内容简介
本书以实际应用为出发点，针对极端温度和特殊环境下使用的电子元器件，面向深井、地热测井、航空以及航天飞行器等应用场景，从电子元器件的基本原理进行分析和研究。首先概述主流硅、绝缘体硅和砷化镓电子器件在高温下应用的研究进展，并探讨现代宽禁带半导体，如碳化硅、氮化镓、金刚石电子器件在高温下的应用。然后概述了超导电子学的概念，重点介绍约瑟夫森结、超导量子干涉仪和快速单通量量子逻辑电路的研究进展，以及综述高温超导电力传输的研究现状。最后介绍各种用来保护电子电路和设备免受恶劣环境，如潮湿、辐射、振动等影响的措施和技术。
目录
目 录
第1 章 概论1
1．1 跳出电子行业的常规藩篱1
1．2 章节安排1
1．3 温度造成的影响2
1．3．1 硅基电子器件2
1．3．2 宽禁带半导体器件4
1．3．3 无源器件及封装4
1．3．4 超导电性5
1．4 恶劣环境造成的影响5
1．4．1 湿度与腐蚀5
1．4．2 辐射6
1．4．3 振动和机械冲击6
1．5 讨论与小结6
思考题7
原著参考文献8
第2 章 超常规条件下工作的电子器件9
2．1 地球及其他星球上危及生命的高低温9
2．2 电子器件温度失衡10
2．3 高温电子器件11
2．3．1 汽车业12
2．3．2 航空航天业14
2．3．3 航天任务17
2．3．4 油井勘测设备19
2．3．5 工业用系统与医疗用系统20
2．4 低温电子器件20
2．5 极端温度与恶劣环境范畴内的电子器件21
2．5．1 高温操作：弱点明显22
2．5．2 冷却导致的性能提升/下降22
2．5．3 腐蚀：湿度和气候导致的影响22
12
2．5．4 核辐射及电磁辐射对电子系统的损害22
2．5．5 振动与冲击造成的影响23
2．6 讨论与小结24
思考题24
原著参考文献25
第I 部分 极端温度下的电子器件
第3 章 温度对半导体器件的影响28
3．1 引言28
3．2 能带隙28
3．3 本征载流子浓度29
3．4 载流子饱和速度33
3．5 半导体的电导率34
3．6 半导体中的自由载流子浓度35
3．7 不完全电离与载流子冻析35
3．8 不同温域的电离机制37
3．8．1 当温度T＜100 K 时，低温载流子冻析区(低温弱电离区)或不完全电离区37
3．8．2 当温度T 约为100 K，且100 K ＜ T ＜ 500 K 时，非本征载流子区/
载流子饱和区(强电离区) 40
3．8．3 当温度T ＞ 500 K 时，本征载流子区/高温本征激发区41
3．8．4 当T≥400 K 时与能带隙的比例42
3．9 载流子在半导体中的迁移率42
3．9．1 晶格波散射43
3．9．2 电离杂质散射43
3．9．3 非补偿半导体和补偿半导体中的迁移率44
3．9．4 合成迁移率44
3．10 迁移率随温度变化方程45
3．10．1 Arora-Hauser-Roulston 方程45
3．10．2 克拉森方程46
3．10．3 MINIMOS 迁移率模型46
3．11 低温下MOSFET 反型层中的迁移率47
3．12 载流子寿命47
3．13 比硅的能带隙更宽的半导体49
3．13．1 砷化镓49
3．13．2 碳化硅49
3．13．3 氮化镓49
3．13．4 金刚石50
3．14 讨论与小结50
思考题50
原著参考文献52
第4 章 硅双极型器件及硅电路的温度依赖电特性54
4．1 硅的特性54
4．2 硅的本征温度55
4．3 单晶硅片技术概要56
4．3．1 电子级多晶硅生产56
4．3．2 单晶生长法57
4．3．3 光刻58
4．3．4 硅热氧化58
4．3．5 硅的n 型热扩散掺杂59
4．3．6 硅的p 型热扩散掺杂60
4．3．7 离子注入掺杂60
4．3．8 低压化学气相沉积(LPCVD)61
4．3．9 等离子体增强化学气相沉积(PECVD)62
4．3．10 原子层沉积63
4．3．11 硅的欧姆(非整流)接触63
4．3．12 硅的肖特基接触64
4．3．13 硅集成电路中的pn 结隔离与介电隔离64
4．4 温度对双极型器件的影响66
4．4．1 pn 结二极管电流-电压特性的肖克莱方程66
4．4．2 pn 结二极管正向压降68
4．4．3 肖特基二极管正向电压70
4．4．4 pn 结二极管反向漏电流72
4．4．5 pn 结二极管雪崩击穿电压73
4．4．6 雪崩击穿电压温度系数分析模型76
4．4．7 二极管齐纳击穿电压78
4．4．8 p+n结二极管的存储时间(ts) 79
4．4．9 双极型晶体管电流增益79
4．4．10 大致分析83
4．4．11 双极型晶体管饱和电压84
4．4．12 双极型晶体管反向基极和发射极电流(ICBO 和ICEO) 86
4．4．13 双极型晶体管动态响应87
4．5 25℃至300℃范围内的双极型模拟电路87
4．6 25℃至340℃范围内的双极型数字电路89
4．7 讨论与小结89
思考题90
原著参考文献92
第5 章 硅基MOS 器件与电路电特性的温度依赖性94
5．1 引言94
5．2 n 沟道增强型MOSFET 阈值电压95
5．3 双扩散垂直MOSFET 导通电阻(RDS(ON))99
5．4 MOSFET 跨导gm 102
5．5 MOSFET 击穿电压BVDSS 与漏源电流IDSS 103
5．6 MOSFET 零温度系数偏置点104
5．7 MOSFET 动态响应106
5．8 25℃至300℃范围内MOS 模拟电路特性分析107
5．9 ?196℃至270℃范围内CMOS 数字电路特性分析112
5．10 讨论与小结112
思考题112
原著参考文献114
第6 章 温度对硅锗异质结双极型晶体管性能的影响116
6．1 引言116
6．2 制造HBT118
6．3 Si/Si1?xGex 型HBT 的电流增益和正向渡越时间118
6．4 硅BJT 与硅/硅锗HBT 的比较120
6．5 讨论与小结127
思考题128
原著参考文献129
第7 章 砷化镓电子器件的温度耐受能力130
7．1 引言130
7．2 砷化镓的本征温度132
7．3 单晶砷化镓生长133
7．4 砷化镓掺杂133
7．5 砷化镓欧姆接
