IGBT理論與設計

《IGBT理論與設計》是2020年機械工業出版社出版的圖書。

基本介紹

• 中文名：IGBT理論與設計
• 出版時間：2020年11月1日
• 出版社：機械工業出版社
• ISBN：9787111663522

內容簡介

本書首先對不同類型的IGBT工作原理進行了介紹，然後從IGBT的結構出發，給出了IGBT中MOS結構和雙極型結構的工作原理，接下來詳細說明了它們如何影響IGBT的正向傳導特性，詳細研究了IGBT模型，包括靜態、動態和電熱行為，討論了IGBT中的閂鎖效應，以及預防閂鎖的詳細處理方法。藉助計算機輔助設計工具深入研究了IGBT單元的設計技術，從結構、摻雜分布、溝道長度、跨導和正向壓降、導通和開關損耗、單元布圖和間距，以及緩衝層最佳化，直至場環和場板終端設計。本書還介紹了製造功率IGBT的工藝技術，對功率IGBT模組和相關的技術進行了討論。對新的IGBT技術也進行了介紹。本書*後介紹了IGBT在電動機驅動，汽車點火控制、電源、焊接、感應加熱等領域中的套用情況。本書涵蓋內容廣泛，講述由淺入深。在各章中提供了大量實例以及附加問題，更加適合課堂教學，同時，每章後給出的參考文獻將為研究人員提供關於IGBT一些有用的指導。

本書既可以滿足電力電子技術和微電子技術中功率器件相關課程的學生需求，也可以滿足專業工程師和技術人員進行IGBT研究的需求。

圖書目錄

譯者序

原書前言

原書致謝

作者簡介

第1章功率器件的演變和IGBT的出現1

1.1背景介紹1

1.2IGBT3

1.3IGBT的優缺點5

1.4IGBT的結構和製造8

1.5等效電路的表示9

1.6工作原理及電荷控制現象10

1.7電路建模11

1.8IGBT的封裝選擇15

1.9IGBT的操作注意事項15

1.10IGBT柵極驅動電路15

1.11IGBT的保護17

1.12小結18

練習題19

參考文獻20

第2章IGBT基礎和工作狀態回顧24

2.1器件結構24

2.1.1橫向IGBT和垂直IGBT24

2.1.2非穿通 IGBT和穿通 IGBT26

2.1.3互補器件31

2.2器件工作模式32

2.2.1反向阻斷模式32

2.2.2正向阻斷和傳導模式33

2.3IGBT的靜態特性35

2.3.1電流-電壓特性35

2.3.2IGBT的轉移特性37

2.4IGBT的開關行為37

2.4.1IGBT開啟37

2.4.2具有電阻負載的IGBT開啟38

2.4.3具有電感負載的IGBT開啟40

2.4.4IGBT關斷43

2.4.5帶有電阻負載的IGBT關斷45

2.4.6帶有電感負載的IGBT關斷47

2.4.7關斷時間對集電極電壓和電流的依賴性48

2.4.8NPT-IGBT和PT-IGBT的軟開關性能49

2.4.9並聯的考慮51

2.5安全工作區域52

2.5.1柵極電壓振盪引起的不穩定性54

2.5.2可靠性測試54

2.6高溫工作56

2.7輻射效應57

2.8溝槽柵極IGBT和注入增強型IGBT58

2.9自鉗位 IGBT60

2.10IGBT的額定值和套用61

2.11小結64

練習題64

參考文獻66

第3章IGBT中的MOS結構70

3.1一般考慮70

3.1.1MOS基本理論70

3.1.2功率MOSFET結構70

3.1.3MOSFET-雙極型電晶體比較73

3.2MOS結構分析和閾值電壓74

3.3MOSFET的電流-電壓特性、跨導和漏極電阻82

3.4DMOSFET和UMOSFET的導通電阻模型84

3.4.1DMOSFET模型84

3.4.2UMOSFET模型86

3.5MOSFET等效電路和開關時間89

3.6安全工作區域91

3.7中子和伽馬射線損傷效應92

3.8MOSFET的熱行為93

3.9DMOSFET單元視窗和拓撲設計94

3.10小結95

練習題95

參考文獻96

附錄3.1式（3.2a）和式（3.2b）的推導97

附錄3.2式（3.7）的推導98

附錄3.3推導在強反型轉變點的半導體體電勢ψB和表面電荷Qs的公式100

附錄3.4式（3.33）~式（3.36）的推導 101

附錄3.5式（3.39）的推導103

附錄3.6式（3.49）的推導104

第4章IGBT中的雙極型結構106

4.1PN結二極體106

4.1.1內建電勢0107

4.1.2耗盡層寬度xd和電容Cj111

4.1.3擊穿電壓VB112

4.1.4電流-電壓(id-va)方程115

4.1.5反向恢復特性117

4.2PIN整流器118

4.3雙極結型電晶體123

4.3.1靜態特性和電流增益123

4.3.2功率電晶體開關126

4.3.3電晶體開關時間127

4.3.4安全工作區128

4.4晶閘管129

4.4.1晶閘管的工作狀態129

4.4.2晶閘管的di/dt性能和反向柵極電流脈衝導致的關斷失效131

4.4.3晶閘管的dv/dt額定值132

4.4.4晶閘管開啟和關斷時間133

4.5結型場效應電晶體134

4.6小結135

練習題135

參考文獻136

附錄4.1漂移和擴散電流密度137

附錄4.2愛因斯坦方程139

附錄4.3連續性方程及其解139

附錄4.4連續性方程式（4.41）的解142

附錄4.5式（4.50）的推導143

附錄4.6電流密度式（4.55）和式（4.56）的推導147

附錄4.7電晶體的端電流［式（4.57）和式（4.58）］150

附錄4.8共基極電流增益αT［式（4.63）］153

第5章IGBT的物理建模156

5.1IGBT的PIN整流器- DMOSFET模型156

5.1.1基本模型公式156

5.1.2導通狀態下IGBT漂移區的載流子分布158

5.1.3IGBT的正向壓降 160

5.1.4導通狀態下載流子分布的二維模型161

5.2通過PIN整流器-DMOSFET模型擴展的IGBT雙極型電晶體-DMOSFET模型164

5.2.1正向傳導特性164

5.2.2IGBT中MOSFET的正向壓降168

5.2.3IGBT的有限集電極輸出電阻169

5.3包含器件-電路相互作用的IGBT的雙極型電晶體-DMOSFET模型171

5.3.1穩態正向傳導狀態171

5.3.2IGBT的動態模型及其開關行為174

5.3.3IGBT關斷瞬態的狀態方程176

5.3.4電感負載關斷期間dV/dt的簡化模型179

5.3.5IGBT的動態電熱模型183

5.3.6電路分析模型參數的提取190

5.4小結190

練習題190

參考文獻192

附錄5.1式（5.8）的解194

附錄5.2式（5.33）和式（5.34）的推導195

參考文獻196

附錄5.3式（5.35）的推導196

附錄5.4式（5.38）的推導［式（5.35）的解］197

附錄5.5式（5.40）~式（5.42）的推導198

附錄5.6式（5.44）的推導199

附錄5.7式（5.81）的推導和1-D線性元件等效導電網路的構建203

參考文獻206

第6章IGBT中寄生晶閘管的閂鎖207

6.1引言207

6.2靜態閂鎖209

6.3動態閂鎖211

6.3.1具有電阻負載的對稱IGBT的閂鎖211

6.3.2具有電阻負載的非對稱IGBT的閂鎖214

6.3.3具有電感負載的對稱IGBT的閂鎖215

6.4閂鎖的預防措施216

6.5溝槽柵極IGBT的閂鎖電流密度231

6.6小結 232

練習題232

參考文獻234

附錄6.1式(6.15)的推導235

附錄6.2式(6.20)的推導236

第7章IGBT單元的設計考慮238

7.1半導體材料選擇和垂直結構設計238

7.1.1起始材料238

7.1.2擊穿電壓240

7.1.3擊穿模型243

7.2基於分析計算和數值仿真的IGBT設計246

7.2.1設計方法和CAD仿真層次結構246

7.2.2設計軟體248

7.2.3DESSIS-ISE中的物理模型248

7.2.4計算和仿真過程250

7.3N型緩衝層結構的最佳化258

7.4場環和場板終端設計260

7.4.1關鍵設計參數261

7.4.2場環的設計方法262

7.4.3帶場限環PIN二極體擊穿電壓的數值仿真264

7.4.4環間距的疊代最佳化264

7.4.5通過使電場分布均勻化的準三維仿真來設計場環265

7.4.6表面電荷效應和場板附加結構265

7.5表面離子注入的終端結構267

7.6用於橫向IGBT中擊穿電壓增強的減小的表面電場概念267

7.7小結269

練習題269

參考文獻271

附錄7.1倍增係數M272

附錄7.2VBR方程273

附錄7.3雪崩擊穿電壓VB274

參考文獻275

附錄7.4穿通電壓VPT275

附錄7.5BVCYL/BVPP公式275

參考文獻278

第8章IGBT工藝設計與製造技術279

8.1工藝順序定義279

8.1.1VDMOSFET IGBT製造279

8.1.2溝槽柵極IGBT製造286

8.2單工藝步驟291

8.2.1外延澱積291

8.2.2熱氧化291

8.2.3熱擴散周期293

8.2.4離子注入294

8.2.5光刻296

8.2.6多晶矽、氧化矽和氮化矽的化學氣相澱積296

8.2.7反應電漿刻蝕297

8.2.8金屬化298

8.2.9電子輻照299

8.2.10質子輻照300

8.2.11He注入300

8.2.12封裝300

8.3工藝集成和仿真301

練習題306

參考文獻307

附錄8.1矽的熱氧化309

參考文獻311

附錄8.2式(8.3)~式(8.5)的推導312

第9章功率IGBT模組316

9.1並聯IGBT以及邏輯電路與功率器件的集成316

9.2功率模組技術319

9.2.1襯底和銅澱積319

9.2.2晶片安裝322

9.2.3互連和封裝322

9.3隔離技術323

9.3.1介質隔離323

9.3.2自隔離324

9.3.3PN結隔離325

9.4可集成的器件：雙極型、CMOS、DMOS（BCD）和IGBT325

9.5功率IGBT驅動、溫度感應和保護325

9.6IGBT模組封裝中的寄生元件327

9.7扁平封裝的IGBT模組328

9.8IGBT模組的理想特性和可靠性問題330

9.9模組的散熱和冷卻331

9.10大功率IGBT模組的材料要求332

9.11最新技術和趨勢333

練習題335

參考文獻336

第10章新型IGBT的設計理念、結構創新和新興技術339

10.1在導通狀態電壓降和開關損耗之間的折中339

10.2在溝槽IGBT導通態載流子分布的並聯和耦合PIN二極體-PNP型電晶體模型341

10.3性能優越的非自對準溝槽IGBT342

10.4動態N型緩衝IGBT344

10.5具有反向阻斷能力的橫向IGBT345

10.6抗高溫閂鎖的橫向IGBT346

10.7具有高閂鎖電流性能的自對準側壁注入的N+發射極橫向IGBT347

10.8更大FBSOA的LIGBT改進結構348

10.9集成電流感測器的橫向IGBT348

10.10介質隔離的快速LIGBT349

10.11薄絕緣體上矽襯底上的橫向IGBT350

10.12改進閂鎖特性的橫向溝槽柵極雙極型電晶體350

10.13溝槽平面IGBT351

10.14相同基區技術中的簇IGBT352

10.15溝槽簇IGBT353

10.16雙柵極注入增強型柵極電晶體354

10.17SiC IGBT356

10.18小結和趨勢357

練習題358

參考文獻359

附錄10.1集電結的電子電流360

附錄10.2瞬態基區存儲電荷Qbase(t)361

附錄10.3存在可動載流子濃度時的耗盡寬度361

附錄10.4調製的基區電阻Rb362

附錄10.5由於IGBT中PIN二極體末端複合而導致的導通態壓降363

附錄10.6能量損耗364

附錄10.7在TIGBT發射區端的N-基區的過剩載流子濃度Pw364

附錄10.8IGBT的N-基區上的導通電壓降368

第11章IGBT電路套用370

11.1DC-DC轉換370

11.1.1降壓轉換器370

11.1.2升壓轉換器376

11.1.3降壓-升壓轉換器378

11.2DC-AC轉換379

11.2.1單相半橋逆變器379

11.2.2單相全橋逆變器381

11.2.3採用脈衝寬度調製的AC電壓控制384

11.2.4三相全橋逆變器386

11.3AC-DC轉換387

11.4軟開關轉換器391

11.4.1軟開關DC-DC轉換器391

11.4.2軟開關逆變器395

11.4.3軟開關的優點398

11.5IGBT電路仿真399

11.5.1SPICE IGBT模型的參數提取過程399

11.5.2基於物理的IGBT電路模型的參數提取400

11.5.3IGBT的SABER建模401

11.6IGBT轉換器的套用402

11.6.1開關電源402

11.6.2不間斷電源404

11.6.3DC電動機驅動406

11.6.4AC電動機驅動406

11.6.5汽車點火控制408

11.6.6焊接409

11.6.7感應加熱410

11.7小結410

練習題411

參考文獻413