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。

Vinod Kumar Khanna 印度科学与工业研究理事会-电子工程研究所(CSIR-CEERI)的退休科学家，印度科学与创新研究院的名誉教授。Khanna博士在印度勒克瑙大学获得硕士学位，在印度库鲁克谢特拉大学获得博士学位。他是CSIR-CEERI的前首席科学家和MEMS与传感器部门主任。在他34年的研究生涯中，主要致力于功率半导体器件(高压大电流整流器、高压电视偏转晶体管、DMOS、IGBT等)、PIN二极管中子探测器、PMOSFET γ射线探测器、多种MEMS器件等的研究。
梅博，博士、研究员，国家级抗辐照应用技术创新中心副主任，航天空间环境及抗辐射技术专家，中国航天科技集团青年拔尖人才。长期从事集成电路抗辐射技术研究，完成集成电路和功率器件抗辐射评估技术体系和标准流程制定，成果已应用于国家重大航天任务。完成制定 FPGA、DSP 等复杂集成电路抗辐照保证国家级标准；组织抗辐射国际合作，制定中外联合航天抗辐射试验技术标准。曾荣省部级一等奖2项，二等奖1项，国防科技创新团队奖1项。作为负责人承担国家级课题20余项，编写国家标准5份，行业级标准8份，学术专著2部，发表论文50余篇，授权专利30余项。

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 砷化镓欧姆接触134
7.5.1 室温工作环境下n 型砷化镓的Au-Ge/Ni/Ti 接触134
7.5.2 高温工作环境下n 型砷化镓欧姆接触135
7.6 砷化镓肖特基接触135
7.7 25℃至400℃温度范围内商用砷化镓设备评估136
7.8 减小砷化镓MESFET 300℃下漏电流的创新型结构137
7.9 一个砷化镓MESFET 阈值电压模型138
7.10 提升MESFET 耐高温性能至300℃的高温电子工艺140
7.11 25℃至500℃环境下运行砷化镓CHFET141
7.12 400℃环境下运行砷化镓双极型晶体管142
7.13 350℃环境下应用砷化镓HBT142
7.14 AlxGaAs1?x/GaAs HBT143
7.15 讨论与小结145
思考题145
原著参考文献147
第8 章 用于高温工作的碳化硅电子器件148
8.1 引言148
8.2 碳化硅的本征温度150
8.3 碳化硅单晶生长151
8.4 碳化硅掺杂152
8.5 二氧化硅表面氧化152
8.6 碳化硅肖特基接触与欧姆接触153
8.7 SiC pn 结二极管153
8.7.1 498 K 环境下测试SiC 二极管153
8.7.2 873 K 环境下测试SiC 二极管153
8.7.3 773 K 环境下工作的SiC 集成桥整流器154
8.8 SiC 肖特基势垒二极管154
8.8.1 温度对Si 肖特基二极管和SiC 肖特基二极管的影响155
8.8.2 623 K 环境下测试肖特基二极管155
8.8.3 523 K 环境下测试肖特基二极管156
8.9 SiC JFET156
8.9.1 25℃至450℃温度区间的SiC JFET 特性158
8.9.2 500℃环境测试6H-SiC JFET 与IC 158
8.9.3 25℃至550℃温度区间内基于6H-SiC JFET 的逻辑电路159
8.9.4 500℃环境长工作寿命(10 000 小时)的6H-SiC 模拟IC 和数字IC 161
8.9.5 450℃环境下6H-SiC JFET 与差分放大器的特性161
8.10 SiC 双极型晶体管162
8.10.1 140 K 至460 K 温度区间内SiC BJT 的特性描述163
8.10.2 ?86℃至550℃温度区间内SiC BJT 的性能评估164
8.11 SiC MOSFET 164
8.12 讨论与小结165
思考题165
原著参考文献167
第9 章 超高温环境下的氮化镓电子器件170
9.1 引言170
9.2 GaN 本征温度171
9.3 GaN 外延生长过程172
9.4 GaN 掺杂172
9.5 GaN 欧姆接触173
9.5.1 n 型GaN 欧姆接触173
9.5.2 p 型GaN 欧姆接触173
9.6 GaN 的肖特基接触174
9.7 GaN MESFET 的双曲正切函数模型174
9.8 AlGaN/GaN HEMT 178
9.8.1 25℃至500℃温度区间内工作的4H-SiC/蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT178
9.8.2 150℃至240℃温度区间内测试AlGaN/GaN HEMT 的工作寿命179
9.8.3 368℃环境下AlGaN/GaN HEMT 功率特性180
9.8.4 高功率AlGaN/GaN HEMT 高温环境下的失效机理180
9.9 InAlN/GaN HEMT180
9.9.1 高温应用环境下AlGaN/GaN HEMT 对比InAlN/GaN HEMT180
9.9.2 1000℃环境下InAlN/GaN HEMT 特性180
9.9.3 1000℃环境下InAlN/GaN HEMT 势垒层热稳定性181
9.9.4 1000℃环境下吉赫兹频率工作的HEMT 可行性论证181
9.10 讨论与小结183
思考题183
原著参考文献184
第10 章 用于超高温环境的金刚石电子器件186
10.1 引言186
10.2 金刚石的本征温度187
10.3 人工合成金刚石188
10.4 金刚石的掺杂190
10.4.1 n 型掺杂190
10.4.2 p 型掺杂191
10.4.3 氢终止金刚石表面的p 型掺杂191
10.5 pn 结金刚石二极管191
10.6 金刚石肖特基二极管192
10.6.1 金刚石肖特基二极管在1000℃高温环境下工作192
10.6.2 金刚石SBD 在400℃环境下长期工作193
10.7 金刚石BJT 在低于200 ℃的环境下工作194
10.8 金刚石MESFET194
10.8.1 氢终止金刚石MESFET 194
10.8.2 20℃至100℃环境下金刚石MESFET 的电特性196
10.8.3 有钝化层的氢终止金刚石MESFET196
10.8.4 350℃环境下工作的硼脉冲掺杂或δ 掺杂金刚石MESFET196
10.8.5 硼δ 掺杂分布的替代性研究197
10.9 金刚石JFET197
10.10 金刚石MISFET199
10.11 讨论与小结200
思考题201
原著参考文献202
第11 章 高温无源器件、键合和封装205
11.1 引言205
11.2 高温电阻器205
11.2.1 金属箔电阻器205
11.2.2 绕线电阻器206
11.2.3 薄膜电阻器206
11.2.4 厚膜电阻器207
11.3 高温电容器207
11.3.1 陶瓷电容器207
11.3.2 固态和液态钽电容器208
11.3.3 特氟隆(聚四氟乙烯)电容器209
11.4 高温磁芯和电感器210
11.4.1 磁芯210
11.4.2 电感器210
11.5 高温金属化212
11.5.1 硅表面钨金属化212
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212
11.5.3 n 型4H-SiC 镍金属化和p 型4H-SiC 镍/钛/铝金属化212
11.5.4 氧化铝和氮化铝陶瓷基板上的厚膜金互连系统212
11.6 高温封装212
11.6.1 基板213
11.6.2 固晶材料213
11.6.3 引线键合213
11.6.4 气密封装213
11.6.5 气密封装的两个部分215
11.7 讨论与小结215
思考题215
原著参考文献216
第12 章 极低温环境下的超导电子学218
12.1 引言218
12.2 超导性原理218
12.2.1 低温超导体218
12.2.2 迈斯纳效应219
12.2.3 临界磁场(HC)和临界电流密度(JC)220
12.2.4 超导体分类：Ⅰ型和Ⅱ型220
12.2.5 超导性BCS 理论222
12.2.6 金兹堡-朗道理论224
12.2.7 伦敦方程226
12.2.8 利用伦敦方程解释迈斯纳效应227
12.2.9 实际应用229
12.2.10 高温超导体229
12.3 约瑟夫森结229
12.3.1 直流约瑟夫森效应230
12.3.2 交流约瑟夫森效应231
12.3.3 理论分析231
12.3.4 规范不变相位差234
12.4 逆交流约瑟夫森效应：夏皮罗步骤239
12.5 超导量子干涉仪242
12.5.1 直流超导量子干涉仪242
12.5.2 交流或射频超导量子干涉仪244
12.6 快速单通量量子(RFSQ)逻辑门245
12.6.1 与传统逻辑门的差异245
12.6.2 RFSQ 电压脉冲的产生245
12.6.3 RFSQ 构建块246
12.6.4 RFSQ 复位-设置触发器246
12.6.5 RFSQ 非门(反向器) 247
12.6.6 RFSQ 或门248
12.6.7 RFSQ 逻辑门优势249
12.6.8 RFSQ 逻辑门劣势249
12.7 讨论与小结249
思考题250
原著参考文献252
第13 章 液氮温度下超导体微波电路的工作特性253
13.1 引言253
13.2 微波电路衬底253
13.3 高温超导薄膜材料254
13.3.1 钇钡铜氧化物254
13.3.2 铊钡钙铜氧化物(TBCCO) 254
13.4 高温超导微波电路的制备工艺254
13.5 高温超导滤波器的设计与调谐方法255
13.6 低温封装256
13.7 用于移动通信的高温超导带通滤波器257
13.7.1 滤波器设计方法257
13.7.2 滤波器的制造与表征257
13.8 基于高温超导约瑟夫森结的下变频器258
13.9 讨论与小结259
思考题259
原著参考文献260
第14 章 高温超导电力传输261
14.1 引言261
14.2 传统电力传输261
14.2.1 传输材料261
14.2.2 高压传输261
14.2.3 架空输电线与地下输电线262
14.3 高温超导电线262
14.3.1 第一代高温超导电线262
14.3.2 第二代高温超导电线263
14.4 高温超导电缆设计265
14.4.1 单相热绝缘高温超导电缆265
14.4.2 单相冷绝缘高温超导电缆265
14.4.3 流量、压降和高温超导电缆温度266
14.4.4 三相冷绝缘高温超导电缆266
14.5 HTS 故障电流限制器267
14.5.1 电阻式超导故障电流限制器268
14.5.2 屏蔽芯超导故障电流限制器268
14.5.3 饱和铁芯超导故障电流限制器269
14.6 高温超导变压器270
14.7 讨论与小结270
思考题270
原著参考文献271
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273
15.1 引言273
15.2 绝对湿度与相对湿度273
15.3 湿度、污染和腐蚀间的关系274
15.4 电子器件中的金属与合金275
15.5 湿度引起腐蚀的机理275
15.5.1 电化学腐蚀275
15.5.2 阳极腐蚀276
15.5.3 电偶腐蚀276
15.5.4 阴极腐蚀278
15.5.5 蠕变腐蚀278
15.5.6 杂散电流腐蚀279
15.5.7 爆米花效应279
15.6 讨论与小结279
思考题280
原著参考文献280
第16 章 防潮防水的电子器件281
16.1 引言281
16.2 防腐蚀设计281
16.2.1 容错设计281
16.2.2 空气-气体接触最小化281
16.2.3 密封干燥封装设计282
16.2.4 边界表面材料的选择282
16.3 派瑞林涂层282
16.3.1 派瑞林及其优势282
16.3.2 派瑞林的种类282
16.3.3 派瑞林涂层的气相沉积聚合工艺283
16.3.4 典型电性能284
16.3.5 防腐蚀应用284
16.4 超疏水涂层284
16.4.1 超疏水概念284
16.4.2 标准沉积技术与等离子工艺284
16.4.3 纳米沉积工艺关键技术285
16.4.4 具体应用286
16.5 挥发性缓蚀剂涂层286
16.6 硅酮(有机硅)287
16.7 讨论与小结287
思考题288
原著参考文献289
第17 章 电子器件的化学腐蚀防护290
17.1 引言290
17.2 环境气体引起的硫化与氧化腐蚀290
17.3 电解离子迁移与电耦合291
17.4 集成电路与印制电路板(PCB)电路的内部腐蚀291
17.5 微动腐蚀291
17.6 锡须的生长292
17.7 腐蚀风险最小化292
17.7.1 在设备应用与组装中使用非腐蚀性化学品292
17.7.2 使用保形涂层292
17.8 其他保护措施294
17.8.1 塑料灌封或二次成型封装294
17.8.2 孔隙密封与真空浸渍295
17.9 气密封装296
17.9.1 多层陶瓷封装296
17.9.2 压制陶瓷封装297
17.9.3 金属封装297
17.10 分立高压二极管、晶体管和晶闸管的密封玻璃钝化298
17.11 讨论与小结299
思考题299
原著参考文献300
第18 章 电子元器件的辐射效应301
18.1 引言301
18.2 辐射环境301
18.2.1 天然辐射环境301
18.2.2 人造辐射源302
18.3 辐射效应概述303
18.3.1 电离总剂量效应303
18.3.2 单粒子效应303
18.3.3 剂量率效应303
18.4 累积剂量效应304
18.4.1 伽马射线效应305
18.4.2 中子效应306
18.5 单粒子效应307
18.5.1 非破坏性单粒子效应308
18.5.2 破坏性单粒子效应308
18.6 讨论与小结310
思考题310
原著参考文献311
第19 章 抗辐射加固电子器件312
19.1 抗辐射加固的含义312
19.2 抗辐射加固工艺(RHBP) 312
19.2.1 减少二氧化硅层中空间电荷的形成312
19.2.2 杂质轮廓裁剪与载流子寿命控制312
19.2.3 三阱CMOS 工艺313
19.2.4 SOI 工艺的应用313
19.3 抗辐射加固设计315
19.3.1 无边或环形MOSFET315
19.3.2 沟道阻挡层和保护环316
19.3.3 通过增加沟道宽长比控制电荷耗散317
19.3.4 时域滤波317
19.3.5 空间冗余318
19.3.6 时间冗余319
19.3.7 双互锁存储单元319
19.4 讨论与小结322
思考题322
原著参考文献323
第20 章 抗振动电子器件324
20.1 无处不在的振动324
20.2 随机振动与正弦振动325
20.3 对抗振动影响325
20.4 被动型隔振器与主动型隔振器325
20.5 被动型隔振器原理326
20.5.1 案例1：无阻尼自由振动326
20.5.2 案例2：无阻尼受迫振动328
20.5.3 案例3：黏滞阻尼受迫振动331
20.6 机械弹簧隔振器335
20.7 空气弹簧隔振器335
20.8 钢丝绳隔振器335
20.9 弹性隔振器335
20.10 负刚度隔振器335
20.11 主动型隔振器337
20.11.1 工作原理337
20.11.2 优势338
20.11.3 应用场合338
20.12 讨论与小结339
思考题339
原著参考文献340
附录A 缩写，化学符号和数学符号341
附录B 拉丁字母符号含义349
附录C 希腊字母及其他字母符号含义351