功率半导体器件 原理、特性和可靠性PDF电子书下载

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

3.2 pn结的I-V特性 75

3.3 pn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

3.5 pn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

4.9.3 Pt和Pd的辐射增强扩散 128

参考文献 128

第5章pin二极管 132

5.1 pin二极管的结构 132

5.2 pin二极管的I-V特性 133

5.3 pin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

6.5 SiC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

7.8 SiC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

9.1 MOSFET的基本工作原理 235

9.2功率MOSFET的结构 236

9.3 MOS晶体管的I-V特性 237

9.4 MOSFET沟道的特性 238

9.5欧姆区域 241

9.6现代MOSFET的补偿结构 242

9.7 MOSFET的开关特性 246

9.8 MOSFET的开关损耗 249

9.9 MOSFET的安全工作区 250

9.10 MOSFET的反并联二极管 251

9.11 Sic场效应器件 255

9.12展望 257

参考文献 258

第10章IGBT 260

10.1功能模式 260

10.2 IGBT的1-V特性 262

10.3 IGBT的开关特性 263

10.4基本类型：PT-IGBT和NPT-IGBT 265

10.5 IGBT中的等离子体分布 268

10.6提高载流子浓度的现代IGBT 269

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IGBT 276

10.8逆导型IGBT 278

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

11.2.2 TO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

12.6 IGBT的短路和过电流 367

12.6.1短路类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 367

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

13.2 LC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IC 412

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A Si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