не допускают разделения на части, так как иначе будут неспособны выполнять свое функциональное назначение. Также принимается, что резисторы, предохранители , конденсаторы, индуктивности (без магнитных сердечников) относятся к пассивным компонентам схем. К пассивным элементам схем относят микросборки резисторов, пассивные фильтры и т. п. Термин «пассивный» трактуется в том смысле, что компоненты схем активно не влияют на преобразование

7

электрической энергии, т. е. нет процесса управления этой энергией, тогда как термин «активный» подразумевает активное преобразование электрической энергии с функцией управления ею. Отсюда трансформаторы относятся к пассивным элементам схем. Для ПП-приборов здесь также можем считать, что транзисторы, тиристоры относятся к активным компонентам схем, а операционные усилители, микросборки транзисторов и интегральные схемы - к активным элементам схем. Так как диоды не обладают функцией управления электрической энергией, их можно классифицировать как пассивные компоненты, а диодные сборки и мосты - как пассивные элементы схем.
    Приводимые в книге ссылки должны способствовать выработке у студентов навыков самостоятельного изучения и нахождения материала по интересующим их вопросам.

8

1. ОСНОВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

    Электроника - область науки, техники и производства, связанная с исследованиями, разработкой, изготовлением и применением электронных, ионных и полупроводниковых устройств. Современная электроника - это совокупность наиболее сложных технологий электроники, базирующихся на знании и применении свойств различных материалов, на основе которых изготовляются компоненты и элементы схем с заданными электрическими параметрами и требуемыми характеристиками.
    В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронными устройствами. На определенных этапах развития техники и технологий становится невозможным решать научно-технические задачи и развивать новые технологии на основе старой элементной базы. Это является предпосылкой дальнейшего совершенствования элементной базы.
    Факторами, вызывающими необходимость разработки электронных устройств на новой элементной базе, является необходимость повышения надежности, уменьшение габаритов, массы, стоимости и потребляемой энергии, а также упрощение технологий изготовления РЭА, СЭА и ИВЭП.
    Электронное устройство (ЭУ) содержит ряд электронных средств (блоков), представляющих собой функционально законченные сборочные единицы, выполненные на общей несущей конструкции и совместно реализующие функции передачи, приема и преобразования информации или техническую задачу на их основе.
    Электронное средство - изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы того или иного направления электроники.
    В истории развития электроники можно выделить четыре основных этапа: электронных ламп (с 1904 г.), транзисторов (с 1947 г.), интегральных схем (с 1958 г.), функциональных устройств с использованием объемных эффектов (с 1980 г.), и четыре главные области применения: электросвязь, радиоэлектронная аппаратура широкого применения, вычислительная техника и силовая промышленная электроника.

9

    Показателем совершенства РЭА является плотность упаковки, т. е. число элементов (компонентов) схемы в 1 см³ устройства. Например, если устройство собрано полностью на электронных лампах, то плотность упаковки достигает значения 0,3 элементов/см³, а ЭВМ, построенная на электронных лампах и соизмеримая по обработке информации с нынешним системным блоком средних параметров, займет объем несколько тысяч кубических метров (примерно как 16-этажный дом).
    Следующим этапом стала возможность достижения плотности упаковки электронных устройств до 2,5 элементов/см³ на основе диодов и транзисторов (конец 40-х годов XX в.). Промышленная революция 50-70-х годов XX в. позволила уменьшить размеры пассивных и активных компонентов и элементов, при этом была достигнута стандартная плотность упаковки большинства промышленных изделий до 10 элементов/см³. Эра интегральной электроники началась в 80-х годах с типовых размеров элементов и компонентов 50-10 мкм и постепенно приблизилась к началу 90-х годов к технологиям с размерами 0,1-0,05 мкм. Нынешние технологии достигли размеров 25-8 нм и по терминологии относятся к направлению нанотехнологий.
    Обобщенно промышленное развитие и практическое использование электроники подразделяют на два основных направления:
    -     энергетическое (силовое), связанное с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики;
    -     информационное, к которому относятся электронные устройства, обеспечивающие измерение, контроль и управление различными процессами, включая производство и научные исследования во многих инженерных и неинженерных отраслях (биология, медицина и т. п.).
    Также имеется разделение на аналоговую и цифровую электронику. Среди последней различают разработуку и производство микропроцессоров и микроконтроллеров, процессоров ЭВМ, ИМС памяти и ряд других специализированных ИМС.
    С технологической точки зрения различают:
    -     микроэлектронику - подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов с геометрическими размерами характерных элементов в несколько микрометров и меньше. В интегральной микроэлектронике ис

10