極端溫度與惡劣環(huán)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(yè)的常規(guī)藩籬1
1.2 章節(jié)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(huán)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(jié)6
思考題7
原著參考文獻8
第2 章 超常規(guī)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(yè)12
2.3.2 航空航天業(yè)14
2.3.3 航天任務17
2.3.4 油井勘測設備19
2.3.5 工業(yè)用系統(tǒng)與醫(yī)療用系統(tǒng)20
2.4 低溫電子器件20
2.5 極端溫度與惡劣環(huán)境范疇內(nèi)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?qū)е碌挠绊?2
12
2.5.4 核輻射及電磁輻射對電子系統(tǒng)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(jié)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(qū)(低溫弱電離區(qū))或不完全電離區(qū)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(qū)/
載流子飽和區(qū)(強電離區(qū)) 40
3.8.3 當溫度T ＞ 500 K 時，本征載流子區(qū)/高溫本征激發(fā)區(qū)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(zhì)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(jié)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(chǎn)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(jié)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(jié)二極管電流-電壓特性的肖克萊方程66
4.4.2 pn 結(jié)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(jié)二極管反向漏電流72
4.4.5 pn 結(jié)二極管雪崩擊穿電壓73
4.4.6 雪崩擊穿電壓溫度系數(shù)分析模型76
4.4.7 二極管齊納擊穿電壓78
4.4.8 p+n結(jié)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(fā)射極電流(ICBO 和ICEO) 86
4.4.13 雙極型晶體管動態(tài)響應87
4.5 25℃至300℃范圍內(nèi)的雙極型模擬電路87
4.6 25℃至340℃范圍內(nèi)的雙極型數(shù)字電路89
4.7 討論與小結(jié)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(shù)偏置點104
5.7 MOSFET 動態(tài)響應106
5.8 25℃至300℃范圍內(nèi)MOS 模擬電路特性分析107
5.9 ?196℃至270℃范圍內(nèi)CMOS 數(shù)字電路特性分析112
5.10 討論與小結(jié)112
思考題112
原著參考文獻114
第6 章 溫度對硅鍺異質(zhì)結(jié)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(jié)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(huán)境下n 型砷化鎵的Au-Ge/Ni/Ti 接觸134
7.5.2 高溫工作環(huán)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(nèi)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(chuàng)新型結(jié)構(gòu)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(huán)境下運行砷化鎵CHFET141
7.12 400℃環(huán)境下運行砷化鎵雙極型晶體管142
7.13 350℃環(huán)境下應用砷化鎵HBT142
7.14 AlxGaAs1?x/GaAs HBT143
7.15 討論與小結(jié)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(jié)二極管153
8.7.1 498 K 環(huán)境下測試SiC 二極管153
8.7.2 873 K 環(huán)境下測試SiC 二極管153
8.7.3 773 K 環(huán)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(huán)境下測試肖特基二極管155
8.8.3 523 K 環(huán)境下測試肖特基二極管156
8.9 SiC JFET156
8.9.1 25℃至450℃溫度區(qū)間的SiC JFET 特性158
8.9.2 500℃環(huán)境測試6H-SiC JFET 與IC 158
8.9.3 25℃至550℃溫度區(qū)間內(nèi)基于6H-SiC JFET 的邏輯電路159
8.9.4 500℃環(huán)境長工作壽命(10 000 小時)的6H-SiC 模擬IC 和數(shù)字IC 161
8.9.5 450℃環(huán)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(qū)間內(nèi)SiC BJT 的特性描述163
8.10.2 ?86℃至550℃溫度區(qū)間內(nèi)SiC BJT 的性能評估164
8.11 SiC MOSFET 164
8.12 討論與小結(jié)165
思考題165
原著參考文獻167
第9 章 超高溫環(huán)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(shù)模型174
9.8 AlGaN/GaN HEMT 178
9.8.1 25℃至500℃溫度區(qū)間內(nèi)工作的4H-SiC/藍寶石襯底AlGaN/GaN HEMT178
9.8.2 150℃至240℃溫度區(qū)間內(nèi)測試AlGaN/GaN HEMT 的工作壽命179
9.8.3 368℃環(huán)境下AlGaN/GaN HEMT 功率特性180
9.8.4 高功率AlGaN/GaN HEMT 高溫環(huán)境下的失效機理180
9.9 InAlN/GaN HEMT180
9.9.1 高溫應用環(huán)境下AlGaN/GaN HEMT 對比InAlN/GaN HEMT180
9.9.2 1000℃環(huán)境下InAlN/GaN HEMT 特性180
9.9.3 1000℃環(huán)境下InAlN/GaN HEMT 勢壘層熱穩(wěn)定性181
9.9.4 1000℃環(huán)境下吉赫茲頻率工作的HEMT 可行性論證181
9.10 討論與小結(jié)183
思考題183
原著參考文獻184
第10 章 用于超高溫環(huán)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(jié)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(huán)境下工作192
10.6.2 金剛石SBD 在400℃環(huán)境下長期工作193
10.7 金剛石BJT 在低于200 ℃的環(huán)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(huán)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(huán)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(jié)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(tài)和液態(tài)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(zhì)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(tǒng)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(jié)