功率半导体器件

作者简介

本书介绍了功率半导体器件的原理、结构、特性和可靠性技术，器件部分涵盖了当前电力电子技术中使用的各种类型功率半导体器件，包括二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT和功率集成器件等。此外，还包含了制造工艺、测试技术和损坏机理分析。就其内容的全面性和结构的完整性来说，在同类专业书籍中是不多见的。

本书内容新颖，紧跟时代发展，除了介绍经典的功率二极管、晶闸管外，还重点介绍了MOSFET、IGBT等现代功率器件，颇为难得的是收入了近年来有关功率半导体器件的最新的成果。本书是一本精心编著，并根据作者多年教学经验和工程实践不断补充更新的好书，相信它的翻译出版，必将有助于我国电力电子事业的发展。

本书的读者对象包括在校学生、功率器件设计制造和电力电子应用领域的工程技术人员及其他相关专业人员。本书适合高等院校有关专业用作教材或专业参考书，亦可被电力电子学界和广大的功率器件和装置生产企业的工程技术人员作为参考书之用。

书籍目录

前言

第1章功率半导体器件——高效电能变换装置中的关键器件1

1.1装置、电力变流器和功率半导体器件1

1.1.1电力变流器的基本原理2

1.1.2电力变流器的类型和功率器件的选择3

1.2使用和选择功率半导体6

1.3功率半导体的应用8

参考文献11

第2章半导体的性质14

2.1引言14

2.2晶体结构16

2.3禁带和本征浓度18

2.4能带结构和载流子的粒子性质21

2.5掺杂的半导体25

2.6电流的输运33

2.6.1载流子的迁移率和场电流33

2.6.2强电场下的漂移速度37

2.6.3载流子的扩散和电流输运方程式39

2.7复合产生和非平衡载流子的寿命40

2.7.1本征复合机理41

2.7.2复合中心上的复合和产生43

2.8碰撞电离49

2.9半导体器件的基本公式54

2.10简单的结论57

参考文献59

第3章pn结65

3.1热平衡状态下的pn结65

3.1.1突变结67

3.1.2缓变结72

3.2pn结的IV特性75

3.3pn结的阻断特性和击穿82

3.3.1阻断电流82

3.3.2雪崩倍增和击穿电压84

3.3.3宽禁带半导体的阻断能力92

3.4发射区的注入效率93

3.5pn结的电容99

参考文献101

第4章功率器件工艺的简介103

4.1晶体生长103

4.2通过中子嬗变来调整晶片的掺杂105

4.3外延生长106

4.4扩散107

4.5离子注入112

4.6氧化和掩蔽116

4.7边缘终端118

4.7.1斜面终端结构118

4.7.2平面结终端结构120

4.7.3双向阻断器件的结终端121

4.8钝化122

4.9复合中心123

4.9.1用金和铂作为复合中心123

4.9.2辐射引入的复合中心125

4.9.3Pt和Pd的辐射增强扩散128

参考文献128

功率半导体器件——原理、特性和可靠性目录第5章pin二极管132

5.1pin二极管的结构132

5.2pin二极管的IV特性133

5.3pin二极管的设计和阻断电压134

5.4正向导通特性139

5.4.1载流子的分布139

5.4.2结电压141

5.4.3中间区域两端之间的电压降142

5.4.4在霍尔近似中的电压降143

5.4.5发射极复合、有效载流子寿命和正向特性144

5.4.6正向特性和温度的关系151

5.5储存电荷和正向电压之间的关系152

5.6功率二极管的开通特性153

5.7功率二极管的反向恢复155

5.7.1定义155

5.7.2与反向恢复有关的功率损耗160

5.7.3反向恢复：二极管中电荷的动态163

5.7.4具有最佳反向恢复特性的快速二极管170

5.8展望183

参考文献184

第6章肖特基二极管187

6.1金属半导体结的原理187

6.2肖特基结的IV特性188

6.3肖特基二极管的结构190

6.4单极型器件的欧姆电压降191

6.5SiC肖特基二极管194

参考文献199

第7章双极型晶体管200

7.1双极型晶体管的工作原理200

7.2功率双极型晶体管的结构201

7.3功率晶体管的IV特性202

7.4双极型晶体管的阻断特性203

7.5双极型晶体管的电流增益205

7.6基区展宽、电场再分布和二次击穿209

7.7硅双极型晶体管的局限性211

7.8SiC双极型晶体管211

参考文献212

第8章晶闸管214

8.1结构与功能模型214

8.2晶闸管的IV特性217

8.3晶闸管的阻断特性218

8.4发射极短路点的作用219

8.5晶闸管的触发方式220

8.6触发前沿扩展221

8.7随动触发与放大门极222

8.8晶闸管关断和恢复时间224

8.9双向晶闸管226

8.10门极关断(GTO)晶闸管227

8.11门极换流晶闸管(GCT)231

参考文献233

第9章MOS晶体管235

9.1MOSFET的基本工作原理235

9.2功率MOSFET的结构236

9.3MOS晶体管的IV特性237

9.4MOSFET沟道的特性238

9.5欧姆区域241

9.6现代MOSFET的补偿结构242

9.7MOSFET的开关特性246

9.8MOSFET的开关损耗249

9.9MOSFET的安全工作区250

9.10MOSFET的反并联二极管251

9.11SiC场效应器件255

9.12展望257

参考文献258

第10章IGBT260

10.1功能模式260

10.2IGBT的IV特性262

10.3IGBT的开关特性263

10.4基本类型：PTIGBT和NPTIGBT265

10.5IGBT中的等离子体分布268

10.6提高载流子浓度的现代IGBT269

10.6.1高n发射极注入比的等离子增强270

10.6.2无闩锁元胞几何图形273

10.6.3“空穴势垒”效应273

10.6.4集电极端的缓冲层275

10.7具有双向阻断能力的IGBT276

10.8逆导型IGBT278

10.9展望280

参考文献280

第11章功率器件的封装和可靠性283

11.1封装技术面临的挑战283

11.2封装类型284

11.2.1饼形封装286

11.2.2TO系列及其派生287

11.2.3模块290

11.3材料的物理特性295

11.4热仿真和热等效电路297

11.4.1热力学参数和电参数之间的转换297

11.4.2一维等效网络302

11.4.3三维热网络304

11.4.4瞬态热阻305

11.5功率模块内的寄生电学元件307

11.5.1寄生电阻307

11.5.2寄生电感308

11.5.3寄生电容311

11.6可靠性313

11.6.1提高可靠性的要求313

11.6.2高温反向偏置试验316

11.6.3高温栅极应力试验317

11.6.4温度湿度偏置试验318

11.6.5高温和低温存储试验318

11.6.6温度循环和温度冲击试验319

11.6.7功率循环试验321

11.6.8其他的可靠性试验336

11.6.9提高可靠性的策略337

11.7未来的挑战337

参考文献340

第12章功率器件的损坏机理344

12.1热击穿——温度过高引起的失效344

12.2浪涌电流346

12.3过电压——电压高于阻断能力349

12.4动态雪崩354

12.4.1双极型器件中的动态雪崩354

12.4.2快速二极管中的动态雪崩355

12.4.3具有高动态雪崩能力的二极管结构363

12.4.4动态雪崩：进一步的任务366

12.5超过GTO的最大关断电流366

12.6IGBT的短路和过电流367

12.6.1短路类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ367

12.6.2短路的热、电应力371

12.6.3过电流的关断和动态雪崩377

12.7宇宙射线造成的失效380

12.8失效分析385

参考文献387

第13章功率器件的感应振荡和电磁干扰392

13.1电磁干扰的频率范围392

13.2LC振荡394

13.2.1并联IGBT的关断振荡394

13.2.2阶跃二极管的关断振荡396

13.3渡越时间振荡398

13.3.1等离子体抽取渡越时间(PETT)振荡399

13.3.2动态碰撞电离渡越时间(IMPATT)振荡405

参考文献408

第14章电力电子系统410

14.1定义和基本特征410

14.2单片集成系统——功率IC412

14.3印刷电路板上的系统集成415

14.4混合集成417

参考文献422

附录Asi与4HSiC中载流子迁移率的建模参数424

附录B雪崩倍增因子与有效电离率426

附录C封装技术中重要材料的热参数429

附录D封装技术中重要材料的电参数430

附录E常用符号432

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