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極端溫度與惡劣環境電子學――物理原理、技術與應用 版權信息
- ISBN:9787121498336
- 條形碼:9787121498336 ; 978-7-121-49833-6
- 裝幀:紙面精裝
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
極端溫度與惡劣環境電子學――物理原理、技術與應用 內容簡介
本書以實際應用為出發點,針對極端溫度和特殊環境下使用的電子元器件,面向深井、地熱測井、航空以及航天飛行器等應用場景,從電子元器件的基本原理進行分析和研究。首先概述主流硅、絕緣體硅和砷化鎵電子器件在高溫下應用的研究進展,并探討現代寬禁帶半導體,如碳化硅、氮化鎵、金剛石電子器件在高溫下的應用。然后概述了超導電子學的概念,重點介紹約瑟夫森結、超導量子干涉儀和快速單通量量子邏輯電路的研究進展,以及綜述高溫超導電力傳輸的研究現狀。*后介紹各種用來保護電子電路和設備免受惡劣環境,如潮濕、輻射、振動等影響的措施和技術。
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范疇內的電子器件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 本征載流子濃度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,非本征載流子區/
載流子飽和區(強電離區) 40
3.8.3 當溫度T > 500 K 時,本征載流子區/高溫本征激發區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 硅的本征溫度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 離子注入摻雜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℃范圍內的雙極型模擬電路87
4.6 25℃至340℃范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℃范圍內MOS 模擬電路特性分析107
5.9 ?196℃至270℃范圍內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 制造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 砷化鎵的本征溫度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℃溫度范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℃溫度區間內基于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 本征溫度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 用于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 在低于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
極端溫度與惡劣環境電子學――物理原理、技術與應用 作者簡介
Vinod Kumar Khanna 印度科學與工業研究理事會-電子工程研究所(CSIR-CEERI)的退休科學家,印度科學與創新研究院的名譽教授。Khanna博士在印度勒克瑙大學獲得碩士學位,在印度庫魯克謝特拉大學獲得博士學位。他是CSIR-CEERI的前首席科學家和MEMS與傳感器部門主任。在他34年的研究生涯中,主要致力于功率半導體器件(高壓大電流整流器、高壓電視偏轉晶體管、DMOS、IGBT等)、PIN二極管中子探測器、PMOSFET γ射線探測器、多種MEMS器件等的研究。
梅博,博士、研究員,國家級抗輻照應用技術創新中心副主任,航天空間環境及抗輻射技術專家,中國航天科技集團青年拔尖人才。長期從事集成電路抗輻射技術研究,完成集成電路和功率器件抗輻射評估技術體系和標準流程制定,成果已應用于國家重大航天任務。完成制定 FPGA、DSP 等復雜集成電路抗輻照保證國家級標準;組織抗輻射國際合作,制定中外聯合航天抗輻射試驗技術標準。曾榮省部級一等獎2項,二等獎1項,國防科技創新團隊獎1項。作為負責人承擔國家級課題20余項,編寫國家標準5份,行業級標準8份,學術專著2部,發表論文50余篇,授權專利30余項。
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