極端溫度與惡劣環境電子學——物理原理、技術與應用

目 錄
第1 章 概論1
1.1 跳出電子行業的常規藩籬1
1.2 章節安排1
1.3 溫度造成的影響2
1.3.1 硅基電子器件2
1.3.2 寬禁帶半導體器件4
1.3.3 無源器件及封裝4
1.3.4 超導電性5
1.4 惡劣環境造成的影響5
1.4.1 濕度與腐蝕5
1.4.2 輻射6
1.4.3 振動和機械沖擊6
1.5 討論與小結6
思考題7
原著參考文獻8
第2 章 超常規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 汽車業12
2.3.2 航空航天業14
2.3.3 航天任務17
2.3.4 油井勘測設備19
2.3.5 工業用系統與醫療用系統20
2.4 低溫電子器件20
2.5 極端溫度與惡劣環境範疇內的電子器件21
2.5.1 高溫操作：弱點明顯22
2.5.2 冷卻導致的性能提升/下降22
2.5.3 腐蝕：濕度和氣候導致的影響22
12
2.5.4 核輻射及電磁輻射對電子系統的損害22
2.5.5 振動與沖擊造成的影響23
2.6 討論與小結24
思考題24
原著參考文獻25
第I 部分 極端溫度下的電子器件
第3 章 溫度對半導體器件的影響28
3.1 引言28
3.2 能帶隙28
3.3 本徵載流子濃度29
3.4 載流子飽和速度33
3.5 半導體的電導率34
3.6 半導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 不同溫域的電離機制37
3.8.1 當溫度T＜100 K 時，低溫載流子凍析區(低溫弱電離區)或不完全電離區37
3.8.2 當溫度T 約為100 K，且100 K ＜ T ＜ 500 K 時，非本徵載流子區/
載流子飽和區(強電離區) 40
3.8.3 當溫度T ＞ 500 K 時，本徵載流子區/高溫本徵激發區41
3.8.4 當T≥400 K 時與能帶隙的比例42
3.9 載流子在半導體中的遷移率42
3.9.1 晶格波散射43
3.9.2 電離雜質散射43
3.9.3 非補償半導體和補償半導體中的遷移率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50
思考題50
原著參考文獻52
第4 章 硅雙極型器件及硅電路的溫度依賴電特性54
4.1 硅的特性54
4.2 硅的本徵溫度55
4.3 單晶硅片技術概要56
4.3.1 電子級多晶硅生產56
4.3.2 單晶生長法57
4.3.3 光刻58
4.3.4 硅熱氧化58
4.3.5 硅的n 型熱擴散摻雜59
4.3.6 硅的p 型熱擴散摻雜60
4.3.7 離子註入摻雜60
4.3.8 低壓化學氣相沉積(LPCVD)61
4.3.9 等離子體增強化學氣相沉積(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 結隔離與介電隔離64
4.4 溫度對雙極型器件的影響66
4.4.1 pn 結二極管電流-電壓特性的肖克萊方程66
4.4.2 pn 結二極管正向壓降68
4.4.3 肖特基二極管正向電壓70
4.4.4 pn 結二極管反向漏電流72
4.4.5 pn 結二極管雪崩擊穿電壓73
4.4.6 雪崩擊穿電壓溫度系數分析模型76
4.4.7 二極管齊納擊穿電壓78
4.4.8 p+n結二極管的存儲時間(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射極電流(ICBO 和ICEO) 86
4.4.13 雙極型晶體管動態響應87
4.5 25℃至300℃範圍內的雙極型模擬電路87
4.6 25℃至340℃範圍內的雙極型數字電路89
4.7 討論與小結89
思考題90
原著參考文獻92
第5 章 硅基MOS 器件與電路電特性的溫度依賴性94
5.1 引言94
5.2 n 溝道增強型MOSFET 閾值電壓95
5.3 雙擴散垂直MOSFET 導通電阻(RDS(ON))99
5.4 MOSFET 跨導gm 102
5.5 MOSFET 擊穿電壓BVDSS 與漏源電流IDSS 103
5.6 MOSFET 零溫度系數偏置點104
5.7 MOSFET 動態響應106
5.8 25℃至300℃範圍內MOS 模擬電路特性分析107
5.9 ?196℃至270℃範圍內CMOS 數字電路特性分析112
5.10 討論與小結112
思考題112
原著參考文獻114
第6 章 溫度對硅鍺異質結雙極型晶體管性能的影響116
6.1 引言116
6.2 製造HBT118
6.3 Si/Si1?xGex 型HBT 的電流增益和正向渡越時間118
6.4 硅BJT 與硅/硅鍺HBT 的比較120
6.5 討論與小結127
思考題128
原著參考文獻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 砷化鎵的本徵溫度132
7.3 單晶砷化鎵生長133
7.4 砷化鎵摻雜133
7.5 砷化鎵歐姆接觸134
7.5.1 室溫工作環境下n 型砷化鎵的Au-Ge/Ni/Ti 接觸134
7.5.2 高溫工作環境下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℃溫度範圍內商用砷化鎵設備評估136
7.8 減小砷化鎵MESFET 300℃下漏電流的創新型結構137
7.9 一個砷化鎵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℃環境下運行砷化鎵CHFET141
7.12 400℃環境下運行砷化鎵雙極型晶體管142
7.13 350℃環境下應用砷化鎵HBT142
7.14 AlxGaAs1?x/GaAs HBT143
7.15 討論與小結145
思考題145
原著參考文獻147
第8 章 用於高溫工作的碳化硅電子器件148
8.1 引言148
8.2 碳化硅的本徵溫度150
8.3 碳化硅單晶生長151
8.4 碳化硅摻雜152
8.5 二氧化硅錶面氧化152
8.6 碳化硅肖特基接觸與歐姆接觸153
8.7 SiC pn 結二極管153
8.7.1 498 K 環境下測試SiC 二極管153
8.7.2 873 K 環境下測試SiC 二極管153
8.7.3 773 K 環境下工作的SiC 集成橋整流器154
8.8 SiC 肖特基勢壘二極管154
8.8.1 溫度對Si 肖特基二極管和SiC 肖特基二極管的影響155
8.8.2 623 K 環境下測試肖特基二極管155
8.8.3 523 K 環境下測試肖特基二極管156
8.9 SiC JFET156
8.9.1 25℃至450℃溫度區間的SiC JFET 特性158
8.9.2 500℃環境測試6H-SiC JFET 與IC 158
8.9.3 25℃至550℃溫度區間內基於6H-SiC JFET 的邏輯電路159
8.9.4 500℃環境長工作壽命(10 000 小時)的6H-SiC 模擬IC 和數字IC 161
8.9.5 450℃環境下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 溫度區間內SiC BJT 的特性描述163
8.10.2 ?86℃至550℃溫度區間內SiC BJT 的性能評估164
8.11 SiC MOSFET 164
8.12 討論與小結165
思考題165
原著參考文獻167
第9 章 超高溫環境下的氮化鎵電子器件170
9.1 引言170
9.2 GaN 本徵溫度171
9.3 GaN 外延生長過程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 的雙曲正切函數模型174
9.8 AlGaN/GaN HEMT 178
9.8.1 25℃至500℃溫度區間內工作的4H-SiC/藍寶石襯底AlGaN/GaN HEMT178
9.8.2 150℃至240℃溫度區間內測試AlGaN/GaN HEMT 的工作壽命179
9.8.3 368℃環境下AlGaN/GaN HEMT 功率特性180
9.8.4 高功率AlGaN/GaN HEMT 高溫環境下的失效機理180
9.9 InAlN/GaN HEMT180
9.9.1 高溫應用環境下AlGaN/GaN HEMT 對比InAlN/GaN HEMT180
9.9.2 1000℃環境下InAlN/GaN HEMT 特性180
9.9.3 1000℃環境下InAlN/GaN HEMT 勢壘層熱穩定性181
9.9.4 1000℃環境下吉赫茲頻率工作的HEMT 可行性論證181
9.10 討論與小結183
思考題183
原著參考文獻184
第10 章 用於超高溫環境的金剛石電子器件186
10.1 引言186
10.2 金剛石的本徵溫度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 氫終止金剛石錶面的p 型摻雜191
10.5 pn 結金剛石二極管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℃高溫環境下工作192
10.6.2 金剛石SBD 在400℃環境下長期工作193
10.7 金剛石BJT 在低於200 ℃的環境下工作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 摻雜分佈的替代性研究197
10.9 金剛石JFET197
10.10 金剛石MISFET199
10.11 討論與小結200
思考題201
原著參考文獻202
第11 章 高溫無源器件、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 固態和液態鉭電容器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 硅錶面鎢金屬化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 引線鍵合213
11.6.4 氣密封裝213
11.6.5 氣密封裝的兩個部分215
11.7 討論與小結215
思考題215
原著參考文獻216
第12 章 極低溫環境下的超導電子學218
12.1 引言218
12.2 超導性原理218
12.2.1 低溫超導體218
12.2.2 邁斯納效應219
12.2.3 臨界磁場(HC)和臨界電流密度(JC)220
12.2.4 超導體分類：Ⅰ型和Ⅱ型220
12.2.5 超導性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227
12.2.9 實際應用229
12.2.10 高溫超導體229
12.3 約瑟夫森結229
12.3.1 直流約瑟夫森效應230
12.3.2 交流約瑟夫森效應231
12.3.3 理論分析231
12.3.4 規範不變相位差234
12.4 逆交流約瑟夫森效應：夏皮羅步驟239
12.5 超導量子乾涉儀242
12.5.1 直流超導量子乾涉儀242
12.5.2 交流或射頻超導量子乾涉儀244
12.6 快速單通量量子(RFSQ)邏輯門245
12.6.1 與傳統邏輯門的差異245
12.6.2 RFSQ 電壓脈沖的產生245
12.6.3 RFSQ 構建塊246
12.6.4 RFSQ 復位-設置觸發器246
12.6.5 RFSQ 非門(反向器) 247
12.6.6 RFSQ 或門248
12.6.7 RFSQ 邏輯門優勢249
12.6.8 RFSQ 邏輯門劣勢249
12.7 討論與小結249
思考題250
原著參考文獻252
第13 章 液氮溫度下超導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 高溫超導微波電路的制備工藝254
13.5 高溫超導濾波器的設計與調諧方法255
13.6 低溫封裝256
13.7 用於移動通信的高溫超導帶通濾波器257
13.7.1 濾波器設計方法257
13.7.2 濾波器的製造與表徵257
13.8 基於高溫超導約瑟夫森結的下變頻器258
13.9 討論與小結259
思考題259
原著參考文獻260
第14 章 高溫超導電力傳輸261
14.1 引言261
14.2 傳統電力傳輸261
14.2.1 傳輸材料261
14.2.2 高壓傳輸261
14.2.3 架空輸電線與地下輸電線262
14.3 高溫超導電線262
14.3.1 第一代高溫超導電線262
14.3.2 第二代高溫超導電線263
14.4 高溫超導電纜設計265
14.4.1 單相熱絕緣高溫超導電纜265
14.4.2 單相冷絕緣高溫超導電纜265
14.4.3 流量、壓降和高溫超導電纜溫度266
14.4.4 三相冷絕緣高溫超導電纜266
14.5 HTS 故障電流限制器267
14.5.1 電阻式超導故障電流限制器268
14.5.2 屏蔽芯超導故障電流限制器268
14.5.3 飽和鐵芯超導故障電流限制器269
14.6 高溫超導變壓器270
14.7 討論與小結270
思考題270
原著參考文獻271
第Ⅱ部分 惡劣環境下的電子器件
第15 章 濕度和污染對電子器件的影響273
15.1 引言273
15.2 絕對濕度與相對濕度273
15.3 濕度、污染和腐蝕間的關系274
15.4 電子器件中的金屬與合金275
15.5 濕度引起腐蝕的機理275
15.5.1 電化學腐蝕275
15.5.2 陽極腐蝕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279
15.6 討論與小結279
思考題280
原著參考文獻280
第16 章 防潮防水的電子器件281
16.1 引言281
16.2 防腐蝕設計281
16.2.1 容錯設計281
16.2.2 空氣-氣體接觸最小化281
16.2.3 密封乾燥封裝設計282
16.2.4 邊界錶面材料的選擇282
16.3 派瑞林塗層282
16.3.1 派瑞林及其優勢282
16.3.2 派瑞林的種類282
16.3.3 派瑞林塗層的氣相沉積聚合工藝283
16.3.4 典型電性能284
16.3.5 防腐蝕應用284
16.4 超疏水塗層284
16.4.1 超疏水概念284
16.4.2 標準沉積技術與等離子工藝284
16.4.3 納米沉積工藝關鍵技術285
16.4.4 具體應用286
16.5 揮發性緩蝕劑塗層286
16.6 硅酮(有機硅)287
16.7 討論與小結287
思考題288
原著參考文獻289
第17 章 電子器件的化學腐蝕防護290
17.1 引言290
17.2 環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 集成電路與印製電路板(PCB)電路的內部腐蝕291
17.5 微動腐蝕291
17.6 錫須的生長292
17.7 腐蝕風險最小化292
17.7.1 在設備應用與組裝中使用非腐蝕性化學品292
17.7.2 使用保形塗層292
17.8 其他保護措施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299
思考題299
原著參考文獻300
第18 章 電子元器件的輻射效應301
18.1 引言301
18.2 輻射環境301
18.2.1 天然輻射環境301
18.2.2 人造輻射源302
18.3 輻射效應概述303
18.3.1 電離總劑量效應303
18.3.2 單粒子效應303
18.3.3 劑量率效應303
18.4 累積劑量效應304
18.4.1 伽馬射線效應305
18.4.2 中子效應306
18.5 單粒子效應307
18.5.1 非破壞性單粒子效應308
18.5.2 破壞性單粒子效應308
18.6 討論與小結310
思考題310
原著參考文獻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 工藝的應用313
19.3 抗輻射加固設計315
19.3.1 無邊或環形MOSFET315
19.3.2 溝道阻擋層和保護環316
19.3.3 通過增加溝道寬長比控制電荷耗散317
19.3.4 時域濾波317
19.3.5 空間冗餘318
19.3.6 時間冗餘319
19.3.7 雙互鎖存儲單元319
19.4 討論與小結322
思考題322
原著參考文獻323
第20 章 抗振動電子器件324
20.1 無處不在的振動324
20.2 隨機振動與正弦振動325
20.3 對抗振動影響325
20.4 被動型隔振器與主動型隔振器325
20.5 被動型隔振器原理326
20.5.1 案例1：無阻尼自由振動326
20.5.2 案例2：無阻尼受迫振動328
20.5.3 案例3：黏滯阻尼受迫振動331
20.6 機械彈簧隔振器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 負剛度隔振器335
20.11 主動型隔振器337
20.11.1 工作原理337
20.11.2 優勢338
20.11.3 應用場合338
20.12 討論與小結339
思考題339
原著參考文獻340
附錄A 縮寫，化學符號和數學符號341
附錄B 拉丁字母符號含義349
附錄C 希臘字母及其他字母符號含義351