目 錄
第1 章 概論1
1.1 跳出電子行業(yè)的常規(guī)藩籬1
1.2 章節(jié)安排1
1.3 溫度造成的影響2
1.3.1 硅基電子器件2
1.3.2 寬禁帶半導(dǎo)體器件4
1.3.3 無(wú)源器件及封裝4
1.3.4 超導(dǎo)電性5
1.4 惡劣環(huán)境造成的影響5
1.4.1 濕度與腐蝕5
1.4.2 輻射6
1.4.3 振動(dòng)和機(jī)械沖擊6
1.5 討論與小結(jié)6
思考題7
原著參考文獻(xiàn)8
第2 章 超常規(guī)條件下工作的電子器件9
2.1 地球及其他星球上危及生命的高低溫9
2.2 電子器件溫度失衡10
2.3 高溫電子器件11
2.3.1 汽車(chē)業(yè)12
2.3.2 航空航天業(yè)14
2.3.3 航天任務(wù)17
2.3.4 油井勘測(cè)設(shè)備19
2.3.5 工業(yè)用系統(tǒng)與醫(yī)療用系統(tǒng)20
2.4 低溫電子器件20
2.5 極端溫度與惡劣環(huán)境范疇內(nèi)的電子器件21
2.5.1 高溫操作：弱點(diǎn)明顯22
2.5.2 冷卻導(dǎo)致的性能提升/下降22
2.5.3 腐蝕：濕度和氣候?qū)е碌挠绊?2
12
2.5.4 核輻射及電磁輻射對(duì)電子系統(tǒng)的損害22
2.5.5 振動(dòng)與沖擊造成的影響23
2.6 討論與小結(jié)24
思考題24
原著參考文獻(xiàn)25
第I 部分 極端溫度下的電子器件
第3 章 溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的影響28
3.1 引言28
3.2 能帶隙28
3.3 本征載流子濃度29
3.4 載流子飽和速度33
3.5 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率34
3.6 半導(dǎo)體中的自由載流子濃度35
3.7 不完全電離與載流子凍析35
3.8 不同溫域的電離機(jī)制37
3.8.1 當(dāng)溫度T＜100 K 時(shí)，低溫載流子凍析區(qū)(低溫弱電離區(qū))或不完全電離區(qū)37
3.8.2 當(dāng)溫度T 約為100 K，且100 K ＜ T ＜ 500 K 時(shí)，非本征載流子區(qū)/
載流子飽和區(qū)(強(qiáng)電離區(qū)) 40
3.8.3 當(dāng)溫度T ＞ 500 K 時(shí)，本征載流子區(qū)/高溫本征激發(fā)區(qū)41
3.8.4 當(dāng)T≥400 K 時(shí)與能帶隙的比例42
3.9 載流子在半導(dǎo)體中的遷移率42
3.9.1 晶格波散射43
3.9.2 電離雜質(zhì)散射43
3.9.3 非補(bǔ)償半導(dǎo)體和補(bǔ)償半導(dǎo)體中的遷移率44
3.9.4 合成遷移率44
3.10 遷移率隨溫度變化方程45
3.10.1 Arora-Hauser-Roulston 方程45
3.10.2 克拉森方程46
3.10.3 MINIMOS 遷移率模型46
3.11 低溫下MOSFET 反型層中的遷移率47
3.12 載流子壽命47
3.13 比硅的能帶隙更寬的半導(dǎo)體49
3.13.1 砷化鎵49
3.13.2 碳化硅49
3.13.3 氮化鎵49
3.13.4 金剛石50
3.14 討論與小結(jié)50
思考題50
原著參考文獻(xiàn)52
第4 章 硅雙極型器件及硅電路的溫度依賴(lài)電特性54
4.1 硅的特性54
4.2 硅的本征溫度55
4.3 單晶硅片技術(shù)概要56
4.3.1 電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)56
4.3.2 單晶生長(zhǎng)法57
4.3.3 光刻58
4.3.4 硅熱氧化58
4.3.5 硅的n 型熱擴(kuò)散摻雜59
4.3.6 硅的p 型熱擴(kuò)散摻雜60
4.3.7 離子注入摻雜60
4.3.8 低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)61
4.3.9 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)62
4.3.10 原子層沉積63
4.3.11 硅的歐姆(非整流)接觸63
4.3.12 硅的肖特基接觸64
4.3.13 硅集成電路中的pn 結(jié)隔離與介電隔離64
4.4 溫度對(duì)雙極型器件的影響66
4.4.1 pn 結(jié)二極管電流-電壓特性的肖克萊方程66
4.4.2 pn 結(jié)二極管正向壓降68
4.4.3 肖特基二極管正向電壓70
4.4.4 pn 結(jié)二極管反向漏電流72
4.4.5 pn 結(jié)二極管雪崩擊穿電壓73
4.4.6 雪崩擊穿電壓溫度系數(shù)分析模型76
4.4.7 二極管齊納擊穿電壓78
4.4.8 p+n結(jié)二極管的存儲(chǔ)時(shí)間(ts) 79
4.4.9 雙極型晶體管電流增益79
4.4.10 大致分析83
4.4.11 雙極型晶體管飽和電壓84
4.4.12 雙極型晶體管反向基極和發(fā)射極電流(ICBO 和ICEO) 86
4.4.13 雙極型晶體管動(dòng)態(tài)響應(yīng)87
4.5 25℃至300℃范圍內(nèi)的雙極型模擬電路87
4.6 25℃至340℃范圍內(nèi)的雙極型數(shù)字電路89
4.7 討論與小結(jié)89
思考題90
原著參考文獻(xiàn)92
第5 章 硅基MOS 器件與電路電特性的溫度依賴(lài)性94
5.1 引言94
5.2 n 溝道增強(qiáng)型MOSFET 閾值電壓95
5.3 雙擴(kuò)散垂直MOSFET 導(dǎo)通電阻(RDS(ON))99
5.4 MOSFET 跨導(dǎo)gm 102
5.5 MOSFET 擊穿電壓BVDSS 與漏源電流IDSS 103
5.6 MOSFET 零溫度系數(shù)偏置點(diǎn)104
5.7 MOSFET 動(dòng)態(tài)響應(yīng)106
5.8 25℃至300℃范圍內(nèi)MOS 模擬電路特性分析107
5.9 ?196℃至270℃范圍內(nèi)CMOS 數(shù)字電路特性分析112
5.10 討論與小結(jié)112
思考題112
原著參考文獻(xiàn)114
第6 章 溫度對(duì)硅鍺異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管性能的影響116
6.1 引言116
6.2 制造HBT118
6.3 Si/Si1?xGex 型HBT 的電流增益和正向渡越時(shí)間118
6.4 硅BJT 與硅/硅鍺HBT 的比較120
6.5 討論與小結(jié)127
思考題128
原著參考文獻(xiàn)129
第7 章 砷化鎵電子器件的溫度耐受能力130
7.1 引言130
7.2 砷化鎵的本征溫度132
7.3 單晶砷化鎵生長(zhǎng)133
7.4 砷化鎵摻雜133
7.5 砷化鎵歐姆接觸134
7.5.1 室溫工作環(huán)境下n 型砷化鎵的Au-Ge/Ni/Ti 接觸134
7.5.2 高溫工作環(huán)境下n 型砷化鎵歐姆接觸135
7.6 砷化鎵肖特基接觸135
7.7 25℃至400℃溫度范圍內(nèi)商用砷化鎵設(shè)備評(píng)估136
7.8 減小砷化鎵MESFET 300℃下漏電流的創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)137
7.9 一個(gè)砷化鎵MESFET 閾值電壓模型138
7.10 提升MESFET 耐高溫性能至300℃的高溫電子工藝140
7.11 25℃至500℃環(huán)境下運(yùn)行砷化鎵CHFET141
7.12 400℃環(huán)境下運(yùn)行砷化鎵雙極型晶體管142
7.13 350℃環(huán)境下應(yīng)用砷化鎵HBT142
7.14 AlxGaAs1?x/GaAs HBT143
7.15 討論與小結(jié)145
思考題145
原著參考文獻(xiàn)147
第8 章 用于高溫工作的碳化硅電子器件148
8.1 引言148
8.2 碳化硅的本征溫度150
8.3 碳化硅單晶生長(zhǎng)151
8.4 碳化硅摻雜152
8.5 二氧化硅表面氧化152
8.6 碳化硅肖特基接觸與歐姆接觸153
8.7 SiC pn 結(jié)二極管153
8.7.1 498 K 環(huán)境下測(cè)試SiC 二極管153
8.7.2 873 K 環(huán)境下測(cè)試SiC 二極管153
8.7.3 773 K 環(huán)境下工作的SiC 集成橋整流器154
8.8 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管154
8.8.1 溫度對(duì)Si 肖特基二極管和SiC 肖特基二極管的影響155
8.8.2 623 K 環(huán)境下測(cè)試肖特基二極管155
8.8.3 523 K 環(huán)境下測(cè)試肖特基二極管156
8.9 SiC JFET156
8.9.1 25℃至450℃溫度區(qū)間的SiC JFET 特性158
8.9.2 500℃環(huán)境測(cè)試6H-SiC JFET 與IC 158
8.9.3 25℃至550℃溫度區(qū)間內(nèi)基于6H-SiC JFET 的邏輯電路159
8.9.4 500℃環(huán)境長(zhǎng)工作壽命(10 000 小時(shí))的6H-SiC 模擬IC 和數(shù)字IC 161
8.9.5 450℃環(huán)境下6H-SiC JFET 與差分放大器的特性161
8.10 SiC 雙極型晶體管162
8.10.1 140 K 至460 K 溫度區(qū)間內(nèi)SiC BJT 的特性描述163
8.10.2 ?86℃至550℃溫度區(qū)間內(nèi)SiC BJT 的性能評(píng)估164
8.11 SiC MOSFET 164
8.12 討論與小結(jié)165
思考題165
原著參考文獻(xiàn)167
第9 章 超高溫環(huán)境下的氮化鎵電子器件170
9.1 引言170
9.2 GaN 本征溫度171
9.3 GaN 外延生長(zhǎng)過(guò)程172
9.4 GaN 摻雜172
9.5 GaN 歐姆接觸173
9.5.1 n 型GaN 歐姆接觸173
9.5.2 p 型GaN 歐姆接觸173
9.6 GaN 的肖特基接觸174
9.7 GaN MESFET 的雙曲正切函數(shù)模型174
9.8 AlGaN/GaN HEMT 178
9.8.1 25℃至500℃溫度區(qū)間內(nèi)工作的4H-SiC/藍(lán)寶石襯底AlGaN/GaN HEMT178
9.8.2 150℃至240℃溫度區(qū)間內(nèi)測(cè)試AlGaN/GaN HEMT 的工作壽命179
9.8.3 368℃環(huán)境下AlGaN/GaN HEMT 功率特性180
9.8.4 高功率AlGaN/GaN HEMT 高溫環(huán)境下的失效機(jī)理180
9.9 InAlN/GaN HEMT180
9.9.1 高溫應(yīng)用環(huán)境下AlGaN/GaN HEMT 對(duì)比InAlN/GaN HEMT180
9.9.2 1000℃環(huán)境下InAlN/GaN HEMT 特性180
9.9.3 1000℃環(huán)境下InAlN/GaN HEMT 勢(shì)壘層熱穩(wěn)定性181
9.9.4 1000℃環(huán)境下吉赫茲頻率工作的HEMT 可行性論證181
9.10 討論與小結(jié)183
思考題183
原著參考文獻(xiàn)184
第10 章 用于超高溫環(huán)境的金剛石電子器件186
10.1 引言186
10.2 金剛石的本征溫度187
10.3 人工合成金剛石188
10.4 金剛石的摻雜190
10.4.1 n 型摻雜190
10.4.2 p 型摻雜191
10.4.3 氫終止金剛石表面的p 型摻雜191
10.5 pn 結(jié)金剛石二極管191
10.6 金剛石肖特基二極管192
10.6.1 金剛石肖特基二極管在1000℃高溫環(huán)境下工作192
10.6.2 金剛石SBD 在400℃環(huán)境下長(zhǎng)期工作193
10.7 金剛石BJT 在低于200 ℃的環(huán)境下工作194
10.8 金剛石MESFET194
10.8.1 氫終止金剛石MESFET 194
10.8.2 20℃至100℃環(huán)境下金剛石MESFET 的電特性196
10.8.3 有鈍化層的氫終止金剛石MESFET196
10.8.4 350℃環(huán)境下工作的硼脈沖摻雜或δ 摻雜金剛石MESFET196
10.8.5 硼δ 摻雜分布的替代性研究197
10.9 金剛石JFET197
10.10 金剛石MISFET199
10.11 討論與小結(jié)200
思考題201
原著參考文獻(xiàn)202
第11 章 高溫?zé)o源器件、鍵合和封裝205
11.1 引言205
11.2 高溫電阻器205
11.2.1 金屬箔電阻器205
11.2.2 繞線(xiàn)電阻器206
11.2.3 薄膜電阻器206
11.2.4 厚膜電阻器207
11.3 高溫電容器207
11.3.1 陶瓷電容器207
11.3.2 固態(tài)和液態(tài)鉭電容器208
11.3.3 特氟隆(聚四氟乙烯)電容器209
11.4 高溫磁芯和電感器210
11.4.1 磁芯210
11.4.2 電感器210
11.5 高溫金屬化212
11.5.1 硅表面鎢金屬化212
11.5.2 鎢：在p 型4H-SiC 和6H-SiC 襯底上氮摻雜同質(zhì)外延層上的鎳金屬化212
11.5.3 n 型4H-SiC 鎳金屬化和p 型4H-SiC 鎳/鈦/鋁金屬化212
11.5.4 氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板上的厚膜金互連系統(tǒng)212
11.6 高溫封裝212
11.6.1 基板213
11.6.2 固晶材料213
11.6.3 引線(xiàn)鍵合213
11.6.4 氣密封裝213
11.6.5 氣密封裝的兩個(gè)部分215
11.7 討論與小結(jié)215
思考題215
原著參考文獻(xiàn)216
第12 章 極低溫環(huán)境下的超導(dǎo)電子學(xué)218
12.1 引言218
12.2 超導(dǎo)性原理218
12.2.1 低溫超導(dǎo)體218
12.2.2 邁斯納效應(yīng)219
12.2.3 臨界磁場(chǎng)(HC)和臨界電流密度(JC)220
12.2.4 超導(dǎo)體分類(lèi)：Ⅰ型和Ⅱ型220
12.2.5 超導(dǎo)性BCS 理論222
12.2.6 金茲堡-朗道理論224
12.2.7 倫敦方程226
12.2.8 利用倫敦方程解釋邁斯納效應(yīng)227
12.2.9 實(shí)際應(yīng)用229
12.2.10 高溫超導(dǎo)體229
12.3 約瑟夫森結(jié)229
12.3.1 直流約瑟夫森效應(yīng)230
12.3.2 交流約瑟夫森效應(yīng)231
12.3.3 理論分析231
12.3.4 規(guī)范不變相位差234
12.4 逆交流約瑟夫森效應(yīng)：夏皮羅步驟239
12.5 超導(dǎo)量子干涉儀242
12.5.1 直流超導(dǎo)量子干涉儀242
12.5.2 交流或射頻超導(dǎo)量子干涉儀244
12.6 快速單通量量子(RFSQ)邏輯門(mén)245
12.6.1 與傳統(tǒng)邏輯門(mén)的差異245
12.6.2 RFSQ 電壓脈沖的產(chǎn)生245
12.6.3 RFSQ 構(gòu)建塊246
12.6.4 RFSQ 復(fù)位-設(shè)置觸發(fā)器246
12.6.5 RFSQ 非門(mén)(反向器) 247
12.6.6 RFSQ 或門(mén)248
12.6.7 RFSQ 邏輯門(mén)優(yōu)勢(shì)249
12.6.8 RFSQ 邏輯門(mén)劣勢(shì)249
12.7 討論與小結(jié)249
思考題250
原著參考文獻(xiàn)252
第13 章 液氮溫度下超導(dǎo)體微波電路的工作特性253
13.1 引言253
13.2 微波電路襯底253
13.3 高溫超導(dǎo)薄膜材料254
13.3.1 釔鋇銅氧化物254
13.3.2 鉈鋇鈣銅氧化物(TBCCO) 254
13.4 高溫超導(dǎo)微波電路的制備工藝254
13.5 高溫超導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)與調(diào)諧方法255
13.6 低溫封裝256
13.7 用于移動(dòng)通信的高溫超導(dǎo)帶通濾波器257
13.7.1 濾波器設(shè)計(jì)方法257
13.7.2 濾波器的制造與表征257
13.8 基于高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的下變頻器258
13.9 討論與小結(jié)259
思考題259
原著參考文獻(xiàn)260
第14 章 高溫超導(dǎo)電力傳輸261
14.1 引言261
14.2 傳統(tǒng)電力傳輸261
14.2.1 傳輸材料261
14.2.2 高壓傳輸261
14.2.3 架空輸電線(xiàn)與地下輸電線(xiàn)262
14.3 高溫超導(dǎo)電線(xiàn)262
14.3.1 第一代高溫超導(dǎo)電線(xiàn)262
14.3.2 第二代高溫超導(dǎo)電線(xiàn)263
14.4 高溫超導(dǎo)電纜設(shè)計(jì)265
14.4.1 單相熱絕緣高溫超導(dǎo)電纜265
14.4.2 單相冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜265
14.4.3 流量、壓降和高溫超導(dǎo)電纜溫度266
14.4.4 三相冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜266
14.5 HTS 故障電流限制器267
14.5.1 電阻式超導(dǎo)故障電流限制器268
14.5.2 屏蔽芯超導(dǎo)故障電流限制器268
14.5.3 飽和鐵芯超導(dǎo)故障電流限制器269
14.6 高溫超導(dǎo)變壓器270
14.7 討論與小結(jié)270
思考題270
原著參考文獻(xiàn)271
第Ⅱ部分 惡劣環(huán)境下的電子器件
第15 章 濕度和污染對(duì)電子器件的影響273
15.1 引言273
15.2 絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度273
15.3 濕度、污染和腐蝕間的關(guān)系274
15.4 電子器件中的金屬與合金275
15.5 濕度引起腐蝕的機(jī)理275
15.5.1 電化學(xué)腐蝕275
15.5.2 陽(yáng)極腐蝕276
15.5.3 電偶腐蝕276
15.5.4 陰極腐蝕278
15.5.5 蠕變腐蝕278
15.5.6 雜散電流腐蝕279
15.5.7 爆米花效應(yīng)279
15.6 討論與小結(jié)279
思考題280
原著參考文獻(xiàn)280
第16 章 防潮防水的電子器件281
16.1 引言281
16.2 防腐蝕設(shè)計(jì)281
16.2.1 容錯(cuò)設(shè)計(jì)281
16.2.2 空氣-氣體接觸最小化281
16.2.3 密封干燥封裝設(shè)計(jì)282
16.2.4 邊界表面材料的選擇282
16.3 派瑞林涂層282
16.3.1 派瑞林及其優(yōu)勢(shì)282
16.3.2 派瑞林的種類(lèi)282
16.3.3 派瑞林涂層的氣相沉積聚合工藝283
16.3.4 典型電性能284
16.3.5 防腐蝕應(yīng)用284
16.4 超疏水涂層284
16.4.1 超疏水概念284
16.4.2 標(biāo)準(zhǔn)沉積技術(shù)與等離子工藝284
16.4.3 納米沉積工藝關(guān)鍵技術(shù)285
16.4.4 具體應(yīng)用286
16.5 揮發(fā)性緩蝕劑涂層286
16.6 硅酮(有機(jī)硅)287
16.7 討論與小結(jié)287
思考題288
原著參考文獻(xiàn)289
第17 章 電子器件的化學(xué)腐蝕防護(hù)290
17.1 引言290
17.2 環(huán)境氣體引起的硫化與氧化腐蝕290
17.3 電解離子遷移與電耦合291
17.4 集成電路與印制電路板(PCB)電路的內(nèi)部腐蝕291
17.5 微動(dòng)腐蝕291
17.6 錫須的生長(zhǎng)292
17.7 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)最小化292
17.7.1 在設(shè)備應(yīng)用與組裝中使用非腐蝕性化學(xué)品292
17.7.2 使用保形涂層292
17.8 其他保護(hù)措施294
17.8.1 塑料灌封或二次成型封裝294
17.8.2 孔隙密封與真空浸漬295
17.9 氣密封裝296
17.9.1 多層陶瓷封裝296
17.9.2 壓制陶瓷封裝297
17.9.3 金屬封裝297
17.10 分立高壓二極管、晶體管和晶閘管的密封玻璃鈍化298
17.11 討論與小結(jié)299
思考題299
原著參考文獻(xiàn)300
第18 章 電子元器件的輻射效應(yīng)301
18.1 引言301
18.2 輻射環(huán)境301
18.2.1 天然輻射環(huán)境301
18.2.2 人造輻射源302
18.3 輻射效應(yīng)概述303
18.3.1 電離總劑量效應(yīng)303
18.3.2 單粒子效應(yīng)303
18.3.3 劑量率效應(yīng)303
18.4 累積劑量效應(yīng)304
18.4.1 伽馬射線(xiàn)效應(yīng)305
18.4.2 中子效應(yīng)306
18.5 單粒子效應(yīng)307
18.5.1 非破壞性單粒子效應(yīng)308
18.5.2 破壞性單粒子效應(yīng)308
18.6 討論與小結(jié)310
思考題310
原著參考文獻(xiàn)311
第19 章 抗輻射加固電子器件312
19.1 抗輻射加固的含義312
19.2 抗輻射加固工藝(RHBP) 312
19.2.1 減少二氧化硅層中空間電荷的形成312
19.2.2 雜質(zhì)輪廓裁剪與載流子壽命控制312
19.2.3 三阱CMOS 工藝313
19.2.4 SOI 工藝的應(yīng)用313
19.3 抗輻射加固設(shè)計(jì)315
19.3.1 無(wú)邊或環(huán)形MOSFET315
19.3.2 溝道阻擋層和保護(hù)環(huán)316
19.3.3 通過(guò)增加溝道寬長(zhǎng)比控制電荷耗散317
19.3.4 時(shí)域?yàn)V波317
19.3.5 空間冗余318
19.3.6 時(shí)間冗余319
19.3.7 雙互鎖存儲(chǔ)單元319
19.4 討論與小結(jié)322
思考題322
原著參考文獻(xiàn)323
第20 章 抗振動(dòng)電子器件324
20.1 無(wú)處不在的振動(dòng)324
20.2 隨機(jī)振動(dòng)與正弦振動(dòng)325
20.3 對(duì)抗振動(dòng)影響325
20.4 被動(dòng)型隔振器與主動(dòng)型隔振器325
20.5 被動(dòng)型隔振器原理326
20.5.1 案例1：無(wú)阻尼自由振動(dòng)326
20.5.2 案例2：無(wú)阻尼受迫振動(dòng)328
20.5.3 案例3：黏滯阻尼受迫振動(dòng)331
20.6 機(jī)械彈簧隔振器335
20.7 空氣彈簧隔振器335
20.8 鋼絲繩隔振器335
20.9 彈性隔振器335
20.10 負(fù)剛度隔振器335
20.11 主動(dòng)型隔振器337
20.11.1 工作原理337
20.11.2 優(yōu)勢(shì)338
20.11.3 應(yīng)用場(chǎng)合338
20.12 討論與小結(jié)339
思考題339
原著參考文獻(xiàn)340
附錄A 縮寫(xiě)，化學(xué)符號(hào)和數(shù)學(xué)符號(hào)341
附錄B 拉丁字母符號(hào)含義349
附錄C 希臘字母及其他字母符號(hào)含義351