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目录 1

第一章 电力电子器件的发展概况 1

1.1双极功率晶体管 2

1.2晶闸管与可关断晶闸管（GTO） 2

1.3MOS控制晶闸管（MCT） 3

1.4功率MOSFET 4

1.5绝缘栅双极晶体管（IGBT） 5

1.6静电感应晶体管（SIT）与静电感应晶闸管（SITH） 7

1.7功率集成电路（PIC） 8

1.7.1高压集成电路（HVIC） 8

1.7.2智能功率集成电路（SPIC） 8

参考文献 11

2.1.1简单级连达林顿晶体管 12

2.1达林顿晶体管 12

第二章 巨型晶体管（GTR） 12

2.1.2实用功率达林顿晶体管 13

2.1.3功率达林顿晶体管中的电阻 14

2.1.4R1阻值与Ib、Icm的关系 15

2.1.5R1、R2电阻阻值对器件开关特性的影响 16

2.2功率达林顿器件的版图设计方法 17

2.3功率达林顿器件的纵向结构与参数设计 19

2.3.1高阻层厚度及电阻率的确定 19

2.3.2结深的控制原则 20

2.3.3基区表面浓度与次表面浓度对器件性能的影响 20

2.4功率达林顿晶体管的特性曲线 21

2.5GTR模块及其特点 22

2.6.1发射区图形的设计 24

2.6GTR的芯片设计 24

2.6.2GTR芯片内部各管面积的分配及布局 25

2.6.3GTR芯片内部电阻R1～R3的设计 26

2.6.4芯片设计中电阻对GTR性能影响的定量分析 27

2.7GTR的结构设计 27

2.7.1GTR的内部结构 28

2.7.2GTR的外部结构 29

2.7.3GTR的电路结构 30

2.7.4GTR模块的热阻 32

2.8GTR模块的并联使用 33

2.8.1均流 33

2.8.2并联使用GTR 34

习题与思考题 36

参考文献 37

第三章 晶闸管与GTO 38

3.1晶闸管的结构及工作原理 . 38

3.2晶闸管的主要参数及性能 40

3.2.1晶闸管的主要参数及意义 40

3.2.2晶闸管的di/dt、dv/dt耐量 41

3.2.3晶闸管的功率损耗 42

3.3晶闸管的派生器件 42

3.3.1几种主要派生器件简介 42

3.3.2双向晶闸管 43

3.3.3光控晶闸管 44

3.4GTO的结构及最新技术概况 46

3.5.1GTO的导通特性 48

3.5GTO的电特性与基本工作原理 48

3.5.2GTO的关断特性 49

3.5.3GTO的主要参数 50

3.6门极关断能力及再导通机理的分析 51

3.6.1影响ITM的主要因素 52

3.6.2GTO再导通机理的分析 54

3.7大容量GTO的设计与制造 56

3.7.1耐压设计 56

3.7.2a1与a2的设计 57

3.7.3电流集中现象与阴极图形 58

3.8GTO的改进 59

3.8.1高频双栅GTO 59

3.8.2高频逆导GTO 60

习题与思考题 62

参考文献 63

第四章 MOS控制晶闸管（MCT） 64

4.1MCT的结构及工作原理 64

4.2MCT关断能力的分析 66

4.2.1三种自关断器件的比较 66

4.2.2MCT的关断机理 67

4.2.3MCT的关断条件 67

4.3MCT的设计方法 69

4.3.1主要电学参数的设计 69

4.3.2元胞和器件的结构设计 70

4.3.3工艺设计 71

4.4.1双横向MOS控制晶闸管（BMCT） 72

4.4MCT器件的改进与发展 72

4.4.2耗尽型MOS控制晶闸管（DMT） 75

4.4.3发射极开关晶闸管（EST） 77

4.4.4基区电阻可控晶闸管（BRT） 79

习题与思考题 80

参考文献 81

第五章 功率MOSFET 82

5.1功率MOSFET的种类 82

5.1.1高压LDMOSFET 82

5.1.2VVMOSFET 84

5.2高压VDMOS器件的结构及工作原理 88

5.2.1器件结构及原理 88

5.2.2VDMOS器件的特点 89

5.3.1导通电阻Ron 91

5.3高压VDMOS器件的主要电学参数 91

5.3.2漏源电流IDS 93

5.3.3漏源击穿电压BVDS 94

5.3.4阈值电压Vth 95

5.4高压VDMOS器件的设计方法 95

5.4.1高压VDMOSFET的版图设计 95

5.4.2功率VDMOSFET的纵向结构及工艺设计 99

5.5功率VDMOSFET的设计考虑 103

5.5.1寄生电容的设计考虑 103

5.5.2大面积化的设计考虑 104

5.5.3功率VDMOSFET的安全工作区 105

习题与思考题 107

参考文献 108

6.1IGBT器件的结构及工作原理 109

第六章 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 109

6.2IGBT器件的特性 112

6.2.1IGBT器件的开关特性 112

6.2.2IGBT器件的功率损耗特性 113

6.3IGBT器件的闭锁效应 115

6.3.1产生闭锁的条件 115

6.3.2闭锁特性的理论分析 116

6.4提高抗闭锁能力的具体措施 120

6.4.1减小短路电阻RS1 121

6.4.2背面定域P+扩散法与阳极短路法 121

6.4.3加一薄的N+缓冲层 121

6.5几个关键参数之间的折衷方案 123

6.5.1开关速度和正向压降的最佳化 123

6.4.5选择合理的栅源结构 123

6.4.4控制少数载流子寿命 123

6.5.2正向压降分别与阻断电压和闭锁电流的折衷关系 125

6.5.3阻断电压和开关速度的折衷关系 125

6.6IGBT器件的版图形式及优化设计 126

6.6.1元胞的种类 126

6.6.2元胞图形的优化设计 127

6.7IGBT器件的纵向结构及相关工艺 129

6.7.1IGBT器件的纵向结构及终端形式 129

6.7.2IGBT器件的相关技术及工艺 130

6.8IGBT的派生器件 133

6.8.1VDMOS-LIGBT 134

6.8.2CMDMOS器件 135

6.8.3IGBT器件的开发技术 138

习题与思考题 140

参考文献 142

第七章 静电感应晶体管（SIT） 144

7.1SIT的结构及工作原理 144

7.1.1SIT的结构 144

7.1.2SIT的I-V特性和电流传输机理 144

7.2SIT特性的理论分析 147

7.2.1SIT直流特性分析 147

7.2.2二维电势函数 148

7.2.3电流分析 149

7.3.1结构参数的影响 151

7.3影响SIT器件I-V特性的主要参数 151

7.3.2沟道串联电阻及温度的影响 153

7.4SIT的制造技术及工艺 154

7.4.1表面栅结构SIT的制造 154

7.4.2埋栅结构SIT的制造 155

7.5双极静电感应晶体管（BSIT）的基本结构 157

7.6BSIT主要电参数分析 159

7.6.1阻断电压VDS 159

7.6.2电流增益hFS 160

7.6.3动态饱和压降 161

7.6.4导通电阻 162

习题与思考题 163

参考文献 164

8.1SITH器件的基本结构 165

8.1.1埋栅型SITH 165

第八章 静电感应晶闸管（SITH） 165

8.1.2平面型SITH与垂直沟道型SITH 166

8.1.3带N缓冲层的SITH 167

8.1.4阳极短路型SITH 167

8.1.5DTT型SITH 168

8.2SITH的基本特性和作用机制 169

8.2.1SITH的正向导通特性 169

8.2.2SITH的正向阻断特性 169

8.2.3SITH的反向阻断特性 170

8.3SITH的动态特性 170

8.3.1反向恢复特性与关断时间 171

8.3.2di/dt容量 172

8.3.3dv/dt容量 173

8.4SITH的高温特性 175

8.4.1高温反向阻断容量 175

8.4.2高温正向阻断特性 175

8.5SITH的设计与制造 176

8.5.1设计与制造中需要考虑的几个问题 176

8.5.2SITH制造的工艺过程 177

习题与思考题 179

参考文献 180

第九章 功率集成电路（PIC） 181

9.1SPIC的相关技术 182

9.1.1隔离技术 182

9.1.2SDB技术 187

9.1.3结的终端技术 189

9.2.1高压IC的组成 192

9.2高压IC-HVIC的设计 192

9.2.2高压IC的设计举例 195

9.2.3高压IC工艺 198

9.2.4高压功率IC的设计考虑 200

9.3Smart功率IC的设计 201

9.3.1SPIC的基本组成 201

9.3.2SPIC的保护电路 202

9.3.3SPIC的参数设计 205

9.3.4SPIC的设计举例 206

习题与思考题 212

参考文献 213

10.1器件模拟的基础知识 214

10.1.1有限元方法 214

第十章 电力电子器件的计算机模拟 214

10.1.2有限差分法 218

10.2电力电子器件数值分析程序简介 220

10.2.1二维半导体器件模拟器PISCES-Ⅱ 220

10.2.2高压与功率器件数值分析程序GEDS 227

10.2.3半导体器件模拟程序SEDAN 234

10.3电力电子器件的二维模拟实例 236

10.3.1IGBT器件的PISCES模拟过程分析 236

10.3.2GTR的二维数值模拟 248

10.4通用电路模拟程序在电力电子器件仿真中的应用 251

10.4.1SPICE及PSPICE中电力电子器件的仿真模型 252

10.4.2模型参数的提取 257

10.4.3几种电力电子器件的SPICE和PSPICE仿真实例 260

习题与思考题 264

参考文献 265