極端溫度與惡劣環境電子學--物理原理技術與應用(精)/國防電子信息技術叢書

作者：(印)維諾德·庫馬爾·康納|責編:楊博|譯者:梅博//張洪偉//孫毅
出版社：電子工業
ISBN：9787121498336

出版日期：2025/03/01
裝幀：精裝
頁數：354

人民幣：RMB 119 元售價：元

內容大鋼

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，並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。然後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。最後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。

作者介紹

(印)維諾德·庫馬爾·康納|責編:楊博|譯者:梅博//張洪偉//孫毅

第1章  概論
  1.1  跳出電子行業的常規藩籬
  1.2  章節安排
  1.3  溫度造成的影響
    1.3.1  硅基電子器件
    1.3.2  寬禁帶半導體器件
    1.3.3  無源器件及封裝
    1.3.4  超導電性
  1.4  惡劣環境造成的影響
    1.4.1  濕度與腐蝕
    1.4.2  輻射
    1.4.3  振動和機械衝擊
  1.5  討論與小結
  思考題
  原著參考文獻
第2章  超常規條件下工作的電子器件
  2.1  地球及其他星球上危及生命的高低溫
  2.2  電子器件溫度失衡
  2.3  高溫電子器件
    2.3.1  汽車業
    2.3.2  航空航天業
    2.3.3  航天任務
    2.3.4  油井勘測設備
    2.3.5  工業用系統與醫療用系統
  2.4  低溫電子器件
  2.5  極端溫度與惡劣環境範疇內的電子器件
    2.5.1  高溫操作：弱點明顯
    2.5.2  冷卻導致的性能提升/下降
    2.5.3  腐蝕：濕度和氣候導致的影響
    2.5.4  核輻射及電磁輻射對電子系統的損害
    2.5.5  振動與衝擊造成的影響
  2.6  討論與小結
  思考題
  原著參考文獻
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
    3.1  引言
    3.2  能帶隙
    3.3  本征載流子濃度
    3.4  載流子飽和速度
    3.5  半導體的電導率
    3.6  半導體中的自由載流子濃度
    3.7  不完全電離與載流子凍析
    3.8  不同溫域的電離機制
      3.8.1  當溫度T＜100K時，低溫載流子凍析區（低溫弱電離區）或不完全電離區
      3.8.2  當溫度T約為100K，且100K＜T＜500K時，非本征載流子區/載流子飽和區（強電離區）
      3.8.3  當溫度T＞500K時，本征載流子區/高溫本征激發區
      3.8.4  當T?400K時與能帶隙的比例
    3.9  載流子在半導體中的遷移率
      3.9.1  晶格波散射

      3.9.2  電離雜質散射
      3.9.3  非補償半導體和補償半導體中的遷移率
      3.9.4  合成遷移率
    3.10  遷移率隨溫度變化方程
      3.10.1  Arora-Hauser-Roulston方程
      3.10.2  克拉森方程
      3.10.3  MINIMOS遷移率模型
    3.11  低溫下MOSFET反型層中的遷移率
    3.12  載流子壽命
    3.13  比硅的能帶隙更寬的半導體
      3.13.1  砷化鎵
      3.13.2  碳化硅
      3.13.3  氮化鎵
      3.13.4  金剛石
    3.14  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第4章  硅雙極型器件及硅電路的溫度依賴電特性
    4.1  硅的特性
    4.2  硅的本征溫度
    4.3  單晶矽片技術概要
      4.3.1  電子級多晶硅生產
      4.3.2  單晶生長法
      4.3.3  光刻
      4.3.4  硅熱氧化
      4.3.5  硅的n型熱擴散摻雜
      4.3.6  硅的p型熱擴散摻雜
      4.3.7  離子注入摻雜
      4.3.8  低壓化學氣相沉積（LPCVD）
      4.3.9  等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）
      4.3.10  原子層沉積
      4.3.11  硅的歐姆（非整流）接觸
      4.3.12  硅的肖特基接觸
      4.3.13  硅集成電路中的pn結隔離與介電隔離
    4.4  溫度對雙極型器件的影響
      4.4.1  pn結二極體電流-電壓特性的肖克萊方程
      4.4.2  pn結二極體正向壓降
      4.4.3  肖特基二極體正向電壓
      4.4.4  pn結二極體反向漏電流
      4.4.5  pn結二極體雪崩擊穿電壓
      4.4.6  雪崩擊穿電壓溫度係數分析模型
      4.4.7  二極體齊納擊穿電壓
      4.4.8  p+n結二極體的存儲時間（ts）
      4.4.9  雙極型晶體管電流增益
      4.4.10  大致分析
      4.4.11  雙極型晶體管飽和電壓
      4.4.12  雙極型晶體管反向基極和發射極電流（ICBO和ICEO）
      4.4.13  雙極型晶體管動態響應
    4.5  25℃至300℃範圍內的雙極型模擬電路
    4.6  25℃至340℃範圍內的雙極型數字電路

    4.7  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第5章  硅基MOS器件與電路電特性的溫度依賴性
    5.1  引言
    5.2  n溝道增強型MOSFET閾值電壓
    5.3  雙擴散垂直MOSFET導通電阻（RDS（ON））
    5.4  MOSFET跨導gm
    5.5  MOSFET擊穿電壓BVDSS與漏源電流IDSS
    5.6  MOSFET零溫度係數偏置點
    5.7  MOSFET動態響應
    5.8  25℃至300℃範圍內MOS模擬電路特性分析
    5.9  -196℃至270℃範圍內CMOS數字電路特性分析
    5.10  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第6章  溫度對硅鍺異質結雙極型晶體管性能的影響
    6.1  引言
    6.2  製造HBT
    6.3  Si/Si1-xGex型HBT的電流增益和正向渡越時間
    6.4  硅BJT與硅/硅鍺HBT的比較
    6.5  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第7章  砷化鎵電子器件的溫度耐受能力
    7.1  引言
    7.2  砷化鎵的本征溫度
    7.3  單晶砷化鎵生長
    7.4  砷化鎵摻雜
    7.5  砷化鎵歐姆接觸
      7.5.1  室溫工作環境下n型砷化鎵的Au-Ge/Ni/Ti接觸
      7.5.2  高溫工作環境下n型砷化鎵歐姆接觸
    7.6  砷化鎵肖特基接觸
    7.7  25℃至400℃溫度範圍內商用砷化鎵設備評估
    7.8  減小砷化鎵MESFET300℃下漏電流的創新型結構
    7.9  一個砷化鎵MESFET閾值電壓模型
    7.10  提升MESFET耐高溫性能至300℃的高溫電子工藝
    7.11  25℃至500℃環境下運行砷化鎵CHFET
    7.12  400℃環境下運行砷化鎵雙極型晶體管
    7.13  350℃環境下應用砷化鎵HBT
    7.14  AlxGaAs1？x/GaAsHBT
    7.15  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第8章  用於高溫工作的碳化硅電子器件
    8.1  引言
    8.2  碳化硅的本征溫度
    8.3  碳化硅單晶生長
    8.4  碳化硅摻雜
    8.5  二氧化硅表面氧化

    8.6  碳化硅肖特基接觸與歐姆接觸
    8.7  SiCpn結二極體
      8.7.1  498K環境下測試SiC二極體
      8.7.2  873K環境下測試SiC二極體
      8.7.3  773K環境下工作的SiC集成橋整流器
    8.8  SiC肖特基勢壘二極體
      8.8.1  溫度對Si肖特基二極體和SiC肖特基二極體的影響
      8.8.2  623K環境下測試肖特基二極體
      8.8.3  523K環境下測試肖特基二極體
    8.9  SiCJFET
      8.9.1  25℃至450℃溫度區間的SiCJFET特性
      8.9.2  500℃環境測試6H-SiCJFET與IC
      8.9.3  25℃至550℃溫度區間內基於6H-SiCJFET的邏輯電路
      8.9.4  500℃環境長工作壽命（10000小時）的6H-SiC模擬IC和數字IC
      8.9.5  450℃環境下6H-SiCJFET與差分放大器的特性
    8.10  SiC雙極型晶體管
      8.10.1  140K至460K溫度區間內SiCBJT的特性描述
      8.10.2  -86℃至550℃溫度區間內SiCBJT的性能評估
    8.11  SiCMOSFET
    8.12  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第9章  超高溫環境下的氮化鎵電子器件
    9.1  引言
    9.2  GaN本征溫度
    9.3  GaN外延生長過程
    9.4  GaN摻雜
    9.5  GaN歐姆接觸
      9.5.1  n型GaN歐姆接觸
      9.5.2  p型GaN歐姆接觸
    9.6  GaN的肖特基接觸
    9.7  GaNMESFET的雙曲正切函數模型
    9.8  AlGaN/GaNHEMT
      9.8.1  25℃至500℃溫度區間內工作的4H-SiC/藍寶石襯底AlGaN/GaNHEMT
      9.8.2  150℃至240℃溫度區間內測試AlGaN/GaNHEMT的工作壽命
      9.8.3  368℃環境下AlGaN/GaNHEMT功率特性
      9.8.4  高功率AlGaN/GaNHEMT高溫環境下的失效機理
    9.9  InAlN/GaNHEMT
      9.9.1  高溫應用環境下AlGaN/GaNHEMT對比InAlN/GaNHEMT
      9.9.2  1000℃環境下InAlN/GaNHEMT特性
      9.9.3  1000℃環境下InAlN/GaNHEMT勢壘層熱穩定性
      9.9.4  1000℃環境下吉赫茲頻率工作的HEMT可行性論證
    9.10  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第10章  用於超高溫環境的金剛石電子器件
    10.1  引言
    10.2  金剛石的本征溫度
    10.3  人工合成金剛石
    10.4  金剛石的摻雜

      10.4.1  n型摻雜
      10.4.2  p型摻雜
      10.4.3  氫終止金剛石表面的p型摻雜
    10.5  pn結金剛石二極體
    10.6  金剛石肖特基二極體
      10.6.1  金剛石肖特基二極體在1000℃高溫環境下工作
      10.6.2  金剛石SBD在400℃環境下長期工作
    10.7  金剛石BJT在低於200℃的環境下工作
    10.8  金剛石MESFET
      10.8.1  氫終止金剛石MESFET
      10.8.2  20℃至100℃環境下金剛石MESFET的電特性
      10.8.3  有鈍化層的氫終止金剛石MESFET
      10.8.4  350℃環境下工作的硼脈衝摻雜或δ摻雜金剛石MESFET
      10.8.5  硼δ摻雜分佈的替代性研究
    10.9  金剛石JFET
    10.10  金剛石MISFET
    10.11  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第11章  高溫無源器件、鍵合和封裝
    11.1  引言
    11.2  高溫電阻器
      11.2.1  金屬箔電阻器
      11.2.2  繞線電阻器
      11.2.3  薄膜電阻器
      11.2.4  厚膜電阻器
    11.3  高溫電容器
      11.3.1  陶瓷電容器
      11.3.2  固態和液態鉭電容器
      11.3.3  特氟隆（聚四氟乙烯）電容器
    11.4  高溫磁芯和電感器
      11.4.1  磁芯
      11.4.2  電感器
    11.5  高溫金屬化
      11.5.1  硅表面鎢金屬化
      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
      11.5.3  n型4H-SiC鎳金屬化和p型4H-SiC鎳/鈦/鋁金屬化
      11.5.4  氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板上的厚膜金互連繫統
    11.6  高溫封裝
      11.6.1  基板
      11.6.2  固晶材料
      11.6.3  引線鍵合
      11.6.4  氣密封裝
      11.6.5  氣密封裝的兩個部分
    11.7  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第12章  極低溫環境下的超導電子學
    12.1  引言
    12.2  超導性原理

      12.2.1  低溫超導體
      12.2.2  邁斯納效應
      12.2.3  臨界磁場（HC）和臨界電流密度（JC）
      12.2.4  超導體分類：Ⅰ型和Ⅱ型
      12.2.5  超導性BCS理論
      12.2.6  金茲堡-朗道理論
      12.2.7  倫敦方程
      12.2.8  利用倫敦方程解釋邁斯納效應
      12.2.9  實際應用
      12.2.10  高溫超導體
    12.3  約瑟夫森結
      12.3.1  直流約瑟夫森效應
      12.3.2  交流約瑟夫森效應
      12.3.3  理論分析
      12.3.4  規範不變相位差
    12.4  逆交流約瑟夫森效應：夏皮羅步驟
    12.5  超導量子干涉儀
      12.5.1  直流超導量子干涉儀
      12.5.2  交流或射頻超導量子干涉儀
    12.6  快速單通量量子（RFSQ）邏輯門
      12.6.1  與傳統邏輯門的差異
      12.6.2  RFSQ電壓脈衝的產生
      12.6.3  RFSQ構建塊
      12.6.4  RFSQ複位-設置觸發器
      12.6.5  RFSQ非門（反向器）
      12.6.6  RFSQ或門
      12.6.7  RFSQ邏輯門優勢
      12.6.8  RFSQ邏輯門劣勢
    12.7  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第13章  液氮溫度下超導體微波電路的工作特性
    13.1  引言
    13.2  微波電路襯底
    13.3  高溫超導薄膜材料
      13.3.1  釔鋇銅氧化物
      13.3.2  鉈鋇鈣銅氧化物（TBCCO）
    13.4  高溫超導微波電路的製備工藝
    13.5  高溫超導濾波器的設計與調諧方法
    13.6  低溫封裝
    13.7  用於移動通信的高溫超導帶通濾波器
      13.7.1  濾波器設計方法
      13.7.2  濾波器的製造與表徵
    13.8  基於高溫超導約瑟夫森結的下變頻器
    13.9  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第14章  高溫超導電力傳輸
    14.1  引言
    14.2  傳統電力傳輸

      14.2.1  傳輸材料
      14.2.2  高壓傳輸
      14.2.3  架空輸電線與地下輸電線
    14.3  高溫超導電線
      14.3.1  第一代高溫超導電線
      14.3.2  第二代高溫超導電線
    14.4  高溫超導電纜設計
      14.4.1  單相熱絕緣高溫超導電纜
      14.4.2  單相冷絕緣高溫超導電纜
      14.4.3  流量、壓降和高溫超導電纜溫度
      14.4.4  三相冷絕緣高溫超導電纜
    14.5  HTS故障電流限制器
      14.5.1  電阻式超導故障電流限制器
      14.5.2  屏蔽芯超導故障電流限制器
      14.5.3  飽和鐵芯超導故障電流限制器
    14.6  高溫超導變壓器
    14.7  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
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
    15.1  引言
    15.2  絕對濕度與相對濕度
    15.3  濕度、污染和腐蝕間的關係
    15.4  電子器件中的金屬與合金
    15.5  濕度引起腐蝕的機理
      15.5.1  電化學腐蝕
      15.5.2  陽極腐蝕
      15.5.3  電偶腐蝕
      15.5.4  陰極腐蝕
      15.5.5  蠕變腐蝕
      15.5.6  雜散電流腐蝕
      15.5.7  爆米花效應
    15.6  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第16章  防潮防水的電子器件
    16.1  引言
    16.2  防腐蝕設計
      16.2.1  容錯設計
      16.2.2  空氣-氣體接觸最小化
      16.2.3  密封乾燥封裝設計
      16.2.4  邊界表面材料的選擇
    16.3  派瑞林塗層
      16.3.1  派瑞林及其優勢
      16.3.2  派瑞林的種類
      16.3.3  派瑞林塗層的氣相沉積聚合工藝
      16.3.4  典型電性能
      16.3.5  防腐蝕應用
    16.4  超疏水塗層

      16.4.1  超疏水概念
      16.4.2  標準沉積技術與等離子工藝
      16.4.3  納米沉積工藝關鍵技術
      16.4.4  具體應用
    16.5  揮發性緩蝕劑塗層
    16.6  硅酮（有機硅）
    16.7  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第17章  電子器件的化學腐蝕防護
    17.1  引言
    17.2  環境氣體引起的硫化與氧化腐蝕
    17.3  電解離子遷移與電耦合
    17.4  集成電路與印製電路板（PCB）電路的內部腐蝕
    17.5  微動腐蝕
    17.6  錫須的生長
    17.7  腐蝕風險最小化
      17.7.1  在設備應用與組裝中使用非腐蝕性化學品
      17.7.2  使用保形塗層
    17.8  其他保護措施
      17.8.1  塑料灌封或二次成型封裝
      17.8.2  孔隙密封與真空浸漬
    17.9  氣密封裝
      17.9.1  多層陶瓷封裝
      17.9.2  壓制陶瓷封裝
      17.9.3  金屬封裝
    17.10  分立高壓二極體、晶體管和晶閘管的密封玻璃鈍化
    17.11  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第18章  電子元器件的輻射效應
    18.1  引言
    18.2  輻射環境
      18.2.1  天然輻射環境
      18.2.2  人造輻射源
    18.3  輻射效應概述
      18.3.1  電離總劑量效應
      18.3.2  單粒子效應
      18.3.3  劑量率效應
    18.4  累積劑量效應
      18.4.1  伽馬射線效應
      18.4.2  中子效應
    18.5  單粒子效應
      18.5.1  非破壞性單粒子效應
      18.5.2  破壞性單粒子效應
    18.6  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第19章  抗輻射加固電子器件
    19.1  抗輻射加固的含義

    19.2  抗輻射加固工藝（RHBP）
      19.2.1  減少二氧化硅層中空間電荷的形成
      19.2.2  雜質輪廓裁剪與載流子壽命控制
      19.2.3  三阱CMOS工藝
      19.2.4  SOI工藝的應用
    19.3  抗輻射加固設計
      19.3.1  無邊或環形MOSFET
      19.3.2  溝道阻擋層和保護環
      19.3.3  通過增加溝道寬長比控制電荷耗散
      19.3.4  時域濾波
      19.3.5  空間冗余
      19.3.6  時間冗余
      19.3.7  雙互鎖存儲單元
    19.4  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
  第20章  抗振動電子器件
    20.1  無處不在的振動
    20.2  隨機振動與正弦振動
    20.3  對抗振動影響
    20.4  被動型隔振器與主動型隔振器
    20.5  被動型隔振器原理
      20.5.1  案例1：無阻尼自由振動
      20.5.2  案例2：無阻尼受迫振動
      20.5.3  案例3：黏滯阻尼受迫振動
    20.6  機械彈簧隔振器
    20.7  空氣彈簧隔振器
    20.8  鋼絲繩隔振器
    20.9  彈性隔振器
    20.10  負剛度隔振器
    20.11  主動型隔振器
      20.11.1  工作原理
      20.11.2  優勢
      20.11.3  應用場合
    20.12  討論與小結
    思考題
    原著參考文獻
附錄A  縮寫，化學符號和數學符號
附錄B  拉丁字母符號含義
附錄C  希臘字母及其他字母符號含義

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