功率半导体器件 理论及应用PDF电子书下载

目录 1

1　半导体的性质 1

1.1 带电载流子和半导体能带结构 1

1.2 自由载流子浓度 3

1.3 半导体的电导率 8

1.3.1 决定电导率的因素 8

1.3.2 决定硅中载流子迁移率的因素 10

1.4 过剩载流子的产生与复合 14

1.4.1 平衡和非平衡条件 14

1.4.2 通过局域陷阱中心的复合 15

1.4.3 其他复合过程 21

1.5 载流子的扩散和漂移 23

1.6 非均匀掺杂的影响 25

总结 27

参考文献 28

2　基本的半导体结构 29

2.1 p-n结及其基本性质 29

2.1.1 电流-电压特性 29

2.1.2 反向偏置 36

2.1.3 电击穿 39

2.1.4 热击穿和热奔 43

2.1.5 光照对p-n结特性的影响 44

2.1.6　p-n结的瞬态特性 45

2.2 n-n＋和p-p＋结 49

2.3 表面效应和MOS结构 51

2.4　金属-半导体接触 53

2.4.1 整流（肖特基）接触 54

2.4.2 欧姆接触 56

总结 57

参考文献 57

3　器件、制造和模拟 59

3.1 各类功率半导体器件 59

3.1.1 功率二极管 61

3.1.2 常规的双极功率晶体管 61

3.1.3 晶闸管结构 65

3.1.4 结型场效应（静电感应）器件 67

3.1.5 功率MOS结构1：功率MOSFET 71

3.1.6 功率MOS结构2：绝缘栅双极晶体管（IGBT） 71

3.1.7 功率MOS结构3：MOS控制晶闸管（MCT） 73

3.1.8器件特性总结 74

3.2 制造工艺 80

3.2.1 高纯度单晶硅的制备 80

3.2.3 外延生长 84

3.2.2 硅片制备 85

3.2.4 热氧化 85

3.2.5 光刻 86

3.2.6 刻蚀工艺 87

3.2.7 杂质的引入及再分布1：扩散 89

3.2.8 杂质的引入及再分布2：离子注入 92

3.2.9 化学气相淀积技术 93

3.2.10　接触的制备 94

3.3 载流子寿命控制 96

3.3.1 获得长载流子寿命的技术 96

3.3.2　减小载流子寿命的技术 97

3.4 高压结构 99

3.5 计算机模拟及仿真技术 104

总结 105

参考文献 106

4　功率半导体器件的应用 107

4.1 不控整流 107

4.2 可控整流 109

4.3 交流到交流的变换 110

4.4 逆变器 112

4.5 非隔离型直流到直流变换器 117

4.6 变压器隔离型直流到直流变换器 118

4.7 功率因数校正 121

4.8 谐振电路 122

总结 123

参考文献 123

5　功率二极管 124

5.1 正偏下的二极管 124

5.2 功率二极管的反向特性 132

5.3.1 从反偏到正偏的转换 135

5.3 功率二极管中的瞬态过程 135

5.3.2 从正偏到反偏的转换 136

5.4 功率肖特基二极管 145

5.5 硅功率二极管的应用 147

5.5.1 工频应用 147

5.5.2 快速开关应用 147

总结 148

参考文献 148

6　双极结型功率晶体管 150

6.1 双极结型晶体管结构的基本特性 150

6.2 功率晶体管的基本特性 155

6.2.1 高压问题 155

6.2.2 晶体管的工作区 156

6.2.3 大电流问题：集电区电导率调制和基区扩展效应 158

6.2.4 其他的大电流密度效应和温度效应 163

6.3 功率晶体管的动态行为 165

6.3.1 开通 165

6.3.2 关断 168

6.4 安全工作区 171

6.5 功率达林顿组合 174

6.6 功率晶体管的应用 176

总结 176

参考文献 177

7.1 稳态工作 178

7.1.1 反向阻断态 178

7　晶闸管：基本工作原理 178

7.1.2 正向阻断态 180

7.1.3 用以实现高击穿电压的表面形状 180

7.1.4 正向导通态 182

7.2 用以分析晶闸管开关工作的双晶体管模型 185

7.3 开通的瞬态过程 188

7.3.1 由门极触发的开通 190

7.3.2 临界di/dt 195

7.3.3 临界dV/dt 197

7.4 关断的瞬态过程 199

7.4.1 利用电路换向关断 199

7.4.3门极关断 202

7.4.2 利用减小正向电流关断 202

总结 209

参考文献 210

8　各类晶闸管及其应用 211

8.1 相控晶闸管 211

8.2 用于高速领域的晶闸管 213

8.2.1 非对称晶闸管（ASCR） 214

8.2.2 逆导晶闸管（RCT） 216

8.2.3 门极辅助关断晶闸管（GATT） 217

8.3 门极可关断晶闸管（GTO） 219

8.4 双向晶闸管（TRIAC） 226

8.5 光触发晶闸管（LTT） 228

8.6 转折二极管（BOD） 230

总结 231

参考文献 231

9　静电感应功率器件 233

9.1 静电感应晶体管 233

9.2 场控二极管或静电感应晶闸管 238

9.2.1　门极关断 240

9.2.2　dV/dt耐量 241

9.2.3 开通过程 241

总结 242

参考文献 242

10.1.1 通态 243

10.1 MOS晶体管的工作原理 243

10　金属-氧化物-半导体场效应功率晶体管 243

10.1.2 饱和条件 248

10.2 纵向功率MOSFET的设计 248

10.2.1 静态特性 249

10.2.2 参数随频率的变化 257

10.3 功率MOSFET的开关特性 259

10.3.1 开通过程 259

10.3.2 关断过程 261

10.3.3 开关参数随频率的变化 262

10.4 安全工作区（SOA） 265

总结 267

参考文献 267

11　双极-MOS功率器件 268

11.1.1 静态参数 269

11.1 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 269

11.1.2　开关特性 273

11.1.3 参数随频率的变化及器件的SOA 277

11.1.4 穿通（PT）和非穿通（NPT）IGBT 278

11.1.5 IGBT的发展 280

11.2 MOS控制晶闸管（MCT） 281

11.3 其他双极-MOS结构 284

11.3.1 横向IGBT 284

11.3.2　IBT 285

11.3.3 并联器件的单片集成 285

参考文献 287

总结 287

12　功率模块和集成结构 289

12.1　功率模块 290

12.2 功率集成电路 295

12.3 灵巧功率器件：智能功率器件和集成电路 297

总结 301

参考文献 301

13　可靠工作的条件 302

13.1 功率半导体器件的冷却 302

13.1.1 热阻和瞬态热阻抗 303

13.1.2 功率半导体器件的封装 306

13.1.3 热沉 312

13.1.4 器件-热沉界面的热阻 318

13.2 功率半导体器件的并联和串联 319

13.2.1 器件并联 319

13.2.2器件串联 321

13.3 功率半导体器件的过流和过压保护 324

13.3.1过压保护 324

13.3.2过流保护 328

13.4 功率半导体器件的工作可靠性 329

总结 332

参考文献 333

14　未来的材料和器件 334

14.1 硅以外的材料 334

14.2　砷化镓器件 336

14.3　碳化硅器件 337

14.4　金刚石器件 337

参考文献 338

附录　扩散方程 339

A.1 基本概念 339

A.2 复合的影响 340

A.3　求解方法 340

A.3.1 拉普拉斯变换 340

A.3.2 分离变量法 341

A.4 恒定电流条件 342

参考文献 342

中英文对照 343