绝缘栅双极型晶体管＜IGBT＞设计与工艺/智能制作与装备制造业转型升级丛书
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作者赵善麒
出版社机械工业出版社
ISBN9787111604983
出版时间2018-10
装帧平装
开本16开
定价98元
货号30302413
上书时间2024-09-27
商品详情
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作者简介
赵善麒，江苏宏微科技股份有限公司董事长、总裁，研究员，享受国务院特殊津贴，是中国电工技术学会电力电子学会常务理事、中国电源学会理事和中国电工技术学会电气节能专委会理事。他是靠前首位电力半导体器件博士，1994年赴法国里昂国立科学学院从事博士后研究，曾在香港科技大学和美国从事多年研究工作。2006年，他在常州创办江苏宏微科技股份有限公司，公司设有江苏省“企业院士工作站”，并已承担10余项科研项目、3项省级科研项目，获得37项国家专利、3项靠前专利、2项软件著作权，拥有7项省高新技术产品。宏微科技被认定为科技部“国家重点高新技术企业” “国家高技术产业化示范基地”“江苏省高新技术企业”，是江苏省科技成果转化专项资金项目承担单位。他入选中组部“千人计划”和我省首批“双创计划”，并先后被江苏省委、省政府评为“江苏省劳动模范”、十大“江苏留学回国优选个人”，被江苏省侨办评为“江苏靠前创业新侨”。
目录
电力电子新技术系列图书序言
前言
第1章器件结构和工作原理1
1.1器件结构1
1.1.1基本特征与元胞结构 1
1.1.2纵向结构 3
1.1.3横向结构8
1.2工作原理与I-U特性11
1.2.1等效电路与模型11
1.2.2工作原理12
1.2.3物理效应14
1.2.4 I-U特性16
参考文献24
第2章器件特性分析26
2.1IGBT的静态特性26
2.1.1通态特性26
2.1.2阻断特性27
2.2IGBT的动态特性31
2.2.1开通特性31
2.2.2关断特性34
2.2.3频率特性40
2.3安全工作区44
2.3.1FBSOA44
2.3.2RBSOA44
2.3.3SCSOA45
参考文献46
第3章器件设计48
3.1关键电参数的设计48
3.1.1关键参数48
3.1.2需要协调的参数49
3.2有源区结构设计50
3.2.1元胞结构50
3.2.2栅极结构51
3.2.3栅极参数设计52
3.3终端结构设计54
3.3.1场限环终端设计54
3.3.2场板终端设计56
3.3.3横向变掺杂终端设计57
3.3.4深槽终端设计58
3.4纵向结构设计59
3.4.1漂移区设计59
3.4.2缓冲层设计60
3.4.3集电区设计62
3.4.4增强层设计63
参考文献65
第4章器件制造工艺67
4.1衬底材料选择67
4.1.1硅单晶材料67
4.1.2硅外延片69
4.2制作工艺流程69
4.2.1平面栅结构的制作69
4.2.2沟槽栅结构的制作73
4.3基本工艺77
4.3.1热氧化77
4.3.2掺杂79
4.3.3光刻85
4.3.4刻蚀88
4.3.5化学气相淀积92
4.3.6物理气相淀积94
4.3.7减薄与划片工艺95
4.4工艺质量与参数检测98
4.4.1工艺质量检测98
4.4.2工艺参数检测99
参考文献103
第5章器件仿真105
5.1半导体计算机仿真的基本概念105
5.1.1工艺仿真105
5.1.2器件仿真106
5.1.3电路仿真107
5.2器件仿真方法、软件及流程107
5.2.1器件仿真方法（TCAD）107
5.2.2器件仿真与工艺仿真软件108
5.2.3器件仿真流程111
5.3器件物理模型选取111
5.3.1流体力学能量输运模型111
5.3.2量子学模型113
5.3.3迁移率模型114
5.3.4载流子复合模型116
5.3.5雪崩产生模型118
5.4器件物理结构与网格划分119
5.5器件电特性仿真121
5.61200V/100A IGBT设计实例123
5.6.1元胞设计123
5.6.2终端设计128
5.6.3器件工艺设计131
参考文献144
第6章器件封装147
6.1封装技术概述147
6.2封装基本结构和类型149
6.3封装关键材料及工艺152
6.3.1绝缘基板及其金属化153
6.3.2底板材料160
6.3.3黏结材料162
6.3.4电气互联材料167
6.3.5密封材料168
6.3.6塑料外壳材料170
6.3.7功率半导体芯片170
6.4IGBT模块封装设计171
6.4.1热设计172
6.4.2功能单元174
6.4.3仿真技术应用175
6.5典型封装技术与工艺183
6.5.1焊接过程184
6.5.2清洗185
6.5.3键合188
6.5.4灌胶保护189
6.5.5测试190
6.6IGBT模块封装技术的新进展190
6.6.1低温烧结技术190
6.6.2压接技术191
6.6.3双面散热技术192
6.6.4引线技术192
6.6.5端子连接技术193
6.66SiC器件封装194
参考文献194
第7章器件测试195
7.1静态参数195
7.1.1集电极-发射极电压UCES195
7.1.2栅极-发射极电压UGES196
7.1.3最大集电极连续电流IC197
7.1.4最大集电极峰值电流ICM197
7.1.5集电极截止电流ICES198
7.1.6栅极漏电流IGES199
7.1.7集电极发射极饱和电压 UCEsat199
7.1.8栅极-发射极阈值电压 UGE(th)200
7.2动态参数200
7.2.1输入电容Cies201
7.2.2输出电容Coes202
7.2.3反向传输电容Cres203
7.2.4栅极电荷QG203
7.2.5栅极内阻rg204
7.2.6开通期间的各时间间隔和开通能量205
7.2.7关断期间的各时间间隔和关断能量206
7.3热阻208
7.3.1IGBT的热阻定义208
7.3.2结-壳热阻Rth(j-c)和结壳瞬态热阻抗Zth(j-c)208
7.4安全工作区211
7.4.1最大反偏安全工作区RBSOA211
7.4.2最大短路安全工作区SCSOA213
7.4.3最大正偏安全工作区FBSOA215
7.5UIS测试217
7.6可靠性参数测试218
7.6.1高温阻断试验（HTRB）220
7.6.2高温栅极偏置(HTGB）220
7.6.3高温高湿反偏（H3TRB）221
7.6.4间歇工作寿命（PC）222
7.6.5温度循环（TC）223
参考文献224
第8章器件可靠性和失效分析225
8.1器件可靠性225
8.1.1闩锁电流225
8.1.2雪崩耐量231
8.1.3抗短路能力235
8.1.4抗辐射能力238
8.2器件失效分析242
8.2.1过电压失效243
8.2.2过电流与过热失效246
8.2.3机械应力失效分析250
8.2.4辐射失效分析252
参考文献254
第9章器件应用256
9.1IGBT应用系统介绍256
9.1.1IGBT损耗的计算257
9.1.2IGBT电压、电流等级选取258
9.2IGBT驱动电路与设计259
9.2.1IGBT的栅极驱动电路260
9.2.2栅极电阻选取260
9.2.3驱动电流262
9.2.4栅极保护262
9.2.5死区时间263
9.3IGBT保护电路263
9.3.1过电流保护电路264
9.3.2过电压保护电路265
9.3.3过热保护电路266
9.3.4典型的驱动电路示例267
9.4IGBT评估测试267
9.4.1双脉冲测试法267
9.4.2双脉冲测试设备268
参考文献273
第10章衍生器件及SiC-IGBT274
10.1双向IGBT274
10.1.1基本结构274
10.1.2器件特性276
10.1.3工艺实现方法278
10.2逆导IGBT279
10.2.1基本结构280
10.2.2器件特性280
10.2.3工艺实现方法283
10.3逆阻IGBT283
10.3.1基本结构283
10.3.2器件特性283
10.3.3工艺实现方法284
10.4超结IGBT284
10.4.1基本结构285
10.4.2器件特性285
10.4.3工艺实现方法287
10.5SiC-IGBT288
参考文献292
内容摘要
IGBT是新型高频电力电子技术的CPU，是目前国家重点支持的核心器件，被广泛应用于国民经济的各个领域。本书共分10章，包括器件结构和工作原理、器件特性分析、器件设计、器件制造工艺、器件仿真、器件封装、器件测试、器件可靠性和失效分析、器件应用和衍生器件及SiC-IGBT。
本书面向电气、自动化、新能源等领域从事电力电子技术的广大工程技术人员和研究生，既满足从事器件设计、制造、封装、测试专业人员的知识和技术需求，也兼顾器件应用专业人员对器件深入了解以满足更好应用IGBT的愿望。
精彩内容
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是在金属氧化物半导体场效应晶体管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET) 和双极结型晶体管 (Bipolar Junction Transistor，BJT) 的基础上，结合两者优点发展起来的一种新型复合电力半导体器件。经过穿通型（Punch-Through，PT）IGBT、非穿通型 (Non-Punch-Through，NPT)IGBT和场阻止型（FieldStop，FS）IGBT等器件纵向结构的进化，从平面栅（Planar-Gate）IGBT、到沟槽栅（Trench-Gate）IGBT的栅结构演变，已成为高电压、大电流、高频电力电子装置中应用最为广泛的电力半导体器件。其应用遍布于工控领域，如电机调速、各种开关电源、UPS、静电感应加热等；家用电器，如变频空调、变频洗衣机、变频冰箱、电磁炉等；新能源领域，如太阳能逆变器、风能变流器、电动汽车、电能质量管理等；轨道交通，如动车、地铁的牵引系统、车厢的变流装备、车载空调等；还有，智能电网与物联网；城市照明与亮化工程；医疗器械和半导体装置；航天航空与军事等。使用IGBT，可以将原有电力电子装备的电能消耗降低10%～40%，根据Baliga教授引用的数据，1990～2010年的20年间，如果50%的电机采用IGBT调速控制技术，优选累计节约电能41.9万亿kW•h。同时，减少20.91万亿kg的二氧化碳排放。我国生产和利用的电机普遍低于三级能效标准，如果要达到这一标准，需要采用IGBT调速控制技术将电机整体能效提升5%～8%，届时，每年可节约电能2000亿kW•h左右，相当于两个三峡电站的年发电量，减少约1800亿kg的二氧化碳排放。可见，IGBT已经成为节能减排的核心器件，是电力电子装备中绿色的芯。目前我国IGBT的市场规模在2016年已经超过了100亿，约占优选市场的三分之一。未来几年在电动汽车、光伏及智能制造的牵引下，IGBT的需求量将以超过15%的年复合增长率增长。但具有中国“芯”的IGBT器件，市场占有率不高，产品系列化不全。国产IGBT器件要有大发展，需要从设计方法、芯片制造工艺、封装、测试及可靠性技术方面下功夫，需要扎扎实实地做好大量的基础工作。作为“电力电子新技术系列图书”中的一册，本书系统地介绍了IGBT器件基本结构和工作原理、静动态特性、仿真设计、制造工艺、测试技术及可靠性与失效分析等内容，并给出了一些典型应用实例。本书还简要介绍了IGBT的衍生器件和碳化硅IGBT的近期新发展。本书可以作为电子信息科学与技术及电力电子技术等相关专业本科生和研究生的参考书，也可为IGBT应用工程师提供器件方面的专业知识。本书的整体架构和写作大纲是由江苏宏微科技股份有限公司赵善麒博士提出并撰写，并参与了部分章节的撰写和审核。西安工程大学高勇教授和西安理工大学王彩琳教授分别撰写了主要章节并对全书进行了审核。参与本书撰写工作的还有西安工程大学冯松博士、江苏宏微科技股份有限公司姚天保不错工程师、刘清军不错工程师、西安理工大学杨媛教授、江苏力行电力电子科技有限公司钱昶博士以及魏进博士。江苏宏微科技股份有限公司井亚会硕士参与了本书的整理和校对工作。另外西安交通大学杨旭教授对本书应用章节也提出了宝贵的意见，在此表示感谢！虽经过几轮修改，但水平有限，书中错误和不当之处敬请读者和同行批评指正。本书的编写提纲得到了“电力电子新技术系列图书”编委会的指导，作者在此向他们深表谢意！作者
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