导语

  

内容提要

  

    本书介绍了功率半导体器件的原理、结构、特性和可靠性技术，器件部分涵盖了当前电力电子技术中使用的各种类型功率半导体器件，包括二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT和功率集成器件等。此外，还包含了制造工艺、测试技术和损坏机理分析。就其内容的全面性和结构的完整性来说，在同类专业书籍中是不多见的。
    本书内容新颖，紧跟时代发展，除了介绍经典的功率二极管、晶闸管外，还重点介绍了MOSFET、IGBT等现代功率器件，颇为难得的是收入了近年来有关功率半导体器件的最新成果，如SiC，GaN器件，以及场控宽禁带器件等。本书是一本精心编著、并根据作者多年教学经验和工程实践不断补充更新的好书，相信它的翻译出版必将有助于我国电力电子事业的发展。
    本书的读者对象包括在校学生、功率器件设计制造和电力电子应用领域的工程技术人员及其他相关专业人员。本书适合高等院校有关专业用作教材或专业参考书，亦可被电力电子学界和广大的功率器件和装置生产企业的工程技术人员作为参考书之用。

译者的话
原书第2版序言
原书第1版序言
常用符号
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  装置、电力变流器和功率半导体器件
    1.1.1  电力变流器的基本原理
    1.1.2  电力变流器的类型和功率器件的选择
  1.2  使用和选择功率半导体
  1.3  功率半导体的应用
  1.4  用于碳减排的电力电子设备
  参考文献
第2章  半导体的性质
  2.1  引言
  2.2  晶体结构
  2.3  禁带和本征浓度
  2.4  能带结构和载流子的粒子性质
  2.5  掺杂的半导体
  2.6  电流的输运
    2.6.1  载流子的迁移率和场电流
    2.6.2  强电场下的漂移速度
    2.6.3  载流子的扩散，电流输运方程式和爱因斯坦关系式
  2.7  复合-产生和非平衡载流子的寿命
    2.7.1  本征复合机理
    2.7.2  包含金、铂和辐射缺陷的复合中心上的复合
  2.8  碰撞电离
  2.9  半导体器件的基本公式
  2.10  简单的结论
    2.10.1  少数载流子浓度的时间和空间衰减
    2.10.2  电荷密度的时间和空间衰减
  参考文献
第3章  pn结
  3.1  热平衡状态下的pn结
    3.1.1  突变结
    3.1.2  缓变结
  3.2  pn结的I-V特性
  3.3  pn结的阻断特性和击穿
    3.3.1  阻断电流
    3.3.2  雪崩倍增和击穿电压
    3.3.3  宽禁带半导体的阻断能力
  3.4  发射区的注入效率
  3.5  pn结的电容
  参考文献
第4章  功率器件工艺的介绍
  4.1  晶体生长
  4.2  通过中子嬗变来调节晶片的掺杂
  4.3  外延生长
  4.4  扩散
    4.4.1  扩散理论，杂质分布
    4.4.2  掺杂物的扩散系数和溶解度
    4.4.3  高浓度效应，扩散机制
  4.5  离子注入
  4.6  氧化和掩蔽
  4.7  边缘终端
    4.7.1  斜面终端结构
    4.7.2  平面结终端结构
    4.7.3  双向阻断器件的结终端
  4.8  钝化
  4.9  复合中心
    4.9.1  用金和铂作为复合中心
    4.9.2  辐射引入的复合中心
    4.9.3  Pt和Pd的辐射增强扩散
  4.10  辐射引入杂质
  4.11  GaN器件工艺的若干问题
  参考文献
第5章  pin二极管
  5.1  pin二极管的结构
  5.2  pin二极管的I-V特性
  5.3  pin二极管的设计和阻断电压
  5.4  正向导通特性
    5.4.1  载流子的分布
    5.4.2  结电压
    5.4.3  中间区域两端之间的电压降
    5.4.4  在霍尔近似中的电压降
    5.4.5  发射极复合、有效载流子寿命和正向特性
    5.4.6  正向特性和温度的关系
  5.5  储存电荷和正向电压之间的关系
  5.6  功率二极管的开通特性
  5.7  功率二极管的反向恢复
    5.7.1  定义
    5.7.2  与反向恢复有关的功率损耗
    5.7.3  反向恢复：二极管中电荷的动态
    5.7.4  具有最佳反向恢复特性的快速二极管
    5.7.5  MOS控制二极管
  5.8  展望
  参考文献
第6章  肖特基二极管
  6.1  金属-半导体结的能带图
  6.2  肖特基结的I-V特性
  6.3  肖特基二极管的结构
  6.4  单极型器件的欧姆电压降
    6.4.1  额定电压为200V和100V的硅肖特基二极管与pin二极管的比较
  6.5  SiC肖特基二极管
    6.5.1  SiC单极二极管特性
    6.5.2  组合pin肖特基二极管
    6.5.3  SiC肖特基和MPS二极管的开关特性和耐用性
  参考文献
第7章  双极型晶体管
  7.1  双极型晶体管的工作原理
  7.2  功率双极型晶体管的结构
  7.3  功率晶体管的I-V特性
  7.4  双极型晶体管的阻断特性
  7.5  双极型晶体管的电流增益
  7.6  基区展宽、电场再分布和二次击穿
  7.7  硅双极型晶体管的局限性
  7.8  SiC双极型晶体管
  参考文献
第8章  晶闸管
  8.1  结构与功能模型
  8.2  晶闸管的I-V特性
  8.3  晶闸管的阻断特性
  8.4  发射极短路点的作用
  8.5  晶闸管的触发方式
  8.6  触发前沿扩展
  8.7  随动触发与放大门极
  8.8  晶闸管关断和恢复时间
  8.9  双向晶闸管
  8.10  门极关断晶闸管
  8.11  门极换流晶闸管
  参考文献
第9章  MOS晶体管及场控宽禁带器件
  9.1  MOSFET的基本工作原理
  9.2  功率MOSFET的结构
  9.3  MOS晶体管的I-V特性
  9.4  MOSFET沟道的特性
  9.5  欧姆区域
  9.6  现代MOSFET的补偿结构
  9.7  MOSFET特性的温度依赖性
  9.8  MOSFET的开关特性
  9.9  MOSFET的开关损耗
  9.10  MOSFET的安全工作区
  9.11  MOSFET的反并联二极管
  9.12  SiC场效应器件
    9.12.1  SiC JFET
    9.12.2  SiC MOSFET
    9.12.3  SiC MOSFET体二极管
  9.13  GaN横向功率晶体管
  9.14  GaN纵向功率晶体管
  9.15  展望
  参考文献
第10章  IGBT
  10.1  功能模式
  10.2  IGBT的I-V特性
  10.3  IGBT的开关特性
  10.4  基本类型：PT-IGBT和NPT-IGBT
  10.5  IGBT中的等离子体分布
  10.6  提高载流子浓度的现代IGBT
    10.6.1  高n发射极注入比的等离子增强
    10.6.2  无闩锁元胞几何图形
    10.6.3  “空穴势垒”效应
    10.6.4  集电极端的缓冲层
  10.7  具有双向阻断能力的IGBT
  10.8  逆导型IGBT
  10.9  IGBT的潜力
  参考文献
第11章  功率器件的封装
  11.1  封装技术面临的挑战
  11.2  封装类型
    11.2.1  饼形封装
    11.2.2  TO系列及其派生
    11.2.3  模块
  11.3  材料的物理特性
  11.4  热仿真和热等效电路
    11.4.1  热参数与电参数间的转换
    11.4.2  一维等效网络
    11.4.3  三维热网络
    11.4.4  瞬态热阻
  11.5  功率模块内的寄生电学元件
    11.5.1  寄生电阻
    11.5.2  寄生电感
    11.5.3  寄生电容
  11.6  先进的封装技术
    11.6.1  银烧结技术
    11.6.2  扩散钎焊
    11.6.3  芯片顶部接触的先进技术
    11.6.4  改进后的衬底
    11.6.5  先进的封装理念
  参考文献
第12章  可靠性和可靠性试验
  12.1  提高可靠性的要求
  12.2  高温反向偏置试验
  12.3  高温栅极应力试验
  12.4  温度湿度偏置试验
  12.5  高温和低温存储试验
  12.6  温度循环和温度冲击试验
  12.7  功率循环试验
    12.7.1  功率循环试验的实施
    12.7.2  功率循环诱发的失效机理
    12.7.3  寿命预测模型
    12.7.4  失效模式的离析
    12.7.5  功率循环的任务配置和叠加
    12.7.6  TO封装模块的功率循环能力
    12.7.7  SiC器件的功率循环
  12.8  宇宙射线失效
    12.8.1  盐矿试验
    12.8.2  宇宙射线的由来
    12.8.3  宇宙射线失效模式
    12.8.4  基本的失效机理模型
    12.8.5  基本的设计规则
    12.8.6  考虑nn+结后的扩展模型
    12.8.7  扩展模型设计的新进展
    12.8.8  SiC器件的宇宙射线稳定性
  12.9  可靠性试验结果的统计评估
  12.10  可靠性试验的展望
  参考文献
第13章  功率器件的损坏机理
  13.1  热击穿——温度过高引起的失效
  13.2  浪涌电流
  13.3  过电压——电压高于阻断能力
  13.4  动态雪崩
    13.4.1  双极型器件中的动态雪崩
    13.4.2  快速二极管中的动态雪崩
    13.4.3  具有高动态雪崩能力的二极管结构
    13.4.4  IGBT关断过程中的过电流和动态雪崩
  13.5  超出GTO的最大关断电流
  13.6  IGBT的短路和过电流
    13.6.1  短路类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
    13.6.2  短路的热、电应力
    13.6.3  短路时的电流丝
  13.7  IGBT电路失效分析
  参考文献
第14章  功率器件的感应振荡和电磁干扰
  14.1  电磁干扰的频率范围
  14.2  LC振荡
    14.2.1  并联IGBT的关断振荡
    14.2.2  阶跃二极管的关断振荡
    14.2.3  宽禁带器件的关断振荡
  14.3  渡越时间振荡
    14.3.1  等离子体抽取渡越时间振荡
    14.3.2  动态碰撞电离渡越时间振荡
    14.3.3  动态雪崩振荡
    14.3.4  传输时间振荡的总结
  参考文献
第15章  集成电力电子系统
  15.1  定义和基本特征
  15.2  单片集成系统——功率IC
  15.3  GaN单片集成系统
  15.4  印制电路板上的系统集成
  15.5  混合集成
  参考文献
附录A  Si与4H-SiC中载流子迁移率的建模参数
附录B  复合中心及相关参数
附录C  雪崩倍增因子与有效电离率
附录D  封装技术中重要材料的热参数
附录E  封装技术中重要材料的电参数