书籍目录
译者序
原书前言
原书致谢
作者简介
第1章功率器件的演变和IGBT的出现1
11背景介绍1
12IGBT3
13IGBT的优缺点5
14IGBT的结构和制造8
15等效电路的表示9
16工作原理及电荷控制现象10
17电路建模11
18IGBT的封装选择15
19IGBT的操作注意事项15
110IGBT栅极驱动电路15
111IGBT的保护17
112小结18
练习题19
参考文献20
第2章IGBT基础和工作状态回顾24
21器件结构24
211横向IGBT和垂直IGBT24
212非穿通 IGBT和穿通 IGBT26
213互补器件31
22器件工作模式32
221反向阻断模式32
222正向阻断和传导模式33
23IGBT的静态特性35
231电流-电压特性35
232IGBT的转移特性37
24IGBT的开关行为37
241IGBT开启37
242具有电阻负载的IGBT开启38
243具有电感负载的IGBT开启40
244IGBT关断43
245带有电阻负载的IGBT关断45
246带有电感负载的IGBT关断47
247关断时间对集电极电压和电流的依赖性48
248NPT-IGBT和PT-IGBT的软开关性能49
249并联的考虑51
25安全工作区域52
251栅极电压振荡引起的不稳定性54
252可靠性测试54
26高温工作56
27辐射效应57
28沟槽栅极IGBT和注入增强型IGBT58
29自钳位 IGBT60
210IGBT的额定值和应用61
211小结64
练习题64
参考文献66
第3章IGBT中的MOS结构70
31一般考虑70
311MOS基本理论70
312功率MOSFET结构70
313MOSFET-双极型晶体管比较73
32MOS结构分析和阈值电压74
33MOSFET的电流-电压特性、跨导和漏极电阻82
34DMOSFET和UMOSFET的导通电阻模型84
341DMOSFET模型84
342UMOSFET模型86
35MOSFET等效电路和开关时间89
36安全工作区域91
37中子和伽马射线损伤效应92
38MOSFET的热行为93
39DMOSFET单元窗口和拓扑设计94
310小结95
练习题95
参考文献96
附录31式（32a）和式（32b）的推导97
附录32式（37）的推导98
附录33推导在强反型转变点的半导体体电势ψB和表面电荷Qs的公式100
附录34式（333）~式（336）的推导 101
附录35式（339）的推导103
附录36式（349）的推导104
第4章IGBT中的双极型结构106
41PN结二极管106
411内建电势0107
412耗尽层宽度xd和电容Cj111
413击穿电压VB112
414电流-电压(id-va)方程115
415反向恢复特性117
42PIN整流器118
43双极结型晶体管123
431静态特性和电流增益123
432功率晶体管开关126
433晶体管开关时间127
434安全工作区128
44晶闸管129
441晶闸管的工作状态129
442晶闸管的di/dt性能和反向栅极电流脉冲导致的关断失效131
443晶闸管的dv/dt额定值132
444晶闸管开启和关断时间133
45结型场效应晶体管134
46小结135
练习题135
参考文献136
附录41漂移和扩散电流密度137
附录42爱因斯坦方程139
附录43连续性方程及其解139
附录44连续性方程式（441）的解142
附录45式（450）的推导143
附录46电流密度式（455）和式（456）的推导147
附录47晶体管的端电流［式（457）和式（458）］150
附录48共基极电流增益αT［式（463）］153
第5章IGBT的物理建模156
51IGBT的PIN整流器- DMOSFET模型156
511基本模型公式156
512导通状态下IGBT漂移区的载流子分布158
513IGBT的正向压降 160
514导通状态下载流子分布的二维模型161
52通过PIN整流器-DMOSFET模型扩展的IGBT双极型晶体管-DMOSFET模型164
521正向传导特性164
522IGBT中MOSFET的正向压降168
523IGBT的有限集电极输出电阻169
53包含器件-电路相互作用的IGBT的双极型晶体管-DMOSFET模型171
531稳态正向传导状态171
532IGBT的动态模型及其开关行为174
533IGBT关断瞬态的状态方程176
534电感负载关断期间dV/dt的简化模型179
535IGBT的动态电热模型183
536电路分析模型参数的提取190
54小结190
练习题190
参考文献192
附录51式（58）的解194
附录52式（533）和式（534）的推导195
参考文献196
附录53式（535）的推导196
附录54式（538）的推导［式（535）的解］197
附录55式（540）~式（542）的推导198
附录56式（544）的推导199
附录57式（581）的推导和1-D线性元件等效导电网络的构建203
参考文献206
第6章IGBT中寄生晶闸管的闩锁207
61引言207
62静态闩锁209
63动态闩锁211
631具有电阻负载的对称IGBT的闩锁211
632具有电阻负载的非对称IGBT的闩锁214
633具有电感负载的对称IGBT的闩锁215
64闩锁的预防措施216
65沟槽栅极IGBT的闩锁电流密度231
66小结 232
练习题232
参考文献234
附录61式(615)的推导235
附录62式(620)的推导236
第7章IGBT单元的设计考虑238
71半导体材料选择和垂直结构设计238
711起始材料238
712击穿电压240
713击穿模型243
72基于分析计算和数值仿真的IGBT设计246
721设计方法和CAD仿真层次结构246
722设计软件248
723DESSIS-ISE中的物理模型248
724计算和仿真过程250
73N型缓冲层结构的优化258
74场环和场板终端设计260
741关键设计参数261
742场环的设计方法262
743带场限环PIN二极管击穿电压的数值仿真264
744环间距的迭代优化264
745通过使电场分布均匀化的准三维仿真来设计场环265
746表面电荷效应和场板附加结构265
75表面离子注入的终端结构267
76用于横向IGBT中击穿电压增强的减小的表面电场概念267
77小结269
练习题269
参考文献271
附录71倍增系数M272
附录72VBR方程273
附录73雪崩击穿电压VB274
参考文献275
附录74穿通电压VPT275
附录75BVCYL/BVPP公式275
参考文献278
第8章IGBT工艺设计与制造技术279
81工艺顺序定义279
811VDMOSFET IGBT制造279
812沟槽栅极IGBT制造286
82单工艺步骤291
82外延淀积291
822热氧化291
823热扩散周期293
824离子注入294
825光刻296
826多晶硅、氧化硅和氮化硅的化学气相淀积296
827反应等离子体刻蚀297
828金属化298
829电子辐照299
8210质子辐照300
8211He注入300
8212封装300
83工艺集成和仿真301
练习题306
参考文献307
附录8硅的热氧化309
参考文献311
附录82式(83)~式(85)的推导312
第9章功率IGBT模块316
91并联IGBT以及逻辑电路与功率器件的集成316
92功率模块技术319
921衬底和铜淀积319
922芯片安装322
923互连和封装322
93隔离技术323
931介质隔离323
932自隔离324
933PN结隔离325
94可集成的器件：双极型、CMOS、DMOS（BCD）和IGBT325
95功率IGBT驱动、温度感应和保护325
96IGBT模块封装中的寄生元件327
97扁平封装的IGBT模块328
98IGBT模块的理想特性和可靠性问题330
99模块的散热和冷却331
910大功率IGBT模块的材料要求332
911最新技术和趋势333
练习题335
参考文献336
第10章新型IGBT的设计理念、结构创新和新兴技术339
101在导通状态电压降和开关损耗之间的折中339
102在沟槽IGBT导通态载流子分布的并联和耦合PIN二极管-PNP型晶体管模型341
103性能优越的非自对准沟槽IGBT342
104动态N型缓冲IGBT344
105具有反向阻断能力的横向IGBT345
106抗高温闩锁的横向IGBT346
107具有高闩锁电流性能的自对准侧壁注入的N+发射极横向IGBT347
108更大FBSOA的LIGBT改进结构348
109集成电流传感器的横向IGBT348
1010介质隔离的快速LIGBT349
1011薄绝缘体上硅衬底上的横向IGBT350
1012改进闩锁特性的横向沟槽栅极双极型晶体管350
1013沟槽平面IGBT351
1014相同基区技术中的簇IGBT352
1015沟槽簇IGBT353
1016双栅极注入增强型栅极晶体管354
1017SiC IGBT356
1018小结和趋势357
练习题358
参考文献359
附录101集电结的电子电流360
附录102瞬态基区存储电荷Qbase(t)361
附录103存在可动载流子浓度时的耗尽宽度361
附录104调制的基区电阻Rb362
附录105由于IGBT中PIN二极管末端复合而导致的导通态压降363
附录106能量损耗364
附录107在TIGBT发射区端的N-基区的过剩载流子浓度Pw364
附录108IGBT的N-基区上的导通电压降368
第11章IGBT电路应用370
111DC-DC转换370
1111降压转换器370
1112升压转换器376
1113降压-升压转换器378
112DC-AC转换379
1121单相半桥逆变器379
1122单相全桥逆变器381
1123采用脉冲宽度调制的AC电压控制384
1124三相全桥逆变器386
113AC-DC转换387
114软开关转换器391
1141软开关DC-DC转换器391
1142软开关逆变器395
1143软开关的优点398
115IGBT电路仿真399
1151SPICE IGBT模型的参数提取过程399
1152基于物理的IGBT电路模型的参数提取400
1153IGBT的SABER建模401
116IGBT转换器的应用402
1161开关电源402
1162不间断电源404
1163DC电动机驱动406
1164AC电动机驱动406
1165汽车点火控制408
1166焊接409
1167感应加热410
117小结410
练习题411
参考文献413
前言试读◆
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）代表了商用产品中最为先进的一种新型功率半导体器件，该器件具有MOS栅控的高输入阻抗与双极型电流传导的低正向压降。它减小和降低了控制电路的尺寸和复杂性，从而大大降低了系统成本。如今，它在不间断电源、工业电动机驱动器、家用和汽车电子等中功率和中频领域有着广泛的应用。近年来，作为一种功率调节器件，没有哪个单一器件能够像IGBT一样彻底改变功率器件的情况，在家用、消费和工业领域对普通人的生活产生影响。
尽管这种器件自从它的概念形成以来就越来越受到人们的关注，但目前还没有一本书完全致力于IGBT的物理和技术，缺乏对半导体器件的物理和技术的全面论述。现有书籍涉及半导体器件物理学、功率半导体器件、晶闸管物理学、场效应和双极型晶体管物理学、MOS物理学和相关器件技术。在工业和消费电子中IGBT的广泛应用，使得有必要出版一本全面论述该主题的新书，对IGBT的巨大兴趣促使作者执笔撰写本书。
正如书名所表明的那样，本书主要关注IGBT。然而，不言而喻，IGBT代表了PIN二极管、双极型晶体管、双极型晶闸管和功率DMOSFET特性的有趣组合。所以本书不仅给读者提供了IGBT的相关内容，而且也使读者理解上述各器件结构如何协同工作而产生IGBT特性。因此本书的扩展性主题涵盖了MOS和双极方面的有用资料，大大提高了本书的实用性。本书详细说明了IGBT的正向传导特性是受PIN二极管的电导率调制以及MOSFET沟道长度控制的。IGBT的闩锁由双极型晶体管的电流增益和再生晶闸管行为控制。较小的沟道长度得到较低正向压降器件，但容易受到内部寄生双极型晶闸管的闩锁影响；控制IGBT的正向阻断能力需要仔细关注平面浮动场环的终端设计；反向阻断电压由芯片切割过程中的倒角决定。同样，IGBT的关断时间由载流子寿命决定，也就是PIN二极管的反向恢复波形。所以，如果从更广的角度来看，学习IGBT需要对这些组成器件有很深入的了解。因此，虽然本书关注的是一个单个器件，但其余器件会自动成为整体的一部分。MOS-双极型组合器件的时代已经来临，本书旨在向读者介绍这种新的混合技术。
本书是按教材的格式编写的，以满足电力电子工程和微电子工程中功率器件课程的需求。本书的目标受众还包括工程师和科学家。今天的学生是明天的专业人士，本书精心组合了为学生设计的教程和为从业者提供的专业设计。通过在章节中提供的大量实例，以及在每章末尾附加的练习题，希望通过适当选择课程材料，使本书更加适合课堂教学。每章结尾部分的参考文献将为研究人员提供一个关于IGBT的实用指南。因此，本书可以满足广泛的读者群体，包括学生、专业人士和研究人员的需求。
本书对IGBT提供了一个全面、深入和先进的讨论，涵盖了广泛的主题。第1章介绍功率半导体器件的状况，MOS-双极型组合器件的需求以及IGBT的诞生；以简单的方式描述IGBT的工作原理；介绍了IGBT等效电路，并讨论了SPICE模型；还简要介绍了IGBT的封装和操作注意事项、栅极驱动电路和保护技术。
第2章总结了IGBT的基本类型、工作特点、性能特征、局限性、规格和应用；讨论了横向和垂直IGBT结构；对非穿通和穿通类型的IGBT进行了解释，描述了它们掺杂分布和工作的差异；对IGBT的不同工作模式，例如正向传导和阻断模式进行了讨论；对带电阻和电感负载的IGBT导通和关断进行了分析；概述了软开关概念；指出了温度和核辐射对IGBT特性的影响；讨论了沟槽栅极和自钳位IGBT的工作原理。
第3章介绍了MOS结构的基本原理，包括热平衡能带图、平带电压、阈值电压、电容效应、功率DMOSFET结构、导通电阻元件、安全工作区、辐射和热效应对器件特性的影响、DMOSFET几何拓扑结构等，这些对于理解IGBT工作的物理原理是非常重要的。
第4章介绍了双极型器件的理论，如PN结二极管、PIN整流器、双极结型晶体管、晶闸管和结型场效应晶体管。通过本章的阅读，读者将能够理解双极型器件工作的基本原理。
从第5章开始，开始研究IGBT模型，包括静态、动态和电热行为；讨论了IGBT的PIN整流器-DMOSFET和双极型晶体管-DMOSFET模型，以及导通态载流子分布、二维效应、器件-电路相互作用建模、IGBT电路瞬态分析等模型。
由于闩锁是IGBT的一个严重问题，所以第6章详细讨论了这个问题，概述闩锁的形成原因并给出了IGBT结构的防闩锁技术；对静态和动态闩锁进行了解释，然后给出了预防闩锁的详细处理方法。
由于IGBT是由数百万个基本单元构成的，因此第7章使用计算机辅助设计工具深入研究了IGBT单元的设计技术。讨论从半导体的选择和垂直结构设计开始；接着是发射区和基区的掺杂分布和沟道长度，跨导和正向压降，导通和开关损耗之间的折中，单元布图设计和单元间距；然后对N型缓冲层进行结构优化；最后是场环和场板终端设计，以及其他使得表面电场最小化和击穿电压增强的结边缘终端技术。
第8章介绍了制造功率IGBT的工艺技术；讨论了实现IGBT的各个工艺步骤，主要步骤包括起始的硅片制备、外延生长、多晶硅淀积、栅氧形成、扩散和离子注入、掩膜制作和光刻、干法刻蚀和等离子体工艺、槽刻蚀、金属化、封装，以及电子辐照对寿命的影响，并对工艺模拟进行了回顾。
第9章讨论了功率IGBT模块和相关的技术；关于逻辑电路和功率器件集成的讨论之后是隔离技术的总结；介绍了模块中不同类型的保护措施和其他附件；对扁平封装模块和模块的材料技术也进行了研究。
第10 章对未来IGBT技术进行了回顾以及展望，调研了新的设计理念和IGBT结构并对这个迅速发展的领域的未来趋势进行了预测；考虑的结构包括非自对准槽IGBT、动态N型缓冲IGBT、具有反向阻断能力和抗高温闩锁的横向IGBT、具有高闩锁电流能力的自对准侧壁注入N+发射极的横向IGBT、具有更大FBSOA区域的LIGBT、具有集成电流传感器的横向IGBT、介质隔离的快速LIGBT、在薄SOI衬底上的横向IGBT、衬底中的横向IGBT、横向沟槽栅极双极型晶体管、槽平面IGBT、相同基区技术中的簇IGBT、双栅极注入增强型栅极晶体管等。
最后，第11章介绍了IGBT在电动机驱动器、汽车点火控制、电源、焊接、感应加热等领域中的应用情况；对不同类型的转换器，如DC-DC转换器、DC-AC转换器和AC-DC转换器进行了数学分析；对软开关转换器也进行了讨论，同时讨论了SABER和SPICE电路模型和设计方法。
作者殷切希望本书的上述内容对于该领域的高年级本科生/研究生和研究人员有所帮助。本书可作为关于这个主题的教科书和参考书。如果本书能有助于解决读者的问题，那将是作者的努力所得到的最好回报。
虽然作者已尽最大的努力来确保表述内容的准确性，但并不一定能确保没有任何错误，诚挚地欢迎读者提出意见和建议。原 书 致 谢
我由衷地感谢系主任、资深科学家和我在CEERI，Pilani的同事们对我的努力的鼓励。我还要感谢小组组长和前功率器件小组的成员，在我们多年的合作中，我与他们分享了许多对功率器件物理层面和技术层面的见解。我很感激Darmstadt技术大学的Arnold Kostka教授和BMaj先生指导我进入仿真领域。
很荣幸有机会和编辑Christina Kuhnen女士合作，我感谢她对我写书过程中出现的问题做出迅速的处理和回复，否则本书就不可能按时出版。我感谢审稿人提出的建设性批评意见，他们还指出许多错误和遗漏，从而使本书的形式和内容得以进一步完善。
任何一本新书都要归功于它的先驱者以及研究论文、报告和评论文章。我很感激这些文献的作者们，他们中的许多人在每章末尾的参考文献中都有列出。感兴趣的读者可阅读参考文献中所引用的优秀文献，以获得对相关专业主题内容的深入了解。
感谢PKKhanna博士和Vijay Khanna先生精神上的支持。
最后，我感谢我的女儿和妻子，感谢她们的爱、耐心和理解，感谢她们在这历时两年多的写作过程中，容忍我长时间的写作工作。衷心感谢以上所有人，也感谢那些在这项工作中直接或间接帮助过我的人，以及那些我可能忘记提及的人。
编辑推荐
本书是IGBT方面的经典著作，由执笔，作为功率器件教材，内容涵盖IGBT基本原理、设计方法、工艺技术、模块相关、技术趋势、应用情况，是一本全面、深入的实用指南
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发表于 2020-11-24 11:28:03
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