《功率超結器件》，作者：章文通、張波、李肇基，出版社：人民郵電出版社。本書為國內功率超結器件方向首部專著，入選“十四五”時期國家重點出版專項規劃項目-首期電子信息前沿青年學者出版工程，同時獲國家出版基金和工信學術出版基金資助。
基本介紹
- 中文名：功率超結器件
- 外文名：Power Superjunction Devices
- 作者：章文通、張波、李肇基
- 題材：功率半導體晶片
- 出版時間：2023年7月1日
- 出版社：人民郵電出版社
- 出版地：中國
- 頁數：約 297 頁
- 字數：381千字
- ISBN：9787115589437
- 類別：學術專著
- 定價：149 元
- 開本：16 開
內容簡介,圖書目錄,出版背景,作者簡介,
內容簡介
超結是功率半導體器件領域的創新的耐壓層結構之一，它將常規阻型耐壓層質變為PN 結型耐壓層，突破了傳統比導通電阻和耐壓之間的“矽極限”關係（Ron,sp∝VB^2.5），將 2.5次方關係降低為 1.32次方，甚至是 1.03 次方關係，被譽為功率半導體器件發展的“里程碑”。
本書概述了功率半導體器件的基本信息，重點介紹了作者在功率超結器件研究中獲得的理論、技術與實驗結果，包括電荷場調製概念、超結器件耐壓原理與電場分布、縱向超結器件非全耗盡模式與準線性關係（Ron,sp∝VB^1.03）、橫向超結器件等效襯底模型、全域最佳化法、 低比導通電阻理論等。在此基礎上，本書又提出了勻場耐壓層新概念，即以金屬- 緣體-金屬元胞替代 PN 結元胞，並對這種勻場耐壓層的新套用進行了探索。本書可供半導體器件相關專業的科研工作者參考。
圖書目錄
第1章 功率半導體器件基礎 1
1.1 概述 1
1.2 雪崩擊穿 3
1.2.1 碰撞電離率與Ec增強 3
1.2.2 雪崩擊穿的分析方法 8
1.3 結終端技術與RESURF技術 9
1.3.1 結終端技術 9
1.3.2 RESURF技術 20
1.4 功率MOS電晶體 22
1.5 IGBT 24
1.6 寬禁帶功率半導體器件 25
參考文獻 27
第2章 超結器件耐壓原理與電場分布 30
2.1 超結器件基本結構 30
2.2 電荷場調製 32
2.2.1 電荷場分析 32
2.2.2 電荷場的普適性 34
2.3 超結耐壓層電場分布 35
2.3.1 超結器件耐壓層電場概述 36
2.3.2 電場分布解析 37
2.3.3 特徵厚度與電荷場 47
2.4 超結電場的二維性 49
2.4.1 超結電荷場的二維性 49
2.4.2 超結矢量場與電場三維分布 53
2.4.3 等勢關係 54
2.5 超結器件全域最佳化與設計 57
2.5.1 功率半導體器件雪崩擊穿路徑 58
2.5.2 黃金分割最佳化法 59
2.5.3 神經網路預測 59
參考文獻 62
第3章 縱向超結器件 63
3.1 超結器件NFD模式 63
3.1.1 VB歸一化係數與電荷場歸一化因子 64
3.1.2 NFD模式 66
3.1.3 Ron,min歸一化判斷依據 69
3.1.4 縱向超結器件設計 71
3.1.5 超結器件Ec增強 78
3.2 縱向超結器件Ron,min理論 79
3.2.1 Ron,min物理與解析基礎 79
3.2.2 縱向超結R-阱模型 83
3.2.3 縱向超結Ron,min最佳化法 87
3.2.4 全域Ron,sp和電荷場歸一化因子與Ron,sp-VB關係 91
3.2.5 超結尺寸極限與3-D超結Ron,min 98
3.3 縱向半超結器件Ron,min最佳化 104
3.3.1 縱向半超結二維勢、場解析 105
3.3.2 縱向半超結Ron,min最佳化 108
3.4 縱向超結器件電流特性與安全工作區 114
3.4.1 電流特性 114
3.4.2 安全工作區 115
3.5 縱向超結器件瞬態特性 120
3.6 縱向超結器件實驗 125
3.7 SiC超結器件 133
3.7.1 SiC一般特性 133
3.7.2 SiC超結Ron,min 137
參考文獻 140
第4章 橫向超結器件 144
4.1 橫向超結器件SAD效應 144
4.2 ES模型 145
4.2.1 ES模型簡介 145
4.2.2 SAD效應與理想襯底條件 149
4.2.3 CCL摻雜分布 152
4.3 橫向超結器件Ron,min最佳化 158
4.3.1 橫向超結與縱向超結器件Ron,min最佳化比較 158
4.3.2 橫向超結N、Ld設計 160
4.3.3 橫向超結Ron,sp-VB關係 163
4.4 橫向超結器件設計 165
4.5 橫向超結器件實驗 172
4.5.1 體矽襯底的橫向單元胞超結器件實驗 173
4.5.2 SOI襯底的SJENDIF橫向超結器件實驗 176
4.5.3 基於歸一化導電最佳化的半超結實驗 182
4.5.4 超結Ron,sp∝ 關係初步實驗 186
參考文獻 189
第5章 典型超結器件結構 193
5.1 縱向超結器件結構 193
5.1.1 超結器件典型製造工藝 193
5.1.2 縱向超結器件新結構 196
5.2 橫向超結器件結構 197
5.2.1 抑制SAD效應的典型方法 197
5.2.2 橫向超結器件新結構 198
5.3 超結IGBT器件 200
5.3.1 準單極異位輸運模式 201
5.3.2 全域電導調製型超結IGBT 205
5.4 寬禁帶超結器件 206
5.4.1 SiC超結器件結構 207
5.4.2 GaN超結器件結構 208
5.5 高K耐壓層及器件新結構 209
5.5.1 高K耐壓層機理 210
5.5.2 高K器件新結構 211
參考文獻 213
第6章 勻場器件 222
6.1 勻場耐壓層 222
6.1.1 表面與體內MIS調製 222
6.1.2 新型勻場耐壓層勻場機制 223
6.2 勻場機理與模型 224
6.2.1 電荷自平衡 224
6.2.2 周期場調製模型 227
6.3 勻場器件 233
6.3.1 具有勻場耐壓層的LDMOS器件 233
6.3.2 互補耗盡機理與C-HOF器件 236
6.3.3 三維體內曲率效應與Trench-stop器件 241
6.4 勻場介質終端技術 242
6.5 勻場耐壓層實驗 247
6.5.1 勻場耐壓層實現關鍵工藝 247
6.5.2 勻場耐壓層工藝仿真 249
6.6 勻場器件實驗 251
6.6.1 勻場LDMOS器件實驗 251
6.6.2 C-HOF LDMOS器件實驗 254
6.6.3 具有漏端耗盡截止槽的C-HOF LDMOS器件實驗 257
6.6.4 介質終端技術實驗 259
6.7 勻場耐壓層套用探索 261
6.7.1 SOI器件 261
6.7.2 高壓互連技術與體內曲率結擴展技術 265
6.8 非 式雪崩擊穿原理與more silicon發展 266
參考文獻 274
附錄1 功率半導體器件基本圖表 276
1.1 功率半導體材料性質 276
1.2 給定耐壓層長度L下的矽的理想擊穿電壓VB 276
1.3 給定耐壓層長度L下的理想平均電場Ep0 277
1.4 給定耗盡距離ts下的 摻雜濃度Nmax與最佳化摻雜濃度N的範圍 277
1.5 給定耗盡距離t下的 摻雜劑量Dmax與最佳化摻雜劑量D的範圍 277
1.6 給定摻雜濃度N下的比導通電阻Ron,sp 279
附錄2 超結傅立葉級數法解的化簡與電荷場歸一化 280
附錄3 神經網路實例 287
附錄4 R-阱與Ron,min最佳化算法 289
附錄5 橫向超結耐壓層三維勢、場傅立葉級數法 290
附錄6 本書功率器件發展樹Power tree 294
出版背景
功率半導體是進行電能變換與控制的半導體器件。它是以半導體原理為基礎，將微電子科學與技術套用於電力電子領域發展而來的新興學科。功率半導體包括功率半導體器件和功率積體電路（Integrated Circuit，IC），是電子系統的核心器件，被認為是“中國芯”的重要突破口。功率半導體的變換與控制功能主要包括變壓、變流、變頻、變相、逆變、放大、開關等作用，被廣泛用於通信、工業、消費等領域。
功率半導體器件的發展是以耐壓層為基礎的。超結問世以後，耐壓層便可分為兩類，即電阻型耐壓層和PN結型耐壓層。VDMOS和IGBT以及包括功率二極體、功率BJT和晶閘管在內的傳統功率半導體器件，都為單一N型或P型的電阻型耐壓層，而SJ為PN結型耐壓層。從阻型到結型，是耐壓層的一次質變。在阻型耐壓層中，外加電勢產生的電勢場Ep與電離電荷產生的電荷場Eq同向，其電場近似為一維分布；而在結型耐壓層中，這兩個電場方向相互垂直，其電場可視為二維分布。在超結的每個周期內，電離施主正電荷產生的電通量，幾乎全部被其近旁的電離受主負電荷所吸收，沿電場線橫向流走了。這種雜質補償使它在耐壓方向上可粗略視為本徵型，具有電勢場Ep的矩形場分布，使耐壓提高。但是另一方面，其摻雜濃度卻能有數量級的提升，使導通電阻降低，從而突破傳統“矽極限”，獲得Ron,sp ∝VB關係。因此，超結在國際上被盛譽為“功率半導體器件里程碑”。
超結是功率半導體器件領域最具創新的耐壓層結構之一。可惜迄今，國內外尚未見到功率超結器件的專著。從2010年至今，作者基於實驗室前期基礎，集中對功率超結器件進行了深入的研究，在超結理論、技術和實驗方面做了大量的工作。傳統耐壓層的研究主要是解決結邊緣曲率效應的高場擊穿問題，以實現表面電場的最佳化；而超結卻是在耐壓層內引入電荷，建立體內橫向電荷場。這種使電場從“表面”轉移到“體內”的最佳化思想，啟迪了作者的思維，並促就了本書內容。本書是系統論述功率超結器件理論和技術的專著，該領域遠未成熟，尚待發展，加之作者水平有限，書中定有許多不足，懇請讀者指正。
作者簡介
章文通電子科技大學副教授。從事功率半導體器件與功率集成技術方向研究。以第 一作者身份在IEEE EDL、IEEE TED 上發表論文 19 篇，2 次入選IEEE EDL 封面 Highlight，授權 發明專利 34 項，獲工信部技術發明獎二等獎、中國產學研合作創新成果獎二等獎、電子科技大學學術新人獎等。
張波電子科技大學教授、博士生導師，電子科技大學積體電路研究中心主任、功率集成技術實驗室主任。長期從事功率半導體技術研究，擔任IEEE TED 功率器件領域編輯。發表學術論文 600 余篇，授權 發明專利 200 餘項，獲 科學技術進步獎二等獎等國 家級、省部級獎項 18 項。
李肇基電子科技大學教授、博士生導師，曾任電子科技大學微電子研究所所長、四川省電力電子學會副理事長。從事功率半導體器件與積體電路研究近 40 年，發表學術論文 200 余篇，授權 發明專利 40 餘項，獲 科學技術進步獎二等獎、三等獎等。
