功率半导体器件基础pdf电子书版本下载

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第1章 绪论 1

1.1 理想和典型的功率开关模型 2

1.2 理想和典型的功率器件参数 3

1.3 单极功率器件 4

1.4 双极功率器件 5

1.5 MOS双极功率器件 5

1.6 单极功率器件的理想漂移区 6

1.7 电荷耦合结构：理想的特征导通电阻 8

1.8 小结 10

习题 10

参考文献 10

第2章 材料特性和传输物理 12

2.1 基本特性 12

2.1.1 本征载流子浓度 12

2.1.2 带隙变窄 14

2.1.3 内建电势 16

2.1.4 零偏置耗尽宽度 17

2.1.5 碰撞电离系数 17

2.1.6 载流子迁移率 18

2.2 电阻率 28

2.2.1 本征电阻率 28

2.2.2 非本征电阻率 28

2.2.3 中子嬗变掺杂 30

2.3 复合寿命 32

2.3.1 Shockley-Read-Hall复合 33

2.3.2 小注入寿命 35

2.3.3 空间电荷产生寿命 36

2.3.4 复合能级优化 37

2.3.5 寿命控制 42

2.3.6 俄歇复合 44

2.4 欧姆接触 46

2.5 小结 47

习题 47

参考文献 48

第3章 击穿电压 51

3.1 雪崩击穿 51

3.1.1 碰撞电离系数的幂定律近似 51

3.1.2 倍增系数 52

3.2 突变一维二极管 53

3.3 理想比通态电阻 56

3.4 突变穿通二极管 57

3.5 线性缓变结二极管 58

3.6 边缘终端 60

3.6.1 平面结终端 60

3.6.2 带浮空场环的平面结 66

3.6.3 带多重浮空场环的平面结 72

3.6.4 带场板的平面结 72

3.6.5 带场板与场环的平面结 75

3.6.6 斜角边缘终端 75

3.6.7 腐蚀终端 80

3.6.8 结终端扩展 81

3.7 基极开路晶体管击穿 83

3.7.1 复合斜角终端 86

3.7.2 双正斜角终端 86

3.8 表面钝化 87

3.9 小结 87

习题 88

参考文献 88

第4章 肖特基整流器 90

4.1 功率肖特基整流器结构 90

4.2 金属-半导体接触 90

4.3 正向导通 91

4.4 反向阻断 96

4.4.1 漏电流 96

4.4.2 肖特基势垒降低 97

4.4.3 击穿前雪崩倍增 98

4.4.4 碳化硅整流器 99

4.5 器件电容 100

4.6 散热考虑 101

4.7 基本折中分析 103

4.8 器件工艺 104

4.9 势垒高度调整 105

4.10 边缘终端 106

4.11 小结 107

习题 107

参考文献 108

第5章 P-i-N整流器 110

5.1 一维结构 110

5.1.1 复合电流 110

5.1.2 小注入电流 111

5.1.3 大注入电流 112

5.1.4 末端区的注入 118

5.1.5 载流子间的散射效应 119

5.1.6 俄歇复合效应 119

5.1.7 正向导通特性 120

5.2 碳化硅P-i-N整流器 124

5.3 反向阻断 125

5.4 开关特性 127

5.4.1 正向恢复 128

5.4.2 反向恢复 132

5.5 带缓冲层的P-i-N整流器结构 142

5.6 非穿通型P-i-N整流器结构 143

5.7 P-i-N整流器的折中曲线 146

5.8 小结 149

习题 149

参考文献 150

第6章 功率MOS场效应晶体管 151

6.1 理想的特征导通电阻 151

6.2 器件元胞结构和工作原理 152

6.2.1 V-MOSFET结构 153

6.2.2 VD-MOSFET结构 153

6.2.3 U-MOSFET结构 154

6.3 器件基本特性 154

6.4 阻断电压 156

6.4.1 终端的影响 156

6.4.2 渐变掺杂分布的影响 157

6.4.3 寄生双极型晶体管的影响 157

6.4.4 元胞节距的影响 158

6.4.5 栅形状的影响 160

6.4.6 元胞表面布局的影响 161

6.5 正向导通特性 162

6.5.1 MOS界面物理特性 162

6.5.2 MOS表面电荷分析 164

6.5.3 最大耗尽宽度 166

6.5.4 阈值电压 168

6.5.5 沟道电阻 173

6.6 功率MOSFET导通电阻 176

6.6.1 源接触电阻 177

6.6.2 源区电阻 178

6.6.3 沟道电阻 179

6.6.4 积累电阻 179

6.6.5 JFET电阻 180

6.6.6 漂移区电阻 181

6.6.7 N+衬底电阻 183

6.6.8 漏接触电阻 184

6.6.9 总导通电阻 184

6.7 功率VD-MOSFET元胞优化 186

6.7.1 栅电极宽度的优化 186

6.7.2 击穿电压的影响 187

6.7.3 设计规则的影响 189

6.7.4 元胞布局的影响 190

6.8 功率U-MOSFET的导通电阻 194

6.8.1 源接触电阻 195

6.8.2 源区电阻 196

6.8.3 沟道电阻 196

6.8.4 积累区电阻 196

6.8.5 漂移区电阻 197

6.8.6 N+衬底电阻 198

6.8.7 漏极接触电阻 198

6.8.8 总导通电阻 198

6.9 功率U-MOSFET结构的元胞优化 200

6.9.1 垂直P型基区的接触孔结构 200

6.9.2 击穿电压影响 201

6.9.3 可靠性优化 202

6.10 平方关系的传输特性 203

6.11 超线性传输特性 205

6.12 输出特性 207

6.13 器件电容 210

6.13.1 基本MOS电容 210

6.13.2 功率VD-MOSFET结构的电容 211

6.13.3 功率U-MOSFET结构的电容 217

6.13.4 等效电路 222

6.14 栅电荷 223

6.14.1 栅电荷提取 223

6.14.2 电压与电流关系 227

6.14.3 VD-MOSFET与U-MOSFET结构比较 229

6.14.4 元胞节距对VD-MOSFET结构与U-MOSFET结构的影响 230

6.15 高频工作优化 232

6.15.1 输入开关损耗 232

6.15.2 输出开关损耗 236

6.15.3 栅信号延迟 237

6.16 开关特性 238

6.16.1 开启瞬态 238

6.16.2 关断瞬态 240

6.16.3 开关功率损耗 241

6.16.4 ［dV/dt］能力 242

6.17 安全工作区 244

6.17.1 双极型晶体管二次击穿 245

6.17.2 MOS二次击穿 246

6.18 内部体二极管 247

6.18.1 反向恢复优化 247

6.18.2 寄生双极型晶体管影响 247

6.19 高温特性 248

6.19.1 阈值电压 248

6.19.2 导通电阻 249

6.19.3 饱和区跨导 249

6.20 互补器件 250

6.20.1 P沟道结构 250

6.20.2 导通电阻 250

6.20.3 深槽结构 250

6.21 硅功率MOSFET制造工艺 251

6.21.1 平面VD-MOSFET工艺 251

6.21.2 槽形U-MOSFET工艺 252

6.22 碳化硅器件 253

6.22.1 巴利加对（Baliga-Pair）构造 254

6.22.2 平面功率MOSFET结构 259

6.22.3 屏蔽型平面功率MOSFET结构 261

6.22.4 屏蔽型槽栅功率MOSFET结构 265

6.23 小结 270

习题 270

参考文献 272

第7章 双极结型晶体管 275

7.1 功率双极结型晶体管结构 275

7.2 基本工作原理 276

7.3 静态阻断特性 278

7.3.1 发射极开路击穿电压 278

7.3.2 基极开路击穿电压 278

7.3.3 基极-发射极短路工作原理 280

7.4 电流增益 281

7.4.1 发射极注入效率 282

7.4.2 考虑耗尽区复合的发射极注入效率 284

7.4.3 基区大注入时发射极注入效率 285

7.4.4 基区输运系数 288

7.4.5 集电极电流密度很大时的基区扩展效应 290

7.5 发射极电流集边效应 297

7.5.1 基极小注入 298

7.5.2 基极大注入 300

7.5.3 发射极图形 302

7.6 输出特性 302

7.7 导通特性 305

7.7.1 饱和区 306

7.7.2 准饱和区 308

7.8 开关特性 309

7.8.1 导通过程 310

7.8.2 关断过程 316

7.9 安全工作区 325

7.9.1 正向二次击穿 325

7.9.2 反向二次击穿 327

7.9.3 安全工作区的界限 329

7.10 达林顿结构 329

7.11 小结 331

习题 331

参考文献 332

第8章 晶闸管 334

8.1 功率晶闸管结构和工作特性 335

8.2 阻断特性 337

8.2.1 反向阻断能力 337

8.2.2 正向阻断能力 340

8.2.3 阴极短路 343

8.2.4 阴极短路的几何结构 344

8.3 导通特性 348

8.3.1 导通状态 349

8.3.2 栅极触发电流 349

8.3.3 维持电流 351

8.4 开关特性 353

8.4.1 开启时间 354

8.4.2 栅极设计 358

8.4.3 放大栅极设计 359

8.4.4 耐［dV/dt］能力 360

8.4.5 关断过程 365

8.5 光控晶闸管 366

8.5.1 耐［dI/dt］能力 366

8.5.2 栅极区域设计 367

8.5.3 光产生的电流密度 367

8.5.4 放大栅设计 368

8.6 自保护晶闸管 369

8.6.1 正向击穿保护 369

8.6.2 ［dV/dt］开启保护 371

8.7 可关断晶闸管 373

8.7.1 基本结构和工作原理 373

8.7.2 一维关断准则 374

8.7.3 一维存储时间分析 376

8.7.4 二维存储时间模型 376

8.7.5 一维电压上升时间模型 377

8.7.6 一维电流下降时间模型 379

8.7.7 开关能量损失 385

8.7.8 最大的关断电流 386

8.7.9 元胞设计和版图 387

8.8 三端双向可控硅结构 387

8.8.1 基本结构和工作原理 389

8.8.2 栅触发模型1 389

8.8.3 栅触发模式2 389

8.8.4 耐［dV/dt］能力 390

8.9 小结 391

习题 391

参考文献 392

第9章 绝缘栅双极晶体管 394

9.1 基本器件结构 396

9.2 器件工作和输出特性 398

9.3 器件等效电路 400

9.4 阻断特性 400

9.4.1 对称结构正向阻断性能 400

9.4.2 对称结构反向阻断性能 403

9.4.3 对称结构漏电流 404

9.4.4 非对称结构正向阻断性能 407

9.4.5 非对称结构反向阻断性能 411

9.4.6 非对称结构漏电流 412

9.5 通态特性 416

9.5.1 通态模型 416

9.5.2 通态载流子分布：对称结构 420

9.5.3 导通压降：对称结构 424

9.5.4 通态载流子分布：非对称结构 427

9.5.5 导通压降：非对称结构 431

9.5.6 通态载流子分布：透明发射极结构 435

9.5.7 导通压降：透明发射极结构 438

9.6 饱和电流模型 439

9.6.1 载流子分布：对称结构 442

9.6.2 输出特性：对称结构 446

9.6.3 输出电阻：对称结构 449

9.6.4 载流子分布：非对称结构 450

9.6.5 输出特性：非对称结构 456

9.6.6 输出电阻：非对称结构 458

9.6.7 载流子分布：透明发射极结构 459

9.6.8 输出特性：透明发射极结构 462

9.6.9 输出电阻：透明发射极结构 463

9.7 开关特性 464

9.7.1 开启机理：正向恢复 464

9.7.2 关断机理：无负载状态 469

9.7.3 关断机理：阻性负载 470

9.7.4 关断机理：感性负载 475

9.7.5 单位周期能耗 490

9.8 功耗优化 491

9.8.1 对称结构 492

9.8.2 非对称结构 492

9.8.3 透明发射极结构 493

9.8.4 折中曲线的比较 494

9.9 互补（P沟道）结构 495

9.9.1 导通特性 496

9.9.2 开关特性 498

9.9.3 功耗优化 498

9.10 闩锁抑制 499

9.10.1 深P+扩散 500

9.10.2 浅P+层 503

9.10.3 减薄栅氧层厚度 505

9.10.4 双极电流旁路 507

9.10.5 分流调节器结构 509

9.10.6 单元布局 510

9.10.7 抗闩锁结构 513

9.11 安全工作区 515

9.11.1 正偏安全工作区 516

9.11.2 反偏安全工作区 517

9.11.3 短路安全工作区 520

9.12 槽栅结构 522

9.12.1 阻断模式 523

9.12.2 导通态载流子分布 524

9.12.3 导通态压降 525

9.12.4 开关特性 526

9.12.5 安全工作区 526

9.12.6 修正结构 528

9.13 阻断电压环 529

9.13.1 N基区设计 530

9.13.2 功率MOSFET基线 530

9.13.3 导通特性 531

9.13.4 折中曲线 532

9.14 高温工作 533

9.14.1 导通特性 533

9.14.2 闩锁特性 535

9.15 寿命控制技术 535

9.15.1 电子辐照 536

9.15.2 中子辐照 537

9.15.3 氦辐照 537

9.16 单元优化 537

9.16.1 平面栅结构 538

9.16.2 槽栅结构 540

9.17 反向传导结构 544

9.18 小结 548

习题 548

参考文献 550

第10章 应用综述 555

10.1 典型H桥拓扑 555

10.2 功耗分析 556

10.3 低直流总线电压下的应用 557

10.4 中等直流总线电压下的应用 560

10.5 高直流总线电压下的应用 563

10.6 小结 565

习题 565

参考文献 566