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目錄

譯者的話

原書(shū)第2版序言

原書(shū)第1版序言

常用符號(hào)

第1章功率半導(dǎo)體器件——高效電能變換裝置中的關(guān)鍵器件1

11裝置、電力變流器和功率半導(dǎo)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(dǎo)體6

13功率半導(dǎo)體的應(yīng)用8

14用于碳減排的電力電子設(shè)備11

參考文獻(xiàn)14

第2章半導(dǎo)體的性質(zhì)17

21引言17

22晶體結(jié)構(gòu)19

23禁帶和本征濃度21

24能帶結(jié)構(gòu)和載流子的粒子性質(zhì)24

25摻雜的半導(dǎo)體28

26電流的輸運(yùn)36

261載流子的遷移率和場(chǎng)電流36

262強(qiáng)電場(chǎng)下的漂移速度42

263載流子的擴(kuò)散，電流輸運(yùn)方程式和愛(ài)因斯坦關(guān)系式43

27復(fù)合產(chǎn)生和非平衡載流子的壽命45

271本征復(fù)合機(jī)理47

272包含金、鉑和輻射缺陷的復(fù)合中心上的復(fù)合48

28碰撞電離64

29半導(dǎo)體器件的基本公式70

210簡(jiǎn)單的結(jié)論73

2101少數(shù)載流子濃度的時(shí)間和空間衰減73

2102電荷密度的時(shí)間和空間衰減74

參考文獻(xiàn)75

第3章pn結(jié)80

31熱平衡狀態(tài)下的pn結(jié)80

311突變結(jié)82

312緩變結(jié)87

32pn結(jié)的IV特性90

33pn結(jié)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(dǎo)體的阻斷能力108

34發(fā)射區(qū)的注入效率109

35pn結(jié)的電容115

參考文獻(xiàn)117

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

41晶體生長(zhǎng)119

42通過(guò)中子嬗變來(lái)調(diào)節(jié)晶片的摻雜120

43外延生長(zhǎng)122

44擴(kuò)散124

441擴(kuò)散理論，雜質(zhì)分布124

442摻雜物的擴(kuò)散系數(shù)和溶解度130

443高濃度效應(yīng)，擴(kuò)散機(jī)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(jié)構(gòu)140

472平面結(jié)終端結(jié)構(gòu)142

473雙向阻斷器件的結(jié)終端143

48鈍化144

49復(fù)合中心145

491用金和鉑作為復(fù)合中心145

492輻射引入的復(fù)合中心147

493Pt和Pd的輻射增強(qiáng)擴(kuò)散149

410輻射引入雜質(zhì)150

411GaN器件工藝的若干問(wèn)題151

參考文獻(xiàn)155

第5章pin二極管160

51pin二極管的結(jié)構(gòu)160

52pin二極管的IV特性161

53pin二極管的設(shè)計(jì)和阻斷電壓162

54正向?qū)ㄌ匦?67

541載流子的分布167

542結(jié)電壓169

543中間區(qū)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(fā)射極復(fù)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(guān)系179

55儲(chǔ)存電荷和正向電壓之間的關(guān)系180

56功率二極管的開(kāi)通特性181

57功率二極管的反向恢復(fù)183

571定義183

572與反向恢復(fù)有關(guān)的功率損耗189

573反向恢復(fù)：二極管中電荷的動(dòng)態(tài)192

574具有最佳反向恢復(fù)特性的快速二極管199

575MOS控制二極管208

58展望213

參考文獻(xiàn)214

第6章肖特基二極管216

61金屬半導(dǎo)體結(jié)的能帶圖216

62肖特基結(jié)的IV特性217

63肖特基二極管的結(jié)構(gòu)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的硅肖特基二極管與pin二極管的比較222

65SiC肖特基二極管223

651SiC單極二極管特性223

652組合pin肖特基二極管226

653SiC肖特基和MPS二極管的開(kāi)關(guān)特性和耐用性230

參考文獻(xiàn)232

第7章雙極型晶體管234

71雙極型晶體管的工作原理234

72功率雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)235

73功率晶體管的IV特性236

74雙極型晶體管的阻斷特性237

75雙極型晶體管的電流增益239

76基區(qū)展寬、電場(chǎng)再分布和二次擊穿243

77硅雙極型晶體管的局限性245

78SiC雙極型晶體管245

參考文獻(xiàn)246

第8章晶閘管248

81結(jié)構(gòu)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(fā)射極短路點(diǎn)的作用253

85晶閘管的觸發(fā)方式254

86觸發(fā)前沿?cái)U(kuò)展255

87隨動(dòng)觸發(fā)與放大門極256

88晶閘管關(guān)斷和恢復(fù)時(shí)間258

89雙向晶閘管260

810門極關(guān)斷晶閘管261

811門極換流晶閘管265

參考文獻(xiàn)268

第9章MOS晶體管及場(chǎng)控寬禁帶器件270

91MOSFET的基本工作原理270

92功率MOSFET的結(jié)構(gòu)271

93MOS晶體管的IV特性272

94MOSFET溝道的特性273

95歐姆區(qū)域276

96現(xiàn)代MOSFET的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)277

97MOSFET特性的溫度依賴性281

98MOSFET的開(kāi)關(guān)特性282

99MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗286

910MOSFET的安全工作區(qū)287

911MOSFET的反并聯(lián)二極管288

912SiC場(chǎng)效應(yīng)器件292

9121SiC JFET292

9122SiC MOSFET294

9123SiC MOSFET體二極管296

913GaN橫向功率晶體管297

914GaN縱向功率晶體管302

915展望303

參考文獻(xiàn)303

第10章IGBT307

101功能模式307

102IGBT的IV特性309

103IGBT的開(kāi)關(guān)特性310

104基本類型：PTIGBT和NPTIGBT312

105IGBT中的等離子體分布315

106提高載流子濃度的現(xiàn)代IGBT317

1061高n發(fā)射極注入比的等離子增強(qiáng)317

1062無(wú)閂鎖元胞幾何圖形320

1063“空穴勢(shì)壘”效應(yīng)321

1064集電極端的緩沖層322

107具有雙向阻斷能力的IGBT324

108逆導(dǎo)型IGBT325

109IGBT的潛力329

參考文獻(xiàn)332

第11章功率器件的封裝335

111封裝技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)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模塊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(shù)與電參數(shù)間的轉(zhuǎn)換349

1142一維等效網(wǎng)絡(luò)354

1143三維熱網(wǎng)絡(luò)356

1144瞬態(tài)熱阻357

115功率模塊內(nèi)的寄生電學(xué)元件359

目錄ⅩⅦⅩⅧ功率半導(dǎo)體器件——原理、特性和可靠性（原書(shū)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(jìn)的封裝技術(shù)367

1161銀燒結(jié)技術(shù)368

1162擴(kuò)散釬焊370

1163芯片頂部接觸的先進(jìn)技術(shù)371

1164改進(jìn)后的襯底375

1165先進(jìn)的封裝理念376

參考文獻(xiàn)379

第12章可靠性和可靠性試驗(yàn)383

121提高可靠性的要求383

122高溫反向偏置試驗(yàn)385

123高溫柵極應(yīng)力試驗(yàn)388

124溫度濕度偏置試驗(yàn)390

125高溫和低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)392

126溫度循環(huán)和溫度沖擊試驗(yàn)393

127功率循環(huán)試驗(yàn)395

1271功率循環(huán)試驗(yàn)的實(shí)施395

1272功率循環(huán)誘發(fā)的失效機(jī)理400

1273壽命預(yù)測(cè)模型407

1274失效模式的離析410

1275功率循環(huán)的任務(wù)配置和疊加414

1276TO封裝模塊的功率循環(huán)能力417

1277SiC器件的功率循環(huán)418

128宇宙射線失效422

1281鹽礦試驗(yàn)422

1282宇宙射線的由來(lái)423

1283宇宙射線失效模式426

1284基本的失效機(jī)理模型427

1285基本的設(shè)計(jì)規(guī)則429

1286考慮nn+結(jié)后的擴(kuò)展模型432

1287擴(kuò)展模型設(shè)計(jì)的新進(jìn)展435

1288SiC器件的宇宙射線穩(wěn)定性437

129可靠性試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)評(píng)估440

1210可靠性試驗(yàn)的展望449

參考文獻(xiàn)450

第13章功率器件的損壞機(jī)理456

131熱擊穿——溫度過(guò)高引起的失效456

132浪涌電流458

133過(guò)電壓——電壓高于阻斷能力461

134動(dòng)態(tài)雪崩466

1341雙極型器件中的動(dòng)態(tài)雪崩466

1342快速二極管中的動(dòng)態(tài)雪崩467

1343具有高動(dòng)態(tài)雪崩能力的二極管結(jié)構(gòu)475

1344IGBT關(guān)斷過(guò)程中的過(guò)電流和動(dòng)態(tài)雪崩479

135超出GTO的最大關(guān)斷電流481

136IGBT的短路和過(guò)電流482

1361短路類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ482

1362短路的熱、電應(yīng)力486

1363短路時(shí)的電流絲491

137IGBT電路失效分析494

參考文獻(xiàn)496

第14章功率器件的感應(yīng)振蕩和電磁干擾500

141電磁干擾的頻率范圍500

142LC振蕩502

1421并聯(lián)IGBT的關(guān)斷振蕩502

1422階躍二極管的關(guān)斷振蕩504

1423寬禁帶器件的關(guān)斷振蕩506

143渡越時(shí)間振蕩508

1431等離子體抽取渡越時(shí)間振蕩509

1432動(dòng)態(tài)碰撞電離渡越時(shí)間振蕩515

1433動(dòng)態(tài)雪崩振蕩519

1434傳輸時(shí)間振蕩的總結(jié)521

參考文獻(xiàn)522

第15章集成電力電子系統(tǒng)524

151定義和基本特征524

152單片集成系統(tǒng)——功率IC526

153GaN單片集成系統(tǒng)529

154印制電路板上的系統(tǒng)集成531

155混合集成533

參考文獻(xiàn)539

附錄ASi與4HSiC中載流子遷移率的建模參數(shù)541

附錄B復(fù)合中心及相關(guān)參數(shù)543

附錄C雪崩倍增因子與有效電離率548

附錄D封裝技術(shù)中重要材料的熱參數(shù)552

附錄E封裝技術(shù)中重要材料的電參數(shù)553

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前言/序言

譯者的話

本書(shū)是根據(jù)德國(guó)JLutz、HSchlangenotto、UScheuermann和RDe Doncker所著的第2版Semiconductor Power Devices：Physics，Characteristics，Reliability(2018年出版)翻譯的。

作者JLutz博士是開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)的教授，HSchlangenotto博士是達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的教授，RDe Doncker博士是亞琛工業(yè)大學(xué)的教授。他們長(zhǎng)期從事功率半導(dǎo)體器件的研究和教學(xué)工作，在業(yè)內(nèi)享有盛譽(yù)。UScheuermann博士在德國(guó)Semikron公司從事功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)研究工作，特別在封裝、可靠性和系統(tǒng)集成方面做出了重要貢獻(xiàn)。

本書(shū)系統(tǒng)地闡述了各種功率半導(dǎo)體器件的原理和特性，詳細(xì)地介紹了它們的設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)試、可靠性以及損壞機(jī)理。書(shū)中介紹的功率半導(dǎo)體器件涵蓋了各種二極管、晶閘管，以及現(xiàn)代功率器件MOSFET和IGBT等。此外，還介紹了SiC、GaN器件和場(chǎng)控寬禁帶新器件。書(shū)中論述特別注重對(duì)這些現(xiàn)代功率器件研發(fā)新成果的評(píng)價(jià)。本書(shū)對(duì)該專業(yè)的師生和從事功率半導(dǎo)體器件的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的工程技術(shù)人員很有幫助，是該領(lǐng)域難得一見(jiàn)的好書(shū)。

譯者原書(shū)第2版序言

本書(shū)第1版被業(yè)界的專業(yè)人士廣泛使用并接受。功率器件的快速發(fā)展使得有必要對(duì)原書(shū)更新再版修訂。

在第2版里，修改并大幅增加了擴(kuò)散原理的闡述。增加了300mm硅IGBT的工藝。輻射引入摻雜和GaN（氮化鎵）工藝是全新的章節(jié)。在關(guān)于肖特基二極管的章節(jié)里，對(duì)金屬半導(dǎo)體結(jié)物理學(xué)的改進(jìn)處理做了修訂，并增加了關(guān)于組合肖特基二極管的內(nèi)容。在晶閘管章節(jié)，增加了門極換流晶閘管GCT的描述。MOS晶體管和場(chǎng)控寬禁帶器件章節(jié)取代了之前MOSFET的章節(jié)。盡管寬禁帶器件取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但I(xiàn)GBT依然被認(rèn)為是未來(lái)功率器件的主流。本書(shū)增加了逆導(dǎo)型IGBT的描述，并討論了IGBT的未來(lái)潛力。

基于封裝技術(shù)的快速進(jìn)步，之前關(guān)于封裝的章節(jié)由下面兩個(gè)章節(jié)來(lái)取代：“功率器件的封裝”以及“可靠性和可靠性試驗(yàn)”。關(guān)于可靠性的章節(jié)被大幅擴(kuò)展，尤其是新的試驗(yàn)方法和寬禁帶器件。一個(gè)關(guān)于宇宙射線引發(fā)的失效的綜述也加在這個(gè)章節(jié)里面。

最后，本書(shū)還增加了關(guān)于瞬態(tài)雪崩振蕩的最新研究成果及單片集成的GaN器件的進(jìn)展。

功率器件行業(yè)的幾位研究人員在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中提供了有用的討論、建議和評(píng)論，他們是ABB Semiconductors（ABB半導(dǎo)體）的Arnost Kopta和Munaf Rahimo，EpiGaN的Markus Behet，F(xiàn)raunhofer IAF Freiburg的Richard Reiner，F(xiàn)uji Electric（富士電機(jī)）的Daniel Hofmann，Infineon（英飛凌）的Thomas Laska，Roland Rupp，HansJoachim Schulze和Ralf Siemieniec，Navitas的Dan Kinzer，Semikron的Marion Junghnel，豐田汽車的Tomoyuki Shoji，Bremen大學(xué)的Nando Kaminski，Chemnitz工業(yè)大學(xué)的Ulrich Schwarz，Kassel大學(xué)的Christian Felgemacher，BadenWuerttemberg Cooperative 州立大學(xué)的Axel Richter。在Chemnitz 工業(yè)大學(xué)的幾位碩士和博士研究生也提供了大力支持，特別是Menia BeierMbius、Riteshkumar Bnojani、Haiyang Cao、Susanne Fichtner、Jrg Franke、Christian Herold、Shanmuganathan Palanisamy、Peter Seidel和Guang Zeng。Stefanie Glckner幫助修改了英文。最后，作者要感謝功率電子行業(yè)很多其他的學(xué)者和學(xué)生，感謝他們對(duì)第2版的點(diǎn)評(píng)和討論。

Josef Lutz

Heinrich Schlangenotto

Uwe Scheuermann

Rik De Doncker

原書(shū)第1版序言

電力電子技術(shù)在工業(yè)和社會(huì)中變得越來(lái)越重要。它有顯著提高電力系統(tǒng)效率的潛力，而這是很重要的。為了發(fā)掘這一潛能，不論是開(kāi)發(fā)或改進(jìn)器件的工程師，還是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用工程師，都需要理解功率半導(dǎo)體器件的基本原理。另外，因?yàn)榘雽?dǎo)體器件只有在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)它的正常功能，為了可靠的應(yīng)用，連接技術(shù)、相關(guān)材料的封裝技術(shù)和冷卻問(wèn)題都必須加以考慮。

本書(shū)的讀者包括學(xué)生和功率器件設(shè)計(jì)及電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域工作的工程師。本書(shū)側(cè)重于現(xiàn)代半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件(例如功率MOSFET和IGBT)，以及必需的續(xù)流二極管。在實(shí)踐中，工程師可以從本書(shū)中對(duì)某個(gè)器件的內(nèi)容入手展開(kāi)工作。每一個(gè)章節(jié)先開(kāi)始描述器件的結(jié)構(gòu)和通用特性，然后針對(duì)其物理工作原理仔細(xì)加以闡述。深入地討論所需的半導(dǎo)體物理原理，pn結(jié)的工作原理和基本工藝技術(shù)。這些題目在本書(shū)中有深入分析，所以本書(shū)對(duì)半導(dǎo)體器件的專業(yè)人士也具有價(jià)值。

本書(shū)中的某些題目是第一次在關(guān)于功率器件的英文教科書(shū)中仔細(xì)闡述。在器件物理中，我們將詳細(xì)討論現(xiàn)代功率器件里用來(lái)控制正向和開(kāi)關(guān)特性的發(fā)射極復(fù)合。我們會(huì)給出關(guān)于發(fā)射極復(fù)合特性參數(shù)影響的詳細(xì)討論。另外，基于對(duì)用于可靠性應(yīng)用的封裝技術(shù)重要性的認(rèn)知日益增強(qiáng)，本書(shū)還包含了關(guān)于封裝和可靠性的章節(jié)。在電力電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，工程師們經(jīng)常會(huì)遇到失效及其沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到的后果，以及為了查找失效的根本原因而費(fèi)時(shí)工作。所以，本書(shū)還給出了關(guān)于從長(zhǎng)期實(shí)踐中獲得的失效機(jī)理和供電電路中的振蕩效應(yīng)的章節(jié)。

本書(shū)是JLutz在Chemnitz科技大學(xué)有關(guān)“功率器件”的講義，以及早前HSchlangenotto在Darmstadt科技大學(xué)于1991～2001年有關(guān)“功率器件”的講義的基礎(chǔ)上編寫(xiě)而成的?；谶@些講義和附加的關(guān)于新器件、封裝、可靠性和失效機(jī)制的大量?jī)?nèi)容，Lutz于2006年發(fā)表了德文教科書(shū)HalbleiterLeistungsbauelemente：Physik,Eigenschaften,Zuverlssigkeit。這本英文教科書(shū)不是德文版的簡(jiǎn)單翻譯，而是增添了大量新的內(nèi)容。

關(guān)于半導(dǎo)體性質(zhì)和pn結(jié)的章節(jié)，以及pin二極管章節(jié)的一部分內(nèi)容是由HSchlangenotto改寫(xiě)和充實(shí)的。JLutz增添了關(guān)于晶閘管、MOSFET、IGBT和失效機(jī)理的章節(jié)。UScheuermann撰寫(xiě)了關(guān)于封裝技術(shù)、可靠性和系統(tǒng)集成的章節(jié)。RDe Doncker提供了作為核心器件的功率器件的介紹。所有的作者都為其他非他們主筆的章節(jié)做出了貢獻(xiàn)。

一些功率器件領(lǐng)域的學(xué)者在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中提供了翻譯、建議和評(píng)論上的支持，并進(jìn)行了有益的討論。這些學(xué)者包括ABB半導(dǎo)體公司的Arnost kopta、Stefan Linder和Munaf Rahimo,BMW公司的Dieter Polenov，英飛凌（Infineon）公司的Thomas Laska、Anton Mauder、FranzJosef Niedernostheide、Ralf Siemieniec和Gerald Soelkner，斯德哥爾摩皇家工學(xué)院(KTH Stockholm)的Martin Domeij和Anders Hallén,SATIE公司的Stephane Lefebvre,Secos公司的Michael Reschke,Semikron公司的Reinhard Herzer和Werner Tursky,SiCED公司的Wolfgang Bartsch,不來(lái)梅(Bremen)大學(xué)的Dieter Silber,羅斯托克(Rostock)大學(xué)的Hans Günter Eckel。開(kāi)姆尼茨(Chemnitz)工業(yè)大學(xué)的幾位本科生和博士生也為本書(shū)提供了支持，他們是Hanspeter Felsl、Birk Heinze、Roman Baburske、Marco Bohllnder、Tilo Pollera Matthias Baumann和Thomas Basler。亞琛工業(yè)大學(xué)(RWTH Aachen)的Thomas Blum和Florian Mura翻譯了關(guān)于MOSFET的章節(jié)，MaryJoan Blümich為英文文字進(jìn)行了潤(rùn)色。最后，作者向?yàn)楸緯?shū)提供了重要意見(jiàn)和討論的眾多其他電力電子技術(shù)的學(xué)者和學(xué)生致謝。

德國(guó)開(kāi)姆尼茨，Josef Lutz

德國(guó)新伊森堡，Heinrich Schlangenotto

德國(guó)紐倫堡，Uwe Scheuermann

德國(guó)亞琛，Rik De Doncker

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