《国外电子与通信教材系列:功率半导体器件基础》系统介绍了电力电子领域广泛应用的各类功率半导体器件。由浅入深地介绍了器件的基本结构、物理机理、设计原则及应用可靠性,内容以硅功率半导体器件为主,同时也涵盖了新兴的碳化硅功率器件。
《国外电子与通信教材系列:功率半导体器件基础》首先从基本半导体理论开始,依次介绍了各类常用的功率半导体器件,采用物理模型分析及数值模拟验证结合的方式,辅助大量详实的图表数据,帮助读者全面透彻理解功率半导体器件的特性。
《国外电子与通信教材系列:功率半导体器件基础》既可作为电力电子领域相关人员入门了解功率半导体器件的参考书,亦可作为专业技术人员深入研 究的资料。也适用与相关专业的本科生、研究生课程可作为配合教材或指导书。
译者序
功率半导体器件作为电力电子系统中的核心元件,自20世纪70年代发明以来,一直是现代生活不可或缺的重要电子元件,其应用领域从常见的家用消费类电子设备、汽车电子系统,智能电网,到各类工业设备、动力机车、航天、船舶系统。作为能源控制领域的核心器件,估计世界上至少50%的用电量是由功率器件所控制的,特别是近年来在全球面临能源短缺,环境恶化等考验时,如何最大限度发挥功率半导体器件在能源控制领域的优异特性,如何优化产品性能来满足节能减排需求,实现有限资源的充分利用,无疑是电力电子领域相关从业人员必须重点关注、了解、解决的重要课题。而这就需要全面深入了解功率半导体器件的基本原理,理解器件的物理模型及工作机理,在掌握器件的工作特性后,才能真正利用科学技术力量解决与国民生产生活息息相关的重大问题,不断提高现代化生活质量。而这也正是科学技术研究工作的真正核心价值体现。
本书作者巴利加教授是功率半导体领域公认的专家,基于他在该领域超过30年的丰富从业经验,采用循序渐进的方式,由浅入深地介绍了功率半导体器件的基本结构,工作原理,设计规则,应用特性、可靠性等方面,全书配有大量翔实的图表数据和绘制精美的图例,并辅助理论模型公式及数值模拟结果对比,使读者在对各类功率半导体器件特性全面系统认识的同时,能逐渐深入了解器件工作的内部物理机理。特别是书中包含的大量实际器件的数值模拟结果,源于作者多年研究工作的丰富积累,能给读者对器件工作特性描述以具体、直观的理解和感受,而不是拘泥于复杂的模型公式记忆,这也是同类教科书中所少有的。对于电力电子领域相关技术人员来说,无论是从入门开始了解功率半导体器件特性,还是打算深入研究分析器件的物理特性,都能从本书中找到所需要的知识内容。因此,无论是功率半导体领域相关专业研究生作为入门教材或专业研究人员作为案头参考资料,都是一本非常具有参考价值的指导书籍。作者前言中叙述了各章节的主要内容,这里不再赘述。
为了使本书能和广大读者尽快见面,中国科学院微电子研究所一室功率半导体器件相关研究人员参与了本书的翻译工作。陆江副研究员负责了全书各章节的统一协调汇总。其中第1章和第2章由韩郑生翻译,第3章和第4章由张彦飞翻译,第5章和第10章由吴海舟翻译,第6章由宋李梅与陆江翻译,第7章由李洵翻译,第8章由田晓丽翻译,第9章由卢烁今与韩郑生翻译。审校工作由孙宝刚副研究员协助完成。室主任韩郑生研究员对全书翻译工作给予大力支持,亲自参与了书中主要章节的翻译工作并对全文内容修订给出了宝贵意见。朱阳军副研究员为本书翻译工作提供了大力的支持和资源保障。工作人员褚为利、佘超群、王春林、周宏宇、李牧阳、王金红参加了一些辅助翻译工作。王立新副研究员也对本工作给予了支持。对于以上人员的辛勤工作及支持保障,在此表示感谢。鉴于译者水平有限,在翻译过程中难免有疏漏之处,恳请广大读者不吝赐教。
第1章 绪论
1.1 理想和典型的功率开关模型
1.2 理想和典型的功率器件参数
1.3 单极功率器件
1.4 双极功率器件
1.5 MOS双极功率器件
1.6 单极功率器件的理想漂移区
1.7 电荷耦合结构:理想的特征导通电阻
1.8 小结
习题
参考文献
第2章 材料特性和传输物理
2.1 基本特性
2.1.1 本征载流子浓度
2.1.2 带隙变窄
2.1.3 内建电势
2.1.4 零偏置耗尽宽度
2.1.5 碰撞电离系数
2.1.6 载流子迁移率
2.2 电阻率
2.2.1 本征电阻率
2.2.2 非本征电阻率
2.2.3 中子嬗变掺杂
2.3 复合寿命
2.3.1 Shockley?Read?Hall复合
2.3.2 小注入寿命
2.3.3 空间电荷产生寿命
2.3.4 复合能级优化
2.3.5 寿命控制
2.3.6 俄歇复合
2.4 欧姆接触
2.5 小结
习题
参考文献
第3章 击穿电压
3.1 雪崩击穿
3.1.1 碰撞电离系数的幂定律近似
3.1.2 倍增系数
3.2 突变一维二极管
3.3 理想比通态电阻
3.4 突变穿通二极管
3.5 线性缓变结二极管
3.6 边缘终端
3.6.1 平面结终端
3.6.2 带浮空场环的平面结
3.6.3 带多重浮空场环的平面结
3.6.4 带场板的平面结
3.6.5 带场板与场环的平面结
3.6.6 斜角边缘终端
3.6.7 腐蚀终端
3.6.8 结终端扩展
3.7 基极开路晶体管击穿
3.7.1 复合斜角终端
3.7.2 双正斜角终端
3.8 表面钝化
3.9 小结
习题
参考文献
第4章 肖特基整流器
4.1 功率肖特基整流器结构
4.2 金属半导体接触
4.3 正向导通
4.4 反向阻断
4.4.1 漏电流
4.4.2 肖特基势垒降低
4.4.3 击穿前雪崩倍增
4.4.4 碳化硅整流器
4.5 器件电容
4.6 散热考虑
4.7 基本折中分析
4.8 器件工艺
4.9 势垒高度调整
4.10边缘终端
4.11小结
习题
参考文献
第5章 P?i?N整流器
5.1 一维结构
5.1.1 复合电流
5.1.2 小注入电流
5.1.3 大注入电流
5.1.4 末端区的注入
5.1.5 载流子间的散射效应
5.1.6 俄歇复合效应
5.1.7 正向导通特性
5.2 碳化硅P?i?N整流器
5.3 反向阻断
5.4 开关特性
5.4.1 正向恢复
5.4.2 反向恢复
5.5 带缓冲层的P?i?N整流器结构
5.6 非穿通型P?i?N整流器结构
5.7 P?i?N整流器的折中曲线
5.8 小结
习题
参考文献
第6章 功率MOS场效应晶体管
6.1 理想的特征导通电阻
6.2 器件元胞结构和工作原理
6.2.1 V?MOSFET结构
6.2.2 VD?MOSFET结构
6.2.3 U?MOSFET结构
6.3 器件基本特性
6.4 阻断电压
6.4.1 终端的影响
6.4.2 渐变掺杂分布的影响
6.4.3 寄生双极型晶体管的影响
6.4.4 元胞节距的影响
6.4.5 栅形状的影响
6.4.6 元胞表面布局的影响
6.5 正向导通特性
6.5.1 MOS界面物理特性
6.5.2 MOS表面电荷分析
6.5.3 最大耗尽宽度
6.5.4 阈值电压
6.5.5 沟道电阻
6.6 功率MOSFET导通电阻
6.6.1 源接触电阻
6.6.2 源区电阻
6.6.3 沟道电阻
6.6.4 积累电阻
6.6.5 JFET电阻
6.6.6 漂移区电阻
6.6.7 N+衬底电阻
6.6.8 漏接触电阻
6.6.9 总导通电阻
6.7 功率VD?MOSFET元胞优化
6.7.1 栅电极宽度的优化
6.7.2 击穿电压的影响
6.7.3 设计规则的影响
6.7.4 元胞布局的影响
6.8 功率U?MOSFET的导通电阻
6.8.1 源接触电阻
6.8.2 源区电阻
6.8.3 沟道电阻
6.8.4 积累区电阻
6.8.5 漂移区电阻
6.8.6 N+衬底电阻
6.8.7 漏极接触电阻
6.8.8 总导通电阻
6.9 功率U?MOSFET结构的元胞优化
6.9.1 垂直P型基区的接触孔结构
6.9.2 击穿电压影响
6.9.3 可靠性优化
6.10平方关系的传输特性
6.11超线性传输特性
6.12输出特性
6.13器件电容
6.13.1 基本MOS电容
6.13.2 功率VD?MOSFET结构的电容
6.13.3 功率U?MOSFET结构的电容
6.13.4 等效电路
6.14栅电荷
6.14.1 栅电荷提取
6.14.2 电压与电流关系
6.14.3 VD?MOSFET与U?MOSFET结构比较
6.14.4 元胞节距对VD?MOSFET结构与U?MOSFET结构的影响
6.15 高频工作优化
6.15.1 输入开关损耗
6.15.2 输出开关损耗
6.15.3 栅信号延迟
6.16 开关特性
6.16.1 开启瞬态
6.16.2 关断瞬态
6.16.3 开关功率损耗
6.16.4 [dV/dt]能力
6.17 安全工作区
6.17.1 双极型晶体管二次击穿
6.17.2 MOS二次击穿
6.18 内部体二极管
6.18.1 反向恢复优化
6.18.2 寄生双极型晶体管影响
6.19 高温特性
6.19.1 阈值电压
6.19.2 导通电阻
6.19.3 饱和区跨导
6.20 互补器件
6.20.1 P沟道结构
6.20.2 导通电阻
6.20.3 深槽结构
6.21 硅功率MOSFET制造工艺
6.21.1 平面VD?MOSFET工艺
6.21.2 槽形U?MOSFET工艺
6.22 碳化硅器件
6.22.1 巴利加对(Baliga?Pair)构造
6.22.2 平面功率MOSFET结构
6.22.3 屏蔽型平面功率MOSFET结构
6.22.4 屏蔽型槽栅功率MOSFET结构
6.23 小结
习题
参考文献
第7章 双极结型晶体管
7.1 功率双极结型晶体管结构
7.2 基本工作原理
7.3 静态阻断特性
7.3.1 发射极开路击穿电压
7.3.2 基极开路击穿电压
7.3.3 基极发射极短路工作原理
7.4 电流增益
7.4.1 发射极注入效率
7.4.2 考虑耗尽区复合的发射极注入效率
7.4.3 基区大注入时发射极注入效率
7.4.4 基区输运系数
7.4.5 集电极电流密度很大时的基区扩展效应
7.5 发射极电流集边效应
7.5.1 基极小注入
7.5.2 基极大注入
7.5.3 发射极图形
7.6 输出特性
7.7 导通特性
7.7.1 饱和区
7.7.2 准饱和区
7.8 开关特性
7.8.1 导通过程
7.8.2 关断过程
7.9 安全工作区
7.9.1 正向二次击穿
7.9.2 反向二次击穿
7.9.3 安全工作区的界限
7.10达林顿结构
7.11小结
习题
参考文献
第8章 晶闸管
8.1 功率晶闸管结构和工作特性
8.2 阻断特性
8.2.1 反向阻断能力
8.2.2 正向阻断能力
8.2.3 阴极短路
8.2.4 阴极短路的几何结构
8.3 导通特性
8.3.1 导通状态
8.3.2 栅极触发电流
8.3.3 维持电流
8.4 开关特性
8.4.1 开启时间
8.4.2 栅极设计
8.4.3 放大栅极设计
8.4.4 耐\[dV/dt\]能力
8.4.5 关断过程
8.5 光控晶闸管
8.5.1 耐\[dI/dt\]能力
8.5.2 栅极区域设计
8.5.3 光产生的电流密度
8.5.4 放大栅设计
8.6 自保护晶闸管
8.6.1 正向击穿保护
8.6.2 \[dV/dt\]开启保护
8.7 可关断晶闸管
8.7.1 基本结构和工作原理
8.7.2 一维关断准则
8.7.3 一维存储时间分析
8.7.4 二维存储时间模型
8.7.5 一维电压上升时间模型
8.7.6 一维电流下降时间模型
8.7.7 开关能量损失
8.7.8 最大的关断电流
8.7.9 元胞设计和版图
8.8 三端双向可控硅结构
8.8.1 基本结构和工作原理
8.8.2 栅触发模型1
8.8.3 栅触发模式2
8.8.4 耐\[dV/dt\]能力
8.9 小结
习题
参考文献
第9章 绝缘栅双极晶体管
9.1 基本器件结构
9.2 器件工作和输出特性
9.3 器件等效电路
9.4 阻断特性
9.4.1 对称结构正向阻断性能
9.4.2 对称结构反向阻断性能
9.4.3 对称结构漏电流
9.4.4 非对称结构正向阻断性能
9.4.5 非对称结构反向阻断性能
9.4.6 非对称结构漏电流
9.5 通态特性
9.5.1 通态模型
9.5.2 通态载流子分布:对称结构
9.5.3 导通压降:对称结构
9.5.4 通态载流子分布:非对称结构
9.5.5 导通压降:非对称结构
9.5.6 通态载流子分布:透明发射极结构
9.5.7 导通压降:透明发射极结构
9.6 饱和电流模型
9.6.1 载流子分布:对称结构
9.6.2 输出特性:对称结构
9.6.3 输出电阻:对称结构
9.6.4 载流子分布:非对称结构
9.6.5 输出特性:非对称结构
9.6.6 输出电阻:非对称结构
……