功率半导体器件--理论及应用

前言
近年来，功率半导体器件的发展和变化已经可以与集成电路相提并论，但这一点却并不是总能为人们所体会。事实上，二者关系密切，集成电路技术推动新型功率器件开发的例子非常多。一段时间以来，本书的三位作者都感到需要一本内容广泛的教科书将功率器件的设计、器件中的物理过程和器件的应用特性联系起来。1994年在布拉格出版的Benda博士撰写的捷克语教材《功率半导体器件和集成结构》填补了这项空白，而本书正是该著作经修订和扩充后的英文版本。
本书是工程技术人员的参考书，内容涉及目前所有可用的功率半导体器件，讨论它们的结构、工作原理和应用。此外，也可以用作大学高年级学生和研究生学习电力电子学课程的配合教材。功率半导体器件的工作特性取决于其内部的基本物理过程，作者对此有长期的研究经验，同时也致力于开发新的应用方式以便使器件得到充分利用。
飞利浦研究实验室（Philips Research Laboratories）的JTe Winkel曾经区分出我们对固体物理学家（solidstate physicist）、器件技术人员（device technologist）和电路工程师（circuit engineer）的不同需求。二十多年前他在一篇评论文章中写道，器件模型应成为这三组人员之间的交流工具；并且，在理想的情况下，器件模型应该“扎实地根植于固体物理学，容纳重要的技术参数，并向高效的电路设计提供必要的数据”。本书的目的就是要阐述现有的功率半导体器件模型，并且评定这些模型在实现上述理想目标方面所达到的程度。
当然，电路设计人员的需求是千差万别的。在极端的情况下，可能要提供一个与理想开关差不多的有源器件：通态下表现出零阻抗，断态下表现出无限大阻抗，而在这两种状态之间切换时消耗零时间和零损耗。但另外的设计人员则可能仅需要了解开关时间延迟即可。而在其他情形下，用户的重点可能是要了解与通态和断态相关的更多细节，以便能估算出器件在两种状态之间变化时所花费的时间和产生的损耗。由此可见，需要建立起一系列不同层次的、复杂程度渐增的模型；不过，每级模型都应建立在器件物理的基础之上，并且详细地反映出器件技术是如何被兼顾于其中的。本书的目标就是阐述各种重要功率器件各级模型的基础知识。
在先前的捷克语版的序言中，Benda博士指出，他的目标是使功率半导体器件的使用者能够很好地理解重要功率器件（分立的和集成的）的结构、功能、特性和特征。在建立物理模型时，书中并没有使用过分复杂的数学，并且强调了技术水平带来的限制。我们希望，这些意图在这个扩充版本中能够传递给范围更广的读者。
功率半导体器件及其应用的当前研究动态主要来自几个涉及这方面主题的IEEE期刊，特别是Transactions on Electron Devices（TED）、Transactions on Power Electronics（TPE）和Transactions on Industry Applications（TIA）等。此外，还有重要国际会议的会议录，特别是IEEE Annual International Symposium on Power Semiconductor and ICs（ISPSD）、Annual European Conference on Power Electronics and Applications（EPE）和IEEE Annual International Electron Devices Meeting（IEDM）等。一些读者希望能在这个富有挑战性的领域内跟上时代的步伐，这里建议他们在第一时间去阅读这些资料。
本书的三位作者感谢在本书的准备过程中以各种形式提供了意见和帮助的众多同事，还要感谢各位作者的家人长期的支持和理解。

译 者 前 言
作为电力电子技术中的核心元件，功率半导体器件和功率集成电路是广泛应用于工业生产和社会生活中的一类重要的和不可或缺的基础性产品。功率半导体器件的研究、开发和生产，在学术上有创新意义，在经济上有重要价值，对国家的可持续发展有积极的推动作用。因此，在这一领域的人才培养和教材建设显得特别重要。
本书的第一作者捷克工业大学(布拉格)(Czech Technical University in Prague)教授维捷斯拉夫·本达(Vítězlav Benda)博士是一位研究功率半导体器件及其应用的专家，他在书中较全面地讲述了现有各类重要功率半导体器件的基本原理、设计原则、工艺实现和应用特性，为各类器件建立起清晰的物理图像。为了帮助讲解，书中给出了许多绘制精细的插图；没有使用太复杂的数学，却将基本概念和基本思路讲得非常清楚。其中对pin功率二极管的详细讲述，对功率器件的封装、冷却和可靠性方面的介绍等都是一般教科书中少有的。译者认为，本书是功率半导体器件研究领域一本难得的入门教材和参考书。同时，对于那些想深入了解(从而更好地使用)功率半导体器件的电路工程师，本书也是一个很好的知识来源(这正是作者的本意所在，参见本书前言)。不管是哪类读者，都最好具备微电子技术和电力电子技术的基础知识。因此，本书适用于与这些领域相关的高年级本科生、研究生和工程技术人员。
承蒙陈光华教授的推荐，北京工业大学功率半导体器件研究室承担和组织了本书的翻译工作。其中，第4、6、7、8、11章和附录由吴郁翻译，第1、9、10、12、13、14章由张万荣翻译，第2、3、5章由刘兴明翻译，最后由吴郁进行了全面的校订。译本修改了原书中的一些印刷错误和笔误，针对原文中个别值得商榷之处和其他必要的情况给出了若干译注。室主任亢宝位教授对翻译工作给予了大力支持，并提出了不少宝贵建议；几位研究生孙越辰、谢书珊等参加了一些辅助工作，在此一并表示感谢。由于译者水平有限，译文中难免有错误和不妥之处，请读者批评指正。

本书较全面地讲述了现有各类重要功率半导体器件的结构、基本原理、设计原则和应用特性，有机地将功率器件的设计、器件中的物理过程和器件的应用特性联系起来。书中内容由浅入深，从半导体的性质、基本的半导体结构、器件的制造和模拟、功率半导体器件的应用到各类重要功率半导体器件的基本原理、设计原则和应用特性，建立起一系列不同层次的、复杂程度渐增的器件模型，并阐述了各类重要功率半导体器件各级模型的基础知识，使功率半导体器件的使用者能够很好地理解重要功率器件(分立的和集成的)的结构、功能、特性和特征。另外，书中还介绍了功率器件的封装、冷却、可靠性工作条件以及未来的材料和器件的相关内容。
本书可作为微电子和电力电子领域相关的工程技术人员的参考书，也可用作相关专业的高年级本科生、研究生课程的配合教材或参考书。

目录
1半导体的性质
11带电载流子和半导体能带结构
12自由载流子浓度
13半导体的电导率
131决定电导率的因素
132决定硅中载流子迁移率的因素
14过剩载流子的产生与复合
141平衡和非平衡条件
142通过局域陷阱中心的复合
143其他复合过程
15载流子的扩散和漂移
16非均匀掺杂的影响
总结
参考文献
2基本的半导体结构
21pn结及其基本性质
211电流电压特性
212反向偏置
213电击穿
214热击穿和热奔
215光照对pn结特性的影响
216pn结的瞬态特性
22nn+和pp+结
23表面效应和MOS结构
24金属半导体接触
241整流（肖特基）接触
242欧姆接触
总结
参考文献
3器件、制造和模拟
31各类功率半导体器件
311功率二极管
312常规的双极功率晶体管
313晶闸管结构
314结型场效应（静电感应）器件
315功率MOS结构1：功率MOSFET
316功率MOS结构2：绝缘栅双极晶体管（IGBT）
317功率MOS结构3：MOS控制晶闸管（MCT）
318器件特性总结
32制造工艺
321高纯度单晶硅的制备
322硅片制备
323外延生长
324热氧化
325光刻
326刻蚀工艺
327杂质的引入及再分布1：扩散
328杂质的引入及再分布2：离子注入
329化学气相淀积技术
3210接触的制备
33载流子寿命控制
331获得长载流子寿命的技术
332减小载流子寿命的技术
34高压结构
35计算机模拟及仿真技术
总结
参考文献
4功率半导体器件的应用
41不控整流
42可控整流
43交流到交流的变换
44逆变器
45非隔离型直流到直流变换器
46变压器隔离型直流到直流变换器
47功率因数校正
48谐振电路
总结
参考文献
5功率二极管
51正偏下的二极管
52功率二极管的反向特性
53功率二极管中的瞬态过程
531从反偏到正偏的转换
532从正偏到反偏的转换
54功率肖特基二极管
55硅功率二极管的应用
551工频应用
552快速开关应用
总结
参考文献
6双极结型功率晶体管
61双极结型晶体管结构的基本特性
62功率晶体管的基本特性
621高压问题
622晶体管的工作区
623大电流问题：集电区电导率调制和基区扩展效应
624其他的大电流密度效应和温度效应
63功率晶体管的动态行为
631开通
632关断
64安全工作区
65功率达林顿组合
66功率晶体管的应用
总结
参考文献
7晶闸管：基本工作原理
71稳态工作
711反向阻断态
712正向阻断态
713用以实现高击穿电压的表面形状
714正向导通态
72用以分析晶闸管开关工作的双晶体管模型
73开通的瞬态过程
731由门极触发的开通
732临界di/dt
733临界dV/dt
74关断的瞬态过程
741利用电路换向关断
742利用减小正向电流关断
743门极关断
总结
参考文献
8各类晶闸管及其应用
81相控晶闸管
82用于高速领域的晶闸管
821非对称晶闸管（ASCR）
822逆导晶闸管（RCT）
823门极辅助关断晶闸管（GATT）
83门极可关断晶闸管（GTO）
84双向晶闸管（TRIAC）
85光触发晶闸管（LTT）
86转折二极管（BOD）
总结
参考文献
9静电感应功率器件
91静电感应晶体管
92场控二极管或静电感应晶闸管
921门极关断
922dV/dt耐量
923开通过程
总结
参考文献
10金属氧化物半导体场效应功率晶体管
101MOS晶体管的工作原理
1011通态
1012饱和条件
102纵向功率MOSFET的设计
1021静态特性
1022参数随频率的变化
103功率MOSFET的开关特性
1031开通过程
1032关断过程
1033开关参数随频率的变化
104安全工作区（SOA）
总结
参考文献
11双极MOS功率器件
111绝缘栅双极晶体管（IGBT）
1111静态参数
1112开关特性
1113参数随频率的变化及器件的SOA
1114穿通（PT）和非穿通（NPT）IGBT
1115IGBT的发展
112MOS控制晶闸管（MCT）
113其他双极MOS结构
1131横向IGBT
1132IBT
1133并联器件的单片集成
总结
参考文献
12功率模块和集成结构
121功率模块
122功率集成电路
123灵巧功率器件：智能功率器件和集成电路
总结
参考文献
13可靠工作的条件
131功率半导体器件的冷却
1311热阻和瞬态热阻抗
1312功率半导体器件的封装
1313热沉
1314器件热沉界面的热阻
132功率半导体器件的并联和串联
1321器件并联
1322器件串联
133功率半导体器件的过流和过压保护
1331过压保护
1332过流保护
134功率半导体器件的工作可靠性
总结
参考文献
14未来的材料和器件
141硅以外的材料
142砷化镓器件
143碳化硅器件
144金刚石器件
参考文献
附录扩散方程
A1基本概念
A2复合的影响
A3求解方法
A31拉普拉斯变换
A32分离变量法
A4恒定电流条件
参考文献
中英文对照