功率半导体器件：原理、特性和可靠性（原书第2版）

　　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*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。

　　作者Josef Lutz博士是德国开姆尼茨工业大学的教授，Heinrich Schlangenotto博士是达姆施塔特工业大学的教授，Rik De Doncker博士是亚琛工业大学的教授。他们长期从事功率半导体器件的研究和教学工作，在业内享有盛誉。Uwe Scheuermann博士在德国Semikron公司从事功率半导体器件的开发研究工作，特别在封装、可靠性和系统集成方面做出了重要贡献。

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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
14用于碳减排的电力电子设备11
参考文献14
第2章半导体的性质17
21引言17
22晶体结构19
23禁带和本征浓度21
24能带结构和载流子的粒子性质24
25掺杂的半导体28
26电流的输运36
261载流子的迁移率和场电流36
262强电场下的漂移速度42
263载流子的扩散，电流输运方程式和爱因斯坦关系式43
27复合产生和非平衡载流子的寿命45
271本征复合机理47
272包含金、铂和辐射缺陷的复合中心上的复合48
28碰撞电离64
29半导体器件的基本公式70
210简单的结论73
2101少数载流子浓度的时间和空间衰减73
2102电荷密度的时间和空间衰减74
参考文献75
第3章pn结80
31热平衡状态下的pn结80
311突变结82
312缓变结87
32pn结的IV特性90
33pn结的阻断特性和击穿97
331阻断电流97
332雪崩倍增和击穿电压100
333宽禁带半导体的阻断能力108
34发射区的注入效率109
35pn结的电容115
参考文献117
功率半导体器件——原理、特性和可靠性（原书第2版）目录第4章功率器件工艺的介绍119
41晶体生长119
42通过中子嬗变来调节晶片的掺杂120
43外延生长122
44扩散124
441扩散理论，杂质分布124
442掺杂物的扩散系数和溶解度130
443高浓度效应，扩散机制132
45离子注入134
46氧化和掩蔽138
47边缘终端140
471斜面终端结构140
472平面结终端结构142
473双向阻断器件的结终端143
48钝化144
49复合中心145
491用金和铂作为复合中心145
492辐射引入的复合中心147
493Pt和Pd的辐射增强扩散149
410辐射引入杂质150
411GaN器件工艺的若干问题151
参考文献155
第5章pin二极管160
51pin二极管的结构160
52pin二极管的IV特性161
53pin二极管的设计和阻断电压162
54正向导通特性167
541载流子的分布167
542结电压169
543中间区域两端之间的电压降170
544在霍尔近似中的电压降171
545发射极复合、有效载流子寿命和正向特性173
546正向特性和温度的关系179
55储存电荷和正向电压之间的关系180
56功率二极管的开通特性181
57功率二极管的反向恢复183
571定义183
572与反向恢复有关的功率损耗189
573反向恢复：二极管中电荷的动态192
574具有最佳反向恢复特性的快速二极管199
575MOS控制二极管208
58展望213
参考文献214
第6章肖特基二极管216
61金属半导体结的能带图216
62肖特基结的IV特性217
63肖特基二极管的结构219
64单极型器件的欧姆电压降220
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222
65SiC肖特基二极管223
651SiC单极二极管特性223
652组合pin肖特基二极管226
653SiC肖特基和MPS二极管的开关特性和耐用性230
参考文献232
第7章双极型晶体管234
71双极型晶体管的工作原理234
72功率双极型晶体管的结构235
73功率晶体管的IV特性236
74双极型晶体管的阻断特性237
75双极型晶体管的电流增益239
76基区展宽、电场再分布和二次击穿243
77硅双极型晶体管的局限性245
78SiC双极型晶体管245
参考文献246
第8章晶闸管248
81结构与功能模型248
82晶闸管的IV特性251
83晶闸管的阻断特性252
84发射极短路点的作用253
85晶闸管的触发方式254
86触发前沿扩展255
87随动触发与放大门极256
88晶闸管关断和恢复时间258
89双向晶闸管260
810门极关断晶闸管261
811门极换流晶闸管265
参考文献268
第9章MOS晶体管及场控宽禁带器件270
91MOSFET的基本工作原理270
92功率MOSFET的结构271
93MOS晶体管的IV特性272
94MOSFET沟道的特性273
95欧姆区域276
96现代MOSFET的补偿结构277
97MOSFET特性的温度依赖性281
98MOSFET的开关特性282
99MOSFET的开关损耗286
910MOSFET的安全工作区287
911MOSFET的反并联二极管288
912SiC场效应器件292
9121SiC JFET292
9122SiC MOSFET294
9123SiC MOSFET体二极管296
913GaN横向功率晶体管297
914GaN纵向功率晶体管302
915展望303
参考文献303
第10章IGBT307
101功能模式307
102IGBT的IV特性309
103IGBT的开关特性310
104基本类型：PTIGBT和NPTIGBT312
105IGBT中的等离子体分布315
106提高载流子浓度的现代IGBT317
1061高n发射极注入比的等离子增强317
1062无闩锁元胞几何图形320
1063“空穴势垒”效应321
1064集电极端的缓冲层322
107具有双向阻断能力的IGBT324
108逆导型IGBT325
109IGBT的潜力329
参考文献332
第11章功率器件的封装335
111封装技术面临的挑战335
112封装类型336
1121饼形封装338
1122TO系列及其派生339
1123模块342
113材料的物理特性347
114热仿真和热等效电路349
1141热参数与电参数间的转换349
1142一维等效网络354
1143三维热网络356
1144瞬态热阻357
115功率模块内的寄生电学元件359
目录ⅩⅦⅩⅧ功率半导体器件——原理、特性和可靠性（原书第2版）1151寄生电阻359
1152寄生电感362
1153寄生电容365
116先进的封装技术367
1161银烧结技术368
1162扩散钎焊370
1163芯片顶部接触的先进技术371
1164改进后的衬底375
1165先进的封装理念376
参考文献379
第12章可靠性和可靠性试验383
121提高可靠性的要求383
122高温反向偏置试验385
123高温栅极应力试验388
124温度湿度偏置试验390
125高温和低温存储试验392
126温度循环和温度冲击试验393
127功率循环试验395
1271功率循环试验的实施395
1272功率循环诱发的失效机理400
1273寿命预测模型407
1274失效模式的离析410
1275功率循环的任务配置和叠加414
1276TO封装模块的功率循环能力417
1277SiC器件的功率循环418
128宇宙射线失效422
1281盐矿试验422
1282宇宙射线的由来423
1283宇宙射线失效模式426
1284基本的失效机理模型427
1285基本的设计规则429
1286考虑nn+结后的扩展模型432
1287扩展模型设计的新进展435
1288SiC器件的宇宙射线稳定性437
129可靠性试验结果的统计评估440
1210可靠性试验的展望449
参考文献450
第13章功率器件的损坏机理456
131热击穿——温度过高引起的失效456
132浪涌电流458
133过电压——电压高于阻断能力461
134动态雪崩466
1341双极型器件中的动态雪崩466
1342快速二极管中的动态雪崩467
1343具有高动态雪崩能力的二极管结构475
1344IGBT关断过程中的过电流和动态雪崩479
135超出GTO的最大关断电流481
136IGBT的短路和过电流482
1361短路类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ482
1362短路的热、电应力486
1363短路时的电流丝491
137IGBT电路失效分析494
参考文献496
第14章功率器件的感应振荡和电磁干扰500
141电磁干扰的频率范围500
142LC振荡502
1421并联IGBT的关断振荡502
1422阶跃二极管的关断振荡504
1423宽禁带器件的关断振荡506
143渡越时间振荡508
1431等离子体抽取渡越时间振荡509
1432动态碰撞电离渡越时间振荡515
1433动态雪崩振荡519
1434传输时间振荡的总结521
参考文献522
第15章集成电力电子系统524
151定义和基本特征524
152单片集成系统——功率IC526
153GaN单片集成系统529
154印制电路板上的系统集成531
155混合集成533
参考文献539
附录ASi与4HSiC中载流子迁移率的建模参数541
附录B复合中心及相关参数543
附录C雪崩倍增因子与有效电离率548
附录D封装技术中重要材料的热参数552
附录E封装技术中重要材料的电参数553