绝缘栅双极型晶体管（IGBT）设计与工艺PDF电子书下载

第1章 器件结构和工作原理 1

1.1 器件结构 1

1.1.1 基本特征与元胞结构 1

1.1.2 纵向结构 3

1.1.3 横向结构 8

1.2 工作原理与I-U特性 11

1.2.1 等效电路与模型 11

1.2.2 工作原理 12

1.2.3 物理效应 14

1.2.4 I-U特性 16

参考文献 24

第2章 器件特性分析 26

2.1 IGBT的静态特性 26

2.1.1 通态特性 26

2.1.2 阻断特性 27

2.2 IGBT的动态特性 31

2.2.1 开通特性 31

2.2.2 关断特性 34

2.2.3 频率特性 40

2.3 安全工作区 44

2.3.1 FBSOA 44

2.3.2 RBSOA 44

2.3.3 SCSOA 45

参考文献 46

第3章 器件设计 48

3.1 关键电参数的设计 48

3.1.1 关键参数 48

3.1.2 需要协调的参数 49

3.2 有源区结构设计 50

3.2.1 元胞结构 50

3.2.2 栅极结构 51

3.2.3 栅极参数设计 52

3.3 终端结构设计 54

3.3.1 场限环终端设计 54

3.3.2 场板终端设计 56

3.3.3 横向变掺杂终端设计 57

3.3.4 深槽终端设计 58

3.4 纵向结构设计 59

3.4.1 漂移区设计 59

3.4.2 缓冲层设计 60

3.4.3 集电区设计 62

3.4.4 增强层设计 63

参考文献 65

第4章 器件制造工艺 67

4.1 衬底材料选择 67

4.1.1 硅单晶材料 67

4.1.2 硅外延片 69

4.2 制作工艺流程 69

4.2.1 平面栅结构的制作 69

4.2.2 沟槽栅结构的制作 73

4.3 基本工艺 77

4.3.1 热氧化 77

4.3.2 掺杂 79

4.3.3 光刻 85

4.3.4 刻蚀 88

4.3.5 化学气相淀积 92

4.3.6 物理气相淀积 94

4.3.7 减薄与划片工艺 95

4.4 工艺质量与参数检测 98

4.4.1 工艺质量检测 98

4.4.2 工艺参数检测 99

参考文献 103

第5章 器件仿真 105

5.1 半导体计算机仿真的基本概念 105

5.1.1 工艺仿真 105

5.1.2 器件仿真 106

5.1.3 电路仿真 107

5.2 器件仿真方法、软件及流程 107

5.2.1 器件仿真方法（TCAD） 107

5.2.2 器件仿真与工艺仿真软件 108

5.2.3 器件仿真流程 111

5.3 器件物理模型选取 111

5.3.1 流体力学能量输运模型 111

5.3.2 量子学模型 113

5.3.3 迁移率模型 114

5.3.4 载流子复合模型 116

5.3.5 雪崩产生模型 118

5.4 器件物理结构与网格划分 119

5.5 器件电特性仿真 121

5.6 1200V／100A IGBT设计实例 123

5.6.1 元胞设计 123

5.6.2 终端设计 128

5.6.3 器件工艺设计 131

参考文献 144

第6章 器件封装 147

6.1 封装技术概述 147

6.2 封装基本结构和类型 149

6.3 封装关键材料及工艺 152

6.3.1 绝缘基板及其金属化 153

6.3.2 底板材料 160

6.3.3 黏结材料 162

6.3.4 电气互联材料 167

6.3.5 密封材料 168

6.3.6 塑料外壳材料 170

6.3.7 功率半导体芯片 170

6.4 IGBT模块封装设计 171

6.4.1 热设计 172

6.4.2 功能单元 174

6.4.3 仿真技术应用 175

6.5 典型封装技术与工艺 183

6.5.1 焊接过程 184

6.5.2 清洗 185

6.5.3 键合 188

6.5.4 灌胶保护 189

6.5.5 测试 190

6.6 IGBT模块封装技术的新进展 190

6.6.1 低温烧结技术 190

6.6.2 压接技术 191

6.6.3 双面散热技术 192

6.6.4 引线技术 192

6.6.5 端子连接技术 193

6.6.6 SiC器件封装 194

参考文献 194

第7章 器件测试 195

7.1 静态参数 195

7.1.1 集电极-发射极电压U CES 195

7.1.2 栅极-发射极电压U GES 196

7.1.3 最大集电极连续电流IC 197

7.1.4 最大集电极峰值电流ICM 197

7.1.5 集电极截止电流I CES 198

7.1.6 栅极漏电流I GES 199

7.1.7 集电极-发射极饱和电压U CEsat 199

7.1.8 栅极-发射极阈值电压UGE（th） 200

7.2 动态参数 200

7.2.1 输入电容C ies 201

7.2.2 输出电容C oes 202

7.2.3 反向传输电容C res 203

7.2.4 栅极电荷Q G 203

7.2.5 栅极内阻r g 204

7.2.6 开通期间的各时间间隔和开通能量 205

7.2.7 关断期间的各时间间隔和关断能量 206

7.3 热阻 208

7.3.1 IGBT的热阻定义 208

7.3.2 结-壳热阻R th（j-）和结-壳瞬态热阻抗Z th（j-c） 208

7.4 安全工作区 211

7.4.1 最大反偏安全工作区RBSOA 211

7.4.2 最大短路安全工作区SCSOA 213

7.4.3 最大正偏安全工作区FBSOA 215

7.5 UIS测试 217

7.6 可靠性参数测试 218

7.6.1 高温阻断试验（HTRB） 220

7.6.2 高温栅极偏置（HTGB） 220

7.6.3 高温高湿反偏（H3TRB） 221

7.6.4 间歇工作寿命（PC） 222

7.6.5 温度循环（TC） 223

参考文献 224

第8章 器件可靠性和失效分析 225

8.1 器件可靠性 225

8.1.1 闩锁电流 225

8.1.2 雪崩耐量 231

8.1.3 抗短路能力 235

8.1.4 抗辐射能力 238

8.2 器件失效分析 242

8.2.1 过电压失效 243

8.2.2 过电流与过热失效 246

8.2.3 机械应力失效分析 250

8.2.4 辐射失效分析 252

参考文献 254

第9章 器件应用 256

9.1 IGBT应用系统介绍 256

9.1.1 IGBT损耗的计算 257

9.1.2 IGBT电压、电流等级选取 258

9.2 IGBT驱动电路与设计 259

9.2.1 IGBT的栅极驱动电路 260

9.2.2 栅极电阻选取 260

9.2.3 驱动电流 262

9.2.4 栅极保护 262

9.2.5 死区时间 263

9.3 IGBT保护电路 263

9.3.1 过电流保护电路 264

9.3.2 过电压保护电路 265

9.3.3 过热保护电路 266

9.3.4 典型的驱动电路示例 267

9.4 IGBT评估测试 267

9.4.1 双脉冲测试法 267

9.4.2 双脉冲测试设备 268

参考文献 273

第10章 衍生器件及SiC-IGBT 274

10.1 双向IGBT 274

10.1.1 基本结构 274

10.1.2 器件特性 276

10.1.3 工艺实现方法 278

10.2 逆导IGBT 279

10.2.1 基本结构 280

10.2.2 器件特性 280

10.2.3 工艺实现方法 283

10.3 逆阻IGBT 283

10.3.1 基本结构 283

10.3.2 器件特性 283

10.3.3 工艺实现方法 284

10.4 超结IGBT 284

10.4.1 基本结构 285

10.4.2 器件特性 285

10.4.3 工艺实现方法 287

10.5 SiC-IGBT 288

参考文献 292