宽禁带半导体功率器件——材料、物理、设计及应用

本书系统地讨论了第三代半导体材料SiC和GaN的物理特性，以及功率应用中不同类型的器件结构，同时详细地讨论了SiC和GaN功率器件的设计、制造，以及智能功率集成中的技术细节。也讨论了宽禁带半导体功率器件的栅极驱动设计，以及SiC和GaN功率器件的应用。最后对宽禁带半导体功率器件的未来发展进行了展望。 本书适合从事第三代半导体SiC和GaN方面相关工作的工程师、科研人员和技术管理人员阅读，也可以作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的教材和参考书。

B?贾扬?巴利加，IGBT的发明者，北卡罗莱纳州立大学的教授，荣获2014年IEEE荣誉勋章。 利用绝缘栅双极型晶体管和其他创新技术，巴利加帮助塑造了现代功率半导体产业的格局。

译者序 原书前言 第1章引言1 1.1硅功率器件1 1.2硅功率器件的应用1 1.3碳化硅理想的比导通电阻3 1.4碳化硅功率整流器4 1.5硅功率MOSFET5 1.6碳化硅功率MOSFET7 1.7碳化硅功率结势垒肖特基场效应晶体管（JBSFET）8 1.8碳化硅功率MOSFET高频性能的改进9 1.9碳化硅双向场效应晶体管10 1.10碳化硅功率器件的应用12 1.11氮化镓功率器件13 1.12氮化镓功率器件的应用15 1.13小结15 参考文献16 第2章碳化硅材料的特性18 2.1晶体和能带结构18 2.2电学特性21 2.2.1杂质掺杂和载流子 密度21 2.2.2迁移率23 2.2.3漂移速度24 2.2.4碰撞电离系数和临界 电场强度25 2.3其他物理特性27 2.4缺陷和载流子寿命28 2.4.1扩展缺陷28 2.4.2点缺陷31 2.4.3载流子寿命32 参考文献34 第3章氮化镓及相关Ⅲ-Ⅴ型 氮化物的物理特性37 3.1晶体结构和相关特性37 3.2极化电荷41 3.3用于氮化镓外延生长的 衬底44 3.3.1蓝宝石衬底44 3.3.2碳化硅衬底45 3.3.3硅衬底46 3.4禁带结构和相关特性48 3.4.1载流子的有效质量50 3.4.2有效态密度50 3.5传输特性51 3.5.1GaN/AlGaN结构中的2D迁移率54 3.6碰撞电离系数55 3.7氮化镓中的缺陷57 3.7.1本征点缺陷57 3.7.2其他缺陷58 3.7.3氮化镓中的杂质59 3.7.4Ⅱ族杂质59 3.7.5Ⅳ族杂质59 3.7.6Ⅵ族杂质60 3.7.7深能级60 3.8小结61 参考文献61 第4章碳化硅功率器件设计与制造67 4.1引言67 4.2碳化硅二极管69 4.2.1导言69 4.2.2低导通态损耗的SiC JBS器件设计71 4.2.3SiC JBS器件的边缘终端74 4.2.4更高耐用性的SiC JBS器件设计76 4.2.5SiC JBS和Si IGBT混合型模块77 4.2.6pin二极管78 4.2.7双极退化82 4.2.8小结84 4.3SiC MOSFET85 4.3.1引言85 4.3.2器件结构及其制造工艺87 4.3.3未来的SiC MOSFET结构106 4.3.4小结112 4.4SiC IGBT113 4.4.1引言113 4.4.2器件结构及其制造工艺114 4.4.3小结117 参考文献117 第5章氮化镓智能功率器件和集成电路127 5.1引言127 5.1.1材料特性127 5.1.2外延和掺杂128 5.1.3极化和2DEG130 5.1.4MOS131 5.1.5功率器件应用133 5.2器件结构和设计134 5.2.1横向结构134 5.2.2垂直结构138 5.3器件的集成工艺139 5.3.1横向集成工艺139 5.3.2垂直集成工艺140 5.4器件性能143 5.4.1静态特性143 5.4.2动态开关153 5.4.3鲁棒性159 5.4.4应用中的器件选择161 5.5商用器件示例162 5.5.1分立晶体管163 5.5.2混合晶体管163 5.5.3集成晶体管165 5.6单片集成165 5.6.1功率IC165 5.6.2光电IC167 5.7未来趋势、可能性和挑战169 致谢169 参考文献169 第6章氮化镓基氮化镓功率器件设计和制造178 6.1引言178 6.2功率开关的要求179 6.2.1常关工作179 6.2.2高击穿电压180 6.2.3低导通电阻和高电流密度181 6.2.4高温工作181 6.3衬底和外延层181 6.4氮化镓衬底的可用性182 6.5垂直器件：电流孔径垂直电子晶体管183 6.6氮化镓垂直器件简史184 6.7电流孔径垂直电子晶体管及其关键组成部分的设计186 6.8孔径中的掺杂(Nap)和孔径长度(Lap)188 6.9漂移区厚度（tn-）189 6.10沟道厚度(tUID)和有效栅极长度（Lgo）192 6.10.1通过CBL193 6.10.2未调制的电子193 6.10.3通过栅极193 6.11电流阻断层193 6.11.1关于掺杂与注入电流阻断层的讨论193 6.12沟槽电流孔径垂直电子晶体管195 6.13金属-氧化物半导体场效应晶体管198 6.13.1基于非再生长金属-氧化物半导体场效应晶体管198 6.13.2基于再生长的金属－氧化物半导体场效应晶体管（OGFET）199 6.13.3OGFET开关性能203 6.14氮化镓高压二极管205 6.15器件的边缘终端、泄漏和有源区面积207 6.16小结208 致谢209 参考文献209 拓展阅读211 第7章宽禁带半导体功率器件的栅极驱动器212 7.1引言212 7.2低压（LV）碳化硅器件的栅极驱动器（1200V和1700V SiC MOSFET和JFET）212 7.2.1引言212 7.2.2栅极驱动器的基本结构213 7.2.3LV SiC MOSFET的设计考虑213 7.2.4有源栅极驱动221 7.2.51200V/1700V器件的栅极驱动器评估225 7.2.61200V、100A SiC MOSFET的特性225 7.2.71700V SiC MOSFET的表征以及与1700V Si IGBT和1700V Si BIMOSFET的比较226 7.2.81200V、45A SiC JFET模块的表征228 7.2.9商用栅极驱动器回顾229 7.3氮化镓器件的栅极驱动器（最高650V）230 7.3.1GD规范和设计考虑、挑战和实现230 7.3.2布局建议232 7.3.3氮化镓四象限开关（FQS）的栅极驱动设计233 7.3.4商用栅极驱动器IC和趋势234 7.4栅极驱动器的认证235 7.4.1控制MOSFET开启/关断的栅极驱动器操作236 7.4.2栅极驱动器认定的步骤237 7.4.3高压开关的栅极驱动器短路测试239 7.4.4电流开关工作的GD表征和测试电路239 7.5HV SiC器件的栅极驱动器241 7.5.1GD规范和设计考虑241 7.5.2GD电源243 7.5.3智能栅极驱动器245 参考文献255 第8章氮化镓功率器件的应用257 8.1硬开关与软开关258 8.2双向降压/升压变换器262 8.2.1CRM的耦合电感263 8.2.2双向降压/升压变换器265 8.3采用PCB绕组耦合电感的高频PFC266 8.3.1氮化镓基MHz图腾柱PFC266 8.3.2集成PCB绕组的耦合电感271 8.3.3减少共模噪声的平衡技术273 8.4服务器应用的400V/12V DCX275 8.4.1采用400V总线的数据中心架构简介275 8.4.2采用矩阵变压器的400V/12V LLC变换器276 8.4.3集成的平面矩阵变压器279 8.4.4平面矩阵变压器的屏蔽技术282 8.4.5硬件演示286 8.4.6小结288 8.5高频氮化镓变换器的EMI滤波器设计288 8.6小结290 参考文献290 第9章碳化硅器件的应用294 9.1回顾294 9.2碳化硅器件的应用示例299 9.2.1采用1200V MOSFET的高效10kVA不间断电源逆变器299 9.2.2用于存储和PV的19in机架中模块化紧凑型1MW 碳化硅逆变器303 9.2.3采用碳化硅的中压逆变器307 9.3会发生什么314 参考文献316 第10章概要318 10.1硅IGBT318 10.2宽禁带半导体功率器件的历史320 10.3技术趋势325 10.4宽禁带半导体功率器件的应用325 10.5宽禁带半导体功率器件的市场326 10.6碳化硅功率MOSFET价格的预测328 10.7宽禁带半导体功率器件的社会影响329 10.8小结330 参考文献331