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好书试读《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用》

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发表于 2021-8-4 11:46:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 创芯讲堂运营 于 2021-8-4 11:48 编辑

​◆图书简介◆
《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用》(原书第2版)共包括11章:第1章概述了氮化镓(GaN)技术;第2章介绍了GaN晶体管的器件物理;第3章介绍了GaN晶体管的驱动;第4章介绍了GaN晶体管电路的版图设计;第5章讨论了GaN晶体管的建模和测量;第6章详细介绍了硬开关技术第7章详细介绍了软开关技术和变换器;第8章介绍了GaN晶体管射频特性;第9章讨论了GaN晶体管的空间应用;第10章列举了GaN晶体管的应用实例;第11章分析了GaN晶体管替代硅功率晶体管的原因。

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目录:

译者序
前言
致谢
作者简介
译者简介

第1章 GaN技术概述
11.1硅功率MOSFET (1976~2010)1
1.2GaN基功率器件2
1.3GaN材料特性2
1.3.1禁带宽度(Eg)3
1.3.2临界击穿电场 (Ecrit)3
1.3.3导通电阻 (RDS(on))4
1.3.4二维电子气(2DEG)4
1.4GaN晶体管的基本结构6
1.4.1凹槽栅增强型结构 7
1.4.2注入栅增强型结构7
1.4.3p型GaN栅增强型结构8
1.4.4共源共栅混合增强型结构 8
1.4.5GaN HEMT晶体管反向导通9
1.5GaN晶体管的制备10
1.5.1衬底材料的选择10
1.5.2异质外延技术10
1.5.3晶圆处理12
1.5.4器件与外部的电气连接13
1.6本章小结15
参考文献16

第2章 GaN晶体管电气特性18
2.1引言18
2.2关键器件参数18
2.2.1击穿电压(BVDSS)和泄漏电流(IDSS)18
2.2.2导通电阻(RDS(on))22
2.2.3阈值电压(VGS(th)或Vth)25
2.3电容和电荷27
2.4反向传导28
2.5热阻31
2.6瞬态热阻33
2.7本章小结34
参考文献34

第3章 驱动GaN晶体管36
3.1引言36
3.2栅极驱动电压38
3.3自举和浮动电源40
3.4dv/dt抗性41
3.5di/dt抗扰性43
3.6接地反弹45
3.7共模电流46
3.8栅极驱动器边沿速率47
3.9驱动共源共栅GaN器件47
3.10本章小结49
参考文献49

第4章 GaN晶体管电路布局51
4.1引言51
4.2减小寄生电感51
4.3常规功率环路设计54
4.4优化功率环路55
4.5并联GaN晶体管56
4.5.1单个开关中应用的并联GaN晶体管56
4.5.2半桥应用的并联GaN晶体管60
4.6本章小结63
参考文献63

第5章 GaN晶体管的建模和测量64
5.1引言64
5.2电气建模64
5.2.1基础建模64
5.2.2基础建模的局限66
5.2.3电路建模的局限68
5.3热建模69
5.3.1提高热性能70
5.3.2多芯片裸片建模72
5.3.3复杂系统建模74
5.4GaN晶体管性能测量75
5.4.1电压测量要求76
5.4.2电流测量要求78
5.5本章小结79
参考文献79

第6章 硬开关拓扑81
6.1引言81
6.2硬开关损耗分析82
6.2.1开关损耗83
6.2.2输出电容(COSS)损耗87
6.2.3栅极电荷(QG)损耗87
6.2.4反向导通损耗(PSD)88
6.2.5反向恢复(QRR)损耗90
6.2.6硬开关总损耗90
6.2.7硬开关的品质因数90
6.3影响硬开关损耗的外部因素91
6.3.1共源电感的影响92
6.3.2高频功率环路电感对器件损耗的影响93
6.4减少GaN晶体管的体二极管传导损耗96
6.5频率对磁性的影响99
6.5.1变压器99
6.5.2电感100
6.6降压变换器实例100
6.6.1输出电容损耗102
6.6.2栅极功耗(PG)103
6.6.3体二极管导通损耗(PSD)105
6.6.4开关损耗(Psw)108
6.6.5总动态损耗(PDynamic)109
6.6.6导通损耗(PConduction)109
6.6.7器件总硬开关损耗(PHS)110
6.6.8电感损耗(PL)110
6.6.9降压变换器预估总损耗(PTotal)111
6.6.10考虑共源电感的降压变换器损耗分析111
6.6.11降压变换器的实验结果113
6.7本章小结114
参考文献114

第7章 谐振和软开关变换器116
7.1引言116
7.2谐振与软开关技术116
7.2.1零电压和零电流开关116
7.2.2谐振DC-DC变换器117
7.2.3谐振网络组合117
7.2.4谐振网络工作原理118
7.2.5谐振开关元件120
7.2.6软开关DC-DC变换器121
7.3用于谐振和软开关应用的关键器件参数121
7.3.1输出电荷(QOSS)121
7.3.2通过制造商数据表确定输出电荷122
7.3.3比较GaN晶体管和硅MOSFET的输出电荷123
7.3.4栅极电荷(QG)123
7.3.5谐振和软开关应用中栅极电荷的确定124
7.3.6GaN晶体管和硅MOSFET的栅极电荷的比较125
7.3.7GaN晶体管和硅MOSFET的性能指标的比较125
7.4高频谐振总线转换器实例127
7.4.1共振GaN和硅总线转换器设计129
7.4.2GaN和硅器件的比较130
7.4.3零电压开关转换131
7.4.4效率和功耗比较132
7.5本章小结134
参考文献135

第8章 射频性能136
8.1引言136
8.2射频晶体管和开关晶体管的区别137
8.3射频基础知识139
8.4射频晶体管指标140
8.4.1确定射频FET的高频特性142
8.4.2散热考虑的脉冲测试142
8.4.3s参数分析144
8.5使用小信号s参数的放大器设计147
8.5.1条件稳定的双侧晶体管放大器设计147
8.6放大器设计实例148
8.6.1匹配和偏置器网络设计151
8.6.2实验验证153
8.7本章小结155
参考文献156

第9章 GaN晶体管的空间应用157
9.1引言157
9.2失效机理157
9.3辐射标准和容差158
9.4伽马辐射和容差158
9.5单粒子效应(SEE)测试159
9.6GaN晶体管与Rad-Hard硅MOSFET的性能比较160
9.7本章小结162
参考文献162

第10章 应用实例163
10.1引言163
10.2非隔离式DC-DC变换器163
10.2.112VIN-1.2VOUT降压变换器164
10.2.2 28VIN-3.3VOUT点负载模块168
10.2.3应用于大电流场合并联GaN晶体管的48VIN-12VOUT降压变换器169
10.3隔离式DC-DC变换器174
10.3.1硬开关中间总线转换器175
10.3.2 400 V LLC谐振变换器184
10.4D类音频185
10.4.1总谐波失真185
10.4.2阻尼系数185
10.4.3D类音频放大器实例187
10.5包络跟踪189
10.5.1高频GaN晶体管190
10.5.2包络跟踪实验结果191
10.5.3栅极驱动器的局限性192
10.6高共振无线能量传输194
10.6.1无线能量传输的设计要素196
10.6.2无线能量传输实例197
10.6.3无线能量传输的设计因素小结203
10.7LiDAR与脉冲激光应用204
10.8功率因数校正206
10.9电动机驱动和光伏逆变器208
10.10本章小结208
参考文献209

第11章 硅功率MOSFET替代器件212
11.1什么控制使用率212
11.2GaN晶体管实现的新功能212
11.3GaN晶体管易于使用213
11.4成本与时间213
11.4.1原材料214
11.4.2材料外延生长214
11.4.3晶圆制造214
11.4.4芯片测试和封装215
11.5GaN晶体管的可靠性215
11.6GaN晶体管的发展方向216
11.7本章小结216
参考文献217

附录 专业术语218
前言:

众所周知,CMOS反相器和DRAM是组成数字信号处理器的两个基本单元。几十年的发展,通过利用摩尔定律提高反相器的开关速度和存储器的存储密度已经产生了难以想象的许多应用。电能的处理是基于两个功能模块:电感和电容的能量存储器,以及开关电源。为了进一步减小系统的尺寸并提高系统的性能,发展更高开关频率的新型功率器件一直是业界追求的目标。
功率MOSFET自从20世纪70年代中期发展以来,由于具有更高的开关速度,已经在很多应用领域代替了双极型晶体管。时至今日,功率MOSFET已经发展到了理论极限,所以必须借助于软开关技术才可以进一步减少器件的开关损耗。然而,因为栅极驱动损耗仍然很大,所以限制了开关频率只有几万赫兹。

最近发展起来的GaN功率器件大大改善了品质因数,打开了通往兆赫兹工作频率的大门。本书通过介绍GaN功率技术的一些设计实例和参考文献,表明GaN功率器件的功率密度提高了5~10倍。然而,我们相信GaN功率器件潜在的贡献不只是提高了效率和功率密度,它可能对我们的设计方法产生很大的影响,包括转换模式。

功率电子学是一门交叉学科。功率电子系统的基本组成包括开关、能量存储器、电路拓扑、系统封装、电磁兼容、热管理、EMC/EMI和制造等。当开关频率比较低时,这些组件之间的耦合比较小,当前是利用分离组件的设计方法解决这些问题。当设计的系统具有更高的频率时,组件通过紧密布局以最小化可能的寄生效应,这不可避免地引入了不需要的电磁耦合和热相互作用。

组件和电路之间这种日益复杂的关系需要更加系统化的设计方法,必须同时考虑电、磁、机械和热等因素。而且,所有的组件必须同时正常工作,这些挑战促使电路设计者追求更加系统化的设计方法。对于功率电子系统,需要在功能级和子系统级都具有可行性和实用性。这些集成组件作为系统进一步集成化的基本构建模块,与数字电子系统相同,用这种方式可以使用标准化的组件实现。并且,大规模化制造将使功率电子器件的成本显著降低。

GaN技术将为今后的研究和技术创新提供发展机遇。Alex Lidow博士在本书中提到,功率MOSFET花费了30多年的时间才达到当前的发展程度。然而GaN功率技术仍处于发展的初期阶段,所以需要时刻关注一些技术方面的挑战。本书比较详细地分析了以下几点问题:

1)高的dv/dt和di/dt说明现在大多数商用化的栅极驱动电路不适合用于GaN功率器件。第3章提供了很多在栅极驱动电路设计方面的重要方法。

2)器件封装和电路布局至关重要,需要控制寄生效应不必要的影响,对此,需要软切换技术。有关封装和布局的一些重要问题在本书的第4~6章中详细介绍。

3)高频设计也很关键,当开关频率超过2~3MHz时,磁性材料的选择变得有限。另外,必须探索更具创造性的高频磁性设计方法。最近发表的论文提出了新的设计方法,这些新的设计方法与常规方法不同,获得了有价值的新结果。

4)高频对EMI/EMC的影响尚待探索。

Alex Lidow博士是功率半导体领域备受尊敬的研究者,他一直处于新技术引领发展的前沿。他在担任国际整流器公司首席执行官的同时,在21世纪初发起了GaN技术的研究。他还带领团队开发了第一款集成的DrMOS和DirectFET,现在这些集成器件用于为新一代微处理器和许多其他应用提供电能。
《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用》(原书第2版)给功率半导体工程师提供了非常有价值的资料参考,从GaN器件物理、GaN器件特性和器件建模到器件和电路布局的考虑,以及栅极驱动设计,硬开关和软开关的设计考虑等方面进行了分析。此外,本书还进一步分析了GaN技术的新应用。
本书的四位作者中有三位来自美国电力电子系统中心(CPES),他们与Alex Lidow博士一起努力开发新一代宽带隙功率开关技术,这种新型宽带隙功率开关技术是对传统开关技术的挑战。
李泽元博士
美国电力电子系统中心主任
弗吉尼亚理工大学杰出教授
序言:

半导体科学与技术引发了现代许多科技领域革命性的变革和进步,它是计算机、通信和网络技术的基础和核心,已经成为与国民经济发展、社会进步及国家安全密切相关的、重要的科学技术之一。半导体科学与技术和人们的日常生活息息相关,在产生巨大经济效益的同时,大大提高了人们的生活质量。因为半导体科学与技术综合了电子、信息、材料、物理、化学和数学等各门学科的精髓,所以它的发展速度非常惊人!促使信息、通信和计算机领域发生着巨大变革,已经成为一个国家科学技术的“基石”
继第一代和第二代半导体技术之后发展起来的第三代宽禁带半导体材料与器件,是发展大功率、高频高温、抗强辐射、蓝光激光器和紫外探测器等技术的核心。由于众所周知的优良材料特性,使得第三代半导体技术成为近年来半导体研究领域的热点。氮化镓(GaN)功率半导体技术更有望成为功率半导体技术的 “继承者”之一。

《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用》(原书第2版)是一本系统全面介绍GaN功率半导体技术的专著。作者之一的Alex Lidow博士是宜普电源转换(EPC)公司的首席执行官,参与撰写的几位作者均为从事功率半导体技术多年的专家。本书的出版获得了国际上多位专家的好评和赞赏,均认为是一部GaN功率晶体管的经典之作,值得推荐给从事高效功率电子技术开发的研究人员作为工作手册来参考。

《氮化镓功率晶体管——器件、电路与应用》(原书第2版)适合从事GaN功率半导体技术研究的科研工作者、工程师、高年级本科生和研究生阅读,对于从事其他功率半导体技术的研究也具有借鉴意义。本书从基本的GaN晶体管器件物理开始介绍,包括GaN功率半导体器件设计、驱动电路设计,GaN晶体管电路的版图设计、建模和测试,并且给出了使用GaN晶体管进行高效功率转换的应用实例,所以本书也可以作为高等院校教授此类课程的参考教材。包括GaN功率晶体管在内的宽禁带半导体技术是一项新兴的科学技术,国际上关于此方向的专著很少,从事宽禁带功率半导体技术的学者强烈建议国内翻译或编译出版国际上关于此方向优秀的教材和专著。

参加本书翻译工作的人员为段宝兴教授(第1、2、4、5、10、11章)和杨银堂教授(第3、第6~9章)。另外,师通通、吴浩、马新宇、李嘉晨等同学也参加了部分文字工作,在此表示感谢。最后,由段宝兴教授对全书做了统一审校。

由于译者水平有限,加之时间紧迫,不妥或错误之处在所难免,敬请广大读者批评指正。
段宝兴 杨银堂
西安电子科技大学
作者简介:

Alex Lidow是宜普电源转换(Efficient Power Conversion,EPC)公司的首席执行官。在成立EPC公司之前,Lidow博士是国际整流器(International Rectifier,IR)公司的首席执行官。作为HEXFET MOSFET(六角形原胞功率MOSFET)的共同发明人,Lidow博士在功率半导体技术方面拥有多项专利,并撰写了多部功率半导体技术方面的专著。Lidow博士于1975年获得加州理工学院学士学位,并于1977年获得斯坦福大学博士学位。

Johan Strydom是EPC公司应用副总裁。于2001年在兰德阿非利加大学(现称为约翰内斯堡大学)获得博士学位,从1999年到2002年,他在弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心(CPES)担任博士后研究员。Strydom博士现在国际整流器公司和凌特公司(Linear Technology Corporation)担任应用工程师,负责DC-DC变换器、电机驱动和D类音频功率放大器的研究工作。

Michael de Rooij博士是EPC公司应用工程执行总监。在加入EPC公司之前,曾在Windspire能源公司工作,帮助开发下一代小型垂直轴风力发电机组逆变器。此外,Michael de Rooij博士还曾担任GE全球研究中心的高级工程师。Michael de Rooij博士的研究兴趣包括固态高频功率变换器、不间断电源、功率电子变换器集成技术、功率电子封装、感应加热、光电转换器、磁共振成像系统和具有保护功能的栅极驱动器等。Michael de Rooij博士是IEEE的高级会员,获得兰德阿非利加大学(现称为约翰内斯堡大学)博士学位。

David Reusch是EPC公司的应用总监,拥有弗吉尼亚理工大学电子工程专业学士、硕士和博士学位。在攻读博士学位期间,Reush博士是电力电子系统中心(CPES)的布拉德利研究员。Reusch博士拥有丰富的GaN晶体管设计经验,能通过设计满足功率变换器中更低损耗和更高功率密度的需求。他积极参与IEEE的组织工作,并在APEC和ECCE会议上发表多篇论文。
译者简介:

段宝兴,1977年生,男,陕西大荔县人,博士,教授,博士生导师。主要从事半导体功率器件及集成关键技术研究。首次在国际上提出了设计新型功率器件的衬底终端技术、电场调制技术和体电场降低等新型终端技术;提出的完全3-D RESURF终端技术可以使横向功率器件获得超低的功率损耗;提出的新型异质结功率器件将传统硅材料与宽带隙半导体材料有机结合;与合作者提出的SOI 高压器件介质场增强ENDILF技术成功解决了器件纵向耐压受限问题。先后在国内外重要期刊上发表论文60余篇,其中50余篇次被SCI、EI检索,翻译出版专著2部。

杨银堂,1962年生,男,河北邯郸市人,博士,教授,博士生导师,毕业于西安电子科技大学半导体专业。曾先后担任该校微电子研究所所长、技术物理学院副院长、微电子学院院长、发展规划处处长兼“211工程”办公室主任、校长助理、副校长,兼任装备发展部军用电子元器件专家组副组长,获国家科技进步二等奖、国家自然科学基金杰出青年基金、教育部跨世纪优秀人才、全国模范教师和中国青年科技奖等荣誉,入选国家“百千万人才工程”。先后在国际、国内重要期刊上发表论文200余篇,出版专著4部。



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发表于 2021-9-14 17:22:25 | 显示全部楼层
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