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内容大纲
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。 -
作者介绍
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目录
第1章 概论
1.1 跳出电子行业的常规藩篱
1.2 章节安排
1.3 温度造成的影响
1.3.1 硅基电子器件
1.3.2 宽禁带半导体器件
1.3.3 无源器件及封装
1.3.4 超导电性
1.4 恶劣环境造成的影响
1.4.1 湿度与腐蚀
1.4.2 辐射
1.4.3 振动和机械冲击
1.5 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第2章 超常规条件下工作的电子器件
2.1 地球及其他星球上危及生命的高低温
2.2 电子器件温度失衡
2.3 高温电子器件
2.3.1 汽车业
2.3.2 航空航天业
2.3.3 航天任务
2.3.4 油井勘测设备
2.3.5 工业用系统与医疗用系统
2.4 低温电子器件
2.5 极端温度与恶劣环境范畴内的电子器件
2.5.1 高温操作：弱点明显
2.5.2 冷却导致的性能提升/下降
2.5.3 腐蚀：湿度和气候导致的影响
2.5.4 核辐射及电磁辐射对电子系统的损害
2.5.5 振动与冲击造成的影响
2.6 讨论与小结
思考题
原著参考文献
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
3.1 引言
3.2 能带隙
3.3 本征载流子浓度
3.4 载流子饱和速度
3.5 半导体的电导率
3.6 半导体中的自由载流子浓度
3.7 不完全电离与载流子冻析
3.8 不同温域的电离机制
3.8.1 当温度T＜100K时，低温载流子冻析区（低温弱电离区）或不完全电离区
3.8.2 当温度T约为100K，且100K＜T＜500K时，非本征载流子区/载流子饱和区（强电离区）
3.8.3 当温度T＞500K时，本征载流子区/高温本征激发区
3.8.4 当T≥400K时与能带隙的比例
3.9 载流子在半导体中的迁移率
3.9.1 晶格波散射
3.9.2 电离杂质散射
3.9.3 非补偿半导体和补偿半导体中的迁移率
3.9.4 合成迁移率
3.10 迁移率随温度变化方程
3.10.1 Arora-Hauser-Roulston方程
3.10.2 克拉森方程
3.10.3 MINIMOS迁移率模型
3.11 低温下MOSFET反型层中的迁移率
3.12 载流子寿命
3.13 比硅的能带隙更宽的半导体
3.13.1 砷化镓
3.13.2 碳化硅
3.13.3 氮化镓
3.13.4 金刚石
3.14 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第4章 硅双极型器件及硅电路的温度依赖电特性
4.1 硅的特性
4.2 硅的本征温度
4.3 单晶硅片技术概要
4.3.1 电子级多晶硅生产
4.3.2 单晶生长法
4.3.3 光刻
4.3.4 硅热氧化
4.3.5 硅的n型热扩散掺杂
4.3.6 硅的p型热扩散掺杂
4.3.7 离子注入掺杂
4.3.8 低压化学气相沉积（LPCVD）
4.3.9 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）
4.3.10 原子层沉积
4.3.11 硅的欧姆（非整流）接触
4.3.12 硅的肖特基接触
4.3.13 硅集成电路中的pn结隔离与介电隔离
4.4 温度对双极型器件的影响
4.4.1 pn结二极管电流-电压特性的肖克莱方程
4.4.2 pn结二极管正向压降
4.4.3 肖特基二极管正向电压
4.4.4 pn结二极管反向漏电流
4.4.5 pn结二极管雪崩击穿电压
4.4.6 雪崩击穿电压温度系数分析模型
4.4.7 二极管齐纳击穿电压
4.4.8 p+n结二极管的存储时间（ts）
4.4.9 双极型晶体管电流增益
4.4.10 大致分析
4.4.11 双极型晶体管饱和电压
4.4.12 双极型晶体管反向基极和发射极电流（ICBO和ICEO）
4.4.13 双极型晶体管动态响应
4.5 25℃至300℃范围内的双极型模拟电路
4.6 25℃至340℃范围内的双极型数字电路
4.7 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第5章 硅基MOS器件与电路电特性的温度依赖性
5.1 引言
5.2 n沟道增强型MOSFET阈值电压
5.3 双扩散垂直MOSFET导通电阻（RDS（ON））
5.4 MOSFET跨导gm
5.5 MOSFET击穿电压BVDSS与漏源电流IDSS
5.6 MOSFET零温度系数偏置点
5.7 MOSFET动态响应
5.8 25℃至300℃范围内MOS模拟电路特性分析
5.9 -196℃至270℃范围内CMOS数字电路特性分析
5.10 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第6章 温度对硅锗异质结双极型晶体管性能的影响
6.1 引言
6.2 制造HBT
6.3 Si/Si1-xGex型HBT的电流增益和正向渡越时间
6.4 硅BJT与硅/硅锗HBT的比较
6.5 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第7章 砷化镓电子器件的温度耐受能力
7.1 引言
7.2 砷化镓的本征温度
7.3 单晶砷化镓生长
7.4 砷化镓掺杂
7.5 砷化镓欧姆接触
7.5.1 室温工作环境下n型砷化镓的Au-Ge/Ni/Ti接触
7.5.2 高温工作环境下n型砷化镓欧姆接触
7.6 砷化镓肖特基接触
7.7 25℃至400℃温度范围内商用砷化镓设备评估
7.8 减小砷化镓MESFET300℃下漏电流的创新型结构
7.9 一个砷化镓MESFET阈值电压模型
7.10 提升MESFET耐高温性能至300℃的高温电子工艺
7.11 25℃至500℃环境下运行砷化镓CHFET
7.12 400℃环境下运行砷化镓双极型晶体管
7.13 350℃环境下应用砷化镓HBT
7.14 AlxGaAs1？x/GaAsHBT
7.15 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第8章 用于高温工作的碳化硅电子器件
8.1 引言
8.2 碳化硅的本征温度
8.3 碳化硅单晶生长
8.4 碳化硅掺杂
8.5 二氧化硅表面氧化
8.6 碳化硅肖特基接触与欧姆接触
8.7 SiCpn结二极管
8.7.1 498K环境下测试SiC二极管
8.7.2 873K环境下测试SiC二极管
8.7.3 773K环境下工作的SiC集成桥整流器
8.8 SiC肖特基势垒二极管
8.8.1 温度对Si肖特基二极管和SiC肖特基二极管的影响
8.8.2 623K环境下测试肖特基二极管
8.8.3 523K环境下测试肖特基二极管
8.9 SiCJFET
8.9.1 25℃至450℃温度区间的SiCJFET特性
8.9.2 500℃环境测试6H-SiCJFET与IC
8.9.3 25℃至550℃温度区间内基于6H-SiCJFET的逻辑电路
8.9.4 500℃环境长工作寿命（10000小时）的6H-SiC模拟IC和数字IC
8.9.5 450℃环境下6H-SiCJFET与差分放大器的特性
8.10 SiC双极型晶体管
8.10.1 140K至460K温度区间内SiCBJT的特性描述
8.10.2 -86℃至550℃温度区间内SiCBJT的性能评估
8.11 SiCMOSFET
8.12 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第9章 超高温环境下的氮化镓电子器件
9.1 引言
9.2 GaN本征温度
9.3 GaN外延生长过程
9.4 GaN掺杂
9.5 GaN欧姆接触
9.5.1 n型GaN欧姆接触
9.5.2 p型GaN欧姆接触
9.6 GaN的肖特基接触
9.7 GaNMESFET的双曲正切函数模型
9.8 AlGaN/GaNHEMT
9.8.1 25℃至500℃温度区间内工作的4H-SiC/蓝宝石衬底AlGaN/GaNHEMT
9.8.2 150℃至240℃温度区间内测试AlGaN/GaNHEMT的工作寿命
9.8.3 368℃环境下AlGaN/GaNHEMT功率特性
9.8.4 高功率AlGaN/GaNHEMT高温环境下的失效机理
9.9 InAlN/GaNHEMT
9.9.1 高温应用环境下AlGaN/GaNHEMT对比InAlN/GaNHEMT
9.9.2 1000℃环境下InAlN/GaNHEMT特性
9.9.3 1000℃环境下InAlN/GaNHEMT势垒层热稳定性
9.9.4 1000℃环境下吉赫兹频率工作的HEMT可行性论证
9.10 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第10章 用于超高温环境的金刚石电子器件
10.1 引言
10.2 金刚石的本征温度
10.3 人工合成金刚石
10.4 金刚石的掺杂
10.4.1 n型掺杂
10.4.2 p型掺杂
10.4.3 氢终止金刚石表面的p型掺杂
10.5 pn结金刚石二极管
10.6 金刚石肖特基二极管
10.6.1 金刚石肖特基二极管在1000℃高温环境下工作
10.6.2 金刚石SBD在400℃环境下长期工作
10.7 金刚石BJT在低于200℃的环境下工作
10.8 金刚石MESFET
10.8.1 氢终止金刚石MESFET
10.8.2 20℃至100℃环境下金刚石MESFET的电特性
10.8.3 有钝化层的氢终止金刚石MESFET
10.8.4 350℃环境下工作的硼脉冲掺杂或δ掺杂金刚石MESFET
10.8.5 硼δ掺杂分布的替代性研究
10.9 金刚石JFET
10.10 金刚石MISFET
10.11 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第11章 高温无源器件、键合和封装
11.1 引言
11.2 高温电阻器
11.2.1 金属箔电阻器
11.2.2 绕线电阻器
11.2.3 薄膜电阻器
11.2.4 厚膜电阻器
11.3 高温电容器
11.3.1 陶瓷电容器
11.3.2 固态和液态钽电容器
11.3.3 特氟隆（聚四氟乙烯）电容器
11.4 高温磁芯和电感器
11.4.1 磁芯
11.4.2 电感器
11.5 高温金属化
11.5.1 硅表面钨金属化
11.5.2 钨：在p型4H-SiC和6H-SiC衬底上氮掺杂同质外延层上的镍金属化
11.5.3 n型4H-SiC镍金属化和p型4H-SiC镍/钛/铝金属化
11.5.4 氧化铝和氮化铝陶瓷基板上的厚膜金互连系统
11.6 高温封装
11.6.1 基板
11.6.2 固晶材料
11.6.3 引线键合
11.6.4 气密封装
11.6.5 气密封装的两个部分
11.7 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第12章 极低温环境下的超导电子学
12.1 引言
12.2 超导性原理
12.2.1 低温超导体
12.2.2 迈斯纳效应
12.2.3 临界磁场（HC）和临界电流密度（JC）
12.2.4 超导体分类：Ⅰ型和Ⅱ型
12.2.5 超导性BCS理论
12.2.6 金兹堡-朗道理论
12.2.7 伦敦方程
12.2.8 利用伦敦方程解释迈斯纳效应
12.2.9 实际应用
12.2.10 高温超导体
12.3 约瑟夫森结
12.3.1 直流约瑟夫森效应
12.3.2 交流约瑟夫森效应
12.3.3 理论分析
12.3.4 规范不变相位差
12.4 逆交流约瑟夫森效应：夏皮罗步骤
12.5 超导量子干涉仪
12.5.1 直流超导量子干涉仪
12.5.2 交流或射频超导量子干涉仪
12.6 快速单通量量子（RFSQ）逻辑门
12.6.1 与传统逻辑门的差异
12.6.2 RFSQ电压脉冲的产生
12.6.3 RFSQ构建块
12.6.4 RFSQ复位-设置触发器
12.6.5 RFSQ非门（反向器）
12.6.6 RFSQ或门
12.6.7 RFSQ逻辑门优势
12.6.8 RFSQ逻辑门劣势
12.7 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第13章 液氮温度下超导体微波电路的工作特性
13.1 引言
13.2 微波电路衬底
13.3 高温超导薄膜材料
13.3.1 钇钡铜氧化物
13.3.2 铊钡钙铜氧化物（TBCCO）
13.4 高温超导微波电路的制备工艺
13.5 高温超导滤波器的设计与调谐方法
13.6 低温封装
13.7 用于移动通信的高温超导带通滤波器
13.7.1 滤波器设计方法
13.7.2 滤波器的制造与表征
13.8 基于高温超导约瑟夫森结的下变频器
13.9 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第14章 高温超导电力传输
14.1 引言
14.2 传统电力传输
14.2.1 传输材料
14.2.2 高压传输
14.2.3 架空输电线与地下输电线
14.3 高温超导电线
14.3.1 第一代高温超导电线
14.3.2 第二代高温超导电线
14.4 高温超导电缆设计
14.4.1 单相热绝缘高温超导电缆
14.4.2 单相冷绝缘高温超导电缆
14.4.3 流量、压降和高温超导电缆温度
14.4.4 三相冷绝缘高温超导电缆
14.5 HTS故障电流限制器
14.5.1 电阻式超导故障电流限制器
14.5.2 屏蔽芯超导故障电流限制器
14.5.3 饱和铁芯超导故障电流限制器
14.6 高温超导变压器
14.7 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第Ⅱ部分 恶劣环境下的电子器件
第15章 湿度和污染对电子器件的影响
15.1 引言
15.2 绝对湿度与相对湿度
15.3 湿度、污染和腐蚀间的关系
15.4 电子器件中的金属与合金
15.5 湿度引起腐蚀的机理
15.5.1 电化学腐蚀
15.5.2 阳极腐蚀
15.5.3 电偶腐蚀
15.5.4 阴极腐蚀
15.5.5 蠕变腐蚀
15.5.6 杂散电流腐蚀
15.5.7 爆米花效应
15.6 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第16章 防潮防水的电子器件
16.1 引言
16.2 防腐蚀设计
16.2.1 容错设计
16.2.2 空气-气体接触最小化
16.2.3 密封干燥封装设计
16.2.4 边界表面材料的选择
16.3 派瑞林涂层
16.3.1 派瑞林及其优势
16.3.2 派瑞林的种类
16.3.3 派瑞林涂层的气相沉积聚合工艺
16.3.4 典型电性能
16.3.5 防腐蚀应用
16.4 超疏水涂层
16.4.1 超疏水概念
16.4.2 标准沉积技术与等离子工艺
16.4.3 纳米沉积工艺关键技术
16.4.4 具体应用
16.5 挥发性缓蚀剂涂层
16.6 硅酮（有机硅）
16.7 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第17章 电子器件的化学腐蚀防护
17.1 引言
17.2 环境气体引起的硫化与氧化腐蚀
17.3 电解离子迁移与电耦合
17.4 集成电路与印制电路板（PCB）电路的内部腐蚀
17.5 微动腐蚀
17.6 锡须的生长
17.7 腐蚀风险最小化
17.7.1 在设备应用与组装中使用非腐蚀性化学品
17.7.2 使用保形涂层
17.8 其他保护措施
17.8.1 塑料灌封或二次成型封装
17.8.2 孔隙密封与真空浸渍
17.9 气密封装
17.9.1 多层陶瓷封装
17.9.2 压制陶瓷封装
17.9.3 金属封装
17.10 分立高压二极管、晶体管和晶闸管的密封玻璃钝化
17.11 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第18章 电子元器件的辐射效应
18.1 引言
18.2 辐射环境
18.2.1 天然辐射环境
18.2.2 人造辐射源
18.3 辐射效应概述
18.3.1 电离总剂量效应
18.3.2 单粒子效应
18.3.3 剂量率效应
18.4 累积剂量效应
18.4.1 伽马射线效应
18.4.2 中子效应
18.5 单粒子效应
18.5.1 非破坏性单粒子效应
18.5.2 破坏性单粒子效应
18.6 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第19章 抗辐射加固电子器件
19.1 抗辐射加固的含义
19.2 抗辐射加固工艺（RHBP）
19.2.1 减少二氧化硅层中空间电荷的形成
19.2.2 杂质轮廓裁剪与载流子寿命控制
19.2.3 三阱CMOS工艺
19.2.4 SOI工艺的应用
19.3 抗辐射加固设计
19.3.1 无边或环形MOSFET
19.3.2 沟道阻挡层和保护环
19.3.3 通过增加沟道宽长比控制电荷耗散
19.3.4 时域滤波
19.3.5 空间冗余
19.3.6 时间冗余
19.3.7 双互锁存储单元
19.4 讨论与小结
思考题
原著参考文献
第20章 抗振动电子器件
20.1 无处不在的振动
20.2 随机振动与正弦振动
20.3 对抗振动影响
20.4 被动型隔振器与主动型隔振器
20.5 被动型隔振器原理
20.5.1 案例1：无阻尼自由振动
20.5.2 案例2：无阻尼受迫振动
20.5.3 案例3：黏滞阻尼受迫振动
20.6 机械弹簧隔振器
20.7 空气弹簧隔振器
20.8 钢丝绳隔振器
20.9 弹性隔振器
20.10 负刚度隔振器
20.11 主动型隔振器
20.11.1 工作原理
20.11.2 优势
20.11.3 应用场合
20.12 讨论与小结
思考题
原著参考文献
附录A 缩写，化学符号和数学符号
附录B 拉丁字母符号含义
附录C 希腊字母及其他字母符号含义
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