功率半导体器件--原理特性和可靠性(原书第2版)/新型电力电子器件丛书
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作者(德)约瑟夫·卢茨//海因里希·施兰格诺托//乌维·朔伊尔曼//里克·德·当克尔
出版社机械工业出版社
ISBN9787111640295
出版时间2020-01
装帧平装
开本16开
定价150元
货号1202002948
上书时间2024-06-28
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目录
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 具有很好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
内容摘要
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近期新成果，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。
精彩内容
译者原书第2版序言本书第1版被业界的专业人士广泛使用并接受。功率器件的快速发展使得有必要对原书更新再版修订。在第2版里，修改并大幅增加了扩散原理的阐述。增加了300mm硅IGBT的工艺。辐射引入掺杂和GaN（氮化镓）工艺是全新的章节。在关于肖特基二极管的章节里，对金属半导体结物理学的改进处理做了修订，并增加了关于组合肖特基二极管的内容。在晶闸管章节，增加了门极换流晶闸管GCT的描述。MOS晶体管和场控宽禁带器件章节取代了之前MOSFET的章节。尽管宽禁带器件取得了长足进步，但IGBT依然被认为是未来功率器件的主流。本书增加了逆导型IGBT的描述，并讨论了IGBT的未来潜力。基于封装技术的快速进步，之前关于封装的章节由下面两个章节来取代：“功率器件的封装”以及“可靠性和可靠性试验”。关于可靠性的章节被大幅扩展，尤其是新的试验方法和宽禁带器件。一个关于宇宙射线引发的失效的综述也加在这个章节里面。最后，本书还增加了关于瞬态雪崩振荡的近期新研究成果及单片集成的GaN器件的进展。功率器件行业的几位研究人员在本书编写过程中提供了有用的讨论、建议和评论，他们是ABB Semiconductors（ABB半导体）的Arnost Kopta和Munaf Rahimo，EpiGaN的Markus Behet，Fraunhofer IAF Freiburg的Richard Reiner，Fuji Electric（富士电机）的Daniel Hofmann，Infineon（英飞凌）的Thomas Laska，Roland Rupp，HansJoachim Schulze和Ralf Siemieniec，Navitas的Dan Kinzer，Semikron的Marion Junghnel，丰田汽车的Tomoyuki Shoji，Bremen大学的Nando Kaminski，Chemnitz工业大学的Ulrich Schwarz，Kassel大学的Christian Felgemacher，BadenWuerttemberg Cooperative 州立大学的Axel Richter。在Chemnitz 工业大学的几位硕士和博士研究生也提供了大力支持，特别是Menia BeierMbius、Riteshkumar Bnojani、Haiyang Cao、Susanne Fichtner、Jrg Franke、Christian Herold、Shanmuganathan Palanisamy、Peter Seidel和Guang Zeng。Stefanie Glckner帮助修改了英文。最后，作者要感谢功率电子行业很多其他的学者和学生，感谢他们对第2版的点评和讨论。Josef LutzHeinrich SchlangenottoUwe ScheuermannRik De Doncker原书第1版序言电力电子技术在工业和社会中变得越来越重要。它有显著提高电力系统效率的潜力，而这是很重要的。为了发掘这一潜能，不论是开发或改进器件的工程师，还是电力电子技术领域的应用工程师，都需要理解功率半导体器件的基本原理。另外，因为半导体器件只有在适当的环境下才能实现它的正常功能，为了可靠的应用，连接技术、相关材料的封装技术和冷却问题都必须加以考虑。本书的读者包括学生和功率器件设计及电力电子技术应用领域工作的工程师。本书侧重于现代半导体开关器件(例如功率MOSFET和IGBT)，以及必需的续流二极管。在实践中，工程师可以从本书中对某个器件的内容入手展开工作。每一个章节先开始描述器件的结构和通用特性，然后针对其物理工作原理仔细加以阐述。深入地讨论所需的半导体物理原理，pn结的工作原理和基本工艺技术。这些题目在本书中有深入分析，所以本书对半导体器件的专业人士也具有价值。本书中的某些题目是第一次在关于功率器件的英文教科书中仔细阐述。在器件物理中，我们将详细讨论现代功率器件里用来控制正向和开关特性的发射极复合。我们会给出关于发射极复合特性参数影响的详细讨论。另外，基于对用于可靠性应用的封装技术重要性的认知日益增强，本书还包含了关于封装和可靠性的章节。在电力电子系统的开发中，工程师们经常会遇到失效及其没有预见到的后果，以及为了查找失效的根本原因而费时工作。所以，本书还给出了关于从长期实践中获得的失效机理和供电电路中的振荡效应的章节。本书是JLutz在Chemnitz科技大学有关“功率器件”的讲义，以及早前HSchlangenotto在Darmstadt科技大学于1991～2001年有关“功率器件”的讲义的基础上编写而成的。基于这些讲义和附加的关于新器件、封装、可靠性和失效机制的大量内容，Lutz于2006年发表了德文教科书HalbleiterLeistungsbauelemente：Physik,Eigenschaften,Zuverlssigkeit。这本英文教科书不是德文版的简单翻译，而是增添了大量新的内容。关于半导体性质和pn结的章节，以及pin二极管章节的一部分内容是由HSchlangenotto改写和充实的。JLutz增添了关于晶闸管、MOSFET、IGBT和失效机理的章节。UScheuermann撰写了关于封装技术、可靠性和系统集成的章节。RDe Doncker提供了作为核心器件的功率器件的介绍。所有的作者都为其他非他们主笔的章节做出了贡献。一些功率器件领域的学者在本书编写过程中提供了翻译、建议和评论上的支持，并进行了有益的讨论。这些学者包括ABB半导体公司的Arnost kopta、Stefan Linder和Munaf Rahimo,BMW公司的Dieter Polenov，英飞凌（Infineon）公司的Thomas Laska、Anton Mauder、FranzJosef Niedernostheide、Ralf Siemieniec和Gerald Soelkner，斯德哥尔摩皇家工学院(KTH Stockholm)的Martin Domeij和And
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