功率半導體器件原理、特性和可靠性（原書第2版）

《功率半導體器件原理、特性和可靠性（原書第2版）》是2020年1月1日機械工業出版社出版的圖書，作者是[德]約瑟夫·盧茨（JosefLutz）。

基本介紹

• 中文名：功率半導體器件原理、特性和可靠性（原書第2版）
• 作者：[德]約瑟夫·盧茨（JosefLutz）
• 出版社：機械工業出版社
• ISBN：9787111640295

內容簡介

本書介紹了功率半導體器件的原理、結構、特性和可靠性技術，器件部分涵蓋了當前電力電子技術中使用的各種類型功率半導體器件，包括二極體、晶閘管、MOSFET、IGBT和功率集成器件等。此外，還包含了製造工藝、測試技術和損壞機理分析。就其內容的全面性和結構的完整性來說，在同類專業書籍中是不多見的。

本書內容新穎，緊跟時代發展，除了介紹經典的功率二極體、晶閘管外，還重點介紹了MOSFET、IGBT等現代功率器件，頗為難得的是收入了近年來有關功率半導體器件的*新成果，如SiC，GaN器件，以及場控寬禁帶器件等。本書是一本精心編著、並根據作者多年教學經驗和工程實踐不斷補充更新的好書，相信它的翻譯出版必將有助於我國電力電子事業的發展。

本書的讀者對象包括在校學生、功率器件設計製造和電力電子套用領域的工程技術人員及其他相關專業人員。本書適合高等院校有關專業用作教材或專業參考書，亦可被電力電子學界和廣大的功率器件和裝置生產企業的工程技術人員作為參考書之用。

圖書目錄

譯者的話

原書第2版序言

原書第1版序言

常用符號

第1章功率半導體器件——高效電能變換裝置中的關鍵器件1

11裝置、電力變流器和功率半導體器件1

111電力變流器的基本原理2

112電力變流器的類型和功率器件的選擇3

12使用和選擇功率半導體6

13功率半導體的套用8

14用於碳減排的電力電子設備11

參考文獻14

第2章半導體的性質17

21引言17

22晶體結構19

23禁帶和本徵濃度21

24能帶結構和載流子的粒子性質24

25摻雜的半導體28

26電流的輸運36

261載流子的遷移率和場電流36

262強電場下的漂移速度42

263載流子的擴散，電流輸運方程式和愛因斯坦關係式43

27複合產生和非平衡載流子的壽命45

271本徵複合機理47

272包含金、鉑和輻射缺陷的複合中心上的複合48

28碰撞電離64

29半導體器件的基本公式70

210簡單的結論73

2101少數載流子濃度的時間和空間衰減73

2102電荷密度的時間和空間衰減74

參考文獻75

第3章pn結80

31熱平衡狀態下的pn結80

311突變結82

312緩變結87

32pn結的IV特性90

33pn結的阻斷特性和擊穿97

331阻斷電流97

332雪崩倍增和擊穿電壓100

333寬禁帶半導體的阻斷能力108

34發射區的注入效率109

35pn結的電容115

參考文獻117

功率半導體器件——原理、特性和可靠性（原書第2版）目錄第4章功率器件工藝的介紹119

41晶體生長119

42通過中子嬗變來調節晶片的摻雜120

43外延生長122

44擴散124

441擴散理論，雜質分布124

442摻雜物的擴散係數和溶解度130

443高濃度效應，擴散機制132

45離子注入134

46氧化和掩蔽138

47邊緣終端140

471斜面終端結構140

472平面結終端結構142

473雙向阻斷器件的結終端143

48鈍化144

49複合中心145

491用金和鉑作為複合中心145

492輻射引入的複合中心147

493Pt和Pd的輻射增強擴散149

410輻射引入雜質150

411GaN器件工藝的若干問題151

參考文獻155

第5章pin二極體160

51pin二極體的結構160

52pin二極體的IV特性161

53pin二極體的設計和阻斷電壓162

54正嚮導通特性167

541載流子的分布167

542結電壓169

543中間區域兩端之間的電壓降170

544在霍爾近似中的電壓降171

545發射極複合、有效載流子壽命和正向特性173

546正向特性和溫度的關係179

55儲存電荷和正向電壓之間的關係180

56功率二極體的開通特性181

57功率二極體的反向恢復183

571定義183

572與反向恢復有關的功率損耗189

573反向恢復：二極體中電荷的動態192

574具有最佳反向恢復特性的快速二極體199

575MOS控制二極體208

58展望213

參考文獻214

第6章肖特基二極體216

61金屬半導體結的能帶圖216

62肖特基結的IV特性217

63肖特基二極體的結構219

64單極型器件的歐姆電壓降220

641額定電壓為200V和100V的矽肖特基二極體與pin二極體的比較222

65SiC肖特基二極體223

651SiC單極二極體特性223

652組合pin肖特基二極體226

653SiC肖特基和MPS二極體的開關特性和耐用性230

參考文獻232

第7章雙極型電晶體234

71雙極型電晶體的工作原理234

72功率雙極型電晶體的結構235

73功率電晶體的IV特性236

74雙極型電晶體的阻斷特性237

75雙極型電晶體的電流增益239

76基區展寬、電場再分布和二次擊穿243

77矽雙極型電晶體的局限性245

78SiC雙極型電晶體245

參考文獻246

第8章晶閘管248

81結構與功能模型248

82晶閘管的IV特性251

83晶閘管的阻斷特性252

84發射極短路點的作用253

85晶閘管的觸發方式254

86觸發前沿擴展255

87隨動觸發與放大門極256

88晶閘管關斷和恢復時間258

89雙向晶閘管260

810門極關斷晶閘管261

811門極換流晶閘管265

參考文獻268

第9章MOS電晶體及場控寬禁帶器件270

91MOSFET的基本工作原理270

92功率MOSFET的結構271

93MOS電晶體的IV特性272

94MOSFET溝道的特性273

95歐姆區域276

96現代MOSFET的補償結構277

97MOSFET特性的溫度依賴性281

98MOSFET的開關特性282

99MOSFET的開關損耗286

910MOSFET的安全工作區287

911MOSFET的反並聯二極體288

912SiC場效應器件292

9121SiC JFET292

9122SiC MOSFET294

9123SiC MOSFET體二極體296

913GaN橫向功率電晶體297

914GaN縱向功率電晶體302

915展望303

參考文獻303

第10章IGBT307

101功能模式307

102IGBT的IV特性309

103IGBT的開關特性310

104基本類型：PTIGBT和NPTIGBT312

105IGBT中的電漿分布315

106提高載流子濃度的現代IGBT317

1061高n發射極注入比的等離子增強317

1062無閂鎖元胞幾何圖形320

1063“空穴勢壘”效應321

1064集電極端的緩衝層322

107具有雙向阻斷能力的IGBT324

108逆導型IGBT325

109IGBT的潛力329

參考文獻332

第11章功率器件的封裝335

111封裝技術面臨的挑戰335

112封裝類型336

1121餅形封裝338

1122TO系列及其派生339

1123模組342

113材料的物理特性347

114熱仿真和熱等效電路349

1141熱參數與電參數間的轉換349

1142一維等效網路354

1143三維熱網路356

1144瞬態熱阻357

115功率模組內的寄生電學元件359

目錄ⅩⅦⅩⅧ功率半導體器件——原理、特性和可靠性（原書第2版）1151寄生電阻359

1152寄生電感362

1153寄生電容365

116先進的封裝技術367

1161銀燒結技術368

1162擴散釺焊370

1163晶片頂部接觸的先進技術371

1164改進後的襯底375

1165先進的封裝理念376

參考文獻379

第12章可靠性和可靠性試驗383

121提高可靠性的要求383

122高溫反向偏置試驗385

123高溫柵極應力試驗388

124溫度濕度偏置試驗390

125高溫和低溫存儲試驗392

126溫度循環和溫度衝擊試驗393

127功率循環試驗395

1271功率循環試驗的實施395

1272功率循環誘發的失效機理400

1273壽命預測模型407

1274失效模式的離析410

1275功率循環的任務配置和疊加414

1276TO封裝模組的功率循環能力417

1277SiC器件的功率循環418

128宇宙射線失效422

1281鹽礦試驗422

1282宇宙射線的由來423

1283宇宙射線失效模式426

1284基本的失效機理模型427

1285基本的設計規則429

1286考慮nn+結後的擴展模型432

1287擴展模型設計的新進展435

1288SiC器件的宇宙射線穩定性437

129可靠性試驗結果的統計評估440

1210可靠性試驗的展望449

參考文獻450

第13章功率器件的損壞機理456

131熱擊穿——溫度過高引起的失效456

132浪涌電流458

133過電壓——電壓高於阻斷能力461

134動態雪崩466

1341雙極型器件中的動態雪崩466

1342快速二極體中的動態雪崩467

1343具有高動態雪崩能力的二極體結構475

1344IGBT關斷過程中的過電流和動態雪崩479

135超出GTO的最大關斷電流481

136IGBT的短路和過電流482

1361短路類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ482

1362短路的熱、電應力486

1363短路時的電流絲491

137IGBT電路失效分析494

參考文獻496

第14章功率器件的感應振盪和電磁干擾500

141電磁干擾的頻率範圍500

142LC振盪502

1421並聯IGBT的關斷振盪502

1422階躍二極體的關斷振盪504

1423寬禁帶器件的關斷振盪506

143渡越時間振盪508

1431電漿抽取渡越時間振盪509

1432動態碰撞電離渡越時間振盪515

1433動態雪崩振盪519

1434傳輸時間振盪的總結521

參考文獻522

第15章集成電力電子系統524

151定義和基本特徵524

152單片集成系統——功率IC526

153GaN單片集成系統529

154印製電路板上的系統集成531

155混合集成533

參考文獻539

附錄ASi與4HSiC中載流子遷移率的建模參數541

附錄B複合中心及相關參數543

附錄C雪崩倍增因子與有效電離率548

附錄D封裝技術中重要材料的熱參數552

附錄E封裝技術中重要材料的電參數553