IGBT理论与设计(精)

本书是IGBT方面的经典著作，由执笔，作为功率器件教材，内容涵盖IGBT基本原理、设计方法、工艺技术、模块相关、技术趋势、应用情况，是一本全面、深入的实用指南

本书首先对不同类型的IGBT工作原理进行了介绍，然后从IGBT的结构出发，给出了IGBT中MOS结构和双极型结构的工作原理，接下来详细说明了它们如何影响IGBT的正向传导特性，详细研究了IGBT模型，包括静态、动态和电热行为，讨论了IGBT中的闩锁效应，以及预防闩锁的详细处理方法。借助计算机辅助设计工具深入研究了IGBT单元的设计技术，从结构、掺杂分布、沟道长度、跨导和正向压降、导通和开关损耗、单元布图和间距，以及缓冲层优化，直至场环和场板终端设计。本书还介绍了制造功率IGBT的工艺技术，对功率IGBT模块和相关的技术进行了讨论。对新的IGBT技术也进行了介绍。本书*后介绍了IGBT在电动机驱动，汽车点火控制、电源、焊接、感应加热等领域中的应用情况。本书涵盖内容广泛，讲述由浅入深。在各章中提供了大量实例以及附加问题，更加适合课堂教学，同时，每章后给出的参考文献将为研究人员提供关于IGBT一些有用的指导。 本书既可以满足电力电子技术和微电子技术中功率器件相关课程的学生需求，也可以满足专业工程师和技术人员进行IGBT研究的需求。

Vinod Kumar Khanna于1952年出生在印度Lucknow。他目前是印度Pilani中央电子工程研究所固态器件部门的资深科学家。1988年在Kurukshetra大学获得了物理学博士学位。在过去的几十年里，他在功率半导体器件、工艺设计和器件制造方面做了大量的研究工作。他的研究工作主要集中在高压大电流整流器、高压电视偏转晶体管、达林顿功率晶体管、逆变级晶闸管，以及功率DMOSFET和IGBT。 Khanna博士在国际期刊和会议上发表了30多篇研究论文，并撰写了两本专著。他于1986年在科罗拉多州丹佛市的IEEE-IAS年会上发表了论文，并于1999年担任德国Darmstadt技术大学客座科学家。他是印度IETE的会士以及半导体协会和印度物理协会的终身会员。

译者序 原书前言 原书致谢 作者简介 第1章功率器件的演变和IGBT的出现1 11背景介绍1 12IGBT3 13IGBT的优缺点5 14IGBT的结构和制造8 15等效电路的表示9 16工作原理及电荷控制现象10 17电路建模11 18IGBT的封装选择15 19IGBT的操作注意事项15 110IGBT栅极驱动电路15 111IGBT的保护17 112小结18 练习题19 参考文献20 第2章IGBT基础和工作状态回顾24 21器件结构24 211横向IGBT和垂直IGBT24 212非穿通 IGBT和穿通 IGBT26 213互补器件31 22器件工作模式32 221反向阻断模式32 222正向阻断和传导模式33 23IGBT的静态特性35 231电流-电压特性35 232IGBT的转移特性37 24IGBT的开关行为37 241IGBT开启37 242具有电阻负载的IGBT开启38 243具有电感负载的IGBT开启40 244IGBT关断43 245带有电阻负载的IGBT关断45 246带有电感负载的IGBT关断47 247关断时间对集电极电压和电流的依赖性48 248NPT-IGBT和PT-IGBT的软开关性能49 249并联的考虑51 25安全工作区域52 251栅极电压振荡引起的不稳定性54 252可靠性测试54 26高温工作56 27辐射效应57 28沟槽栅极IGBT和注入增强型IGBT58 29自钳位 IGBT60 210IGBT的额定值和应用61 211小结64 练习题64 参考文献66 第3章IGBT中的MOS结构70 31一般考虑70 311MOS基本理论70 312功率MOSFET结构70 313MOSFET-双极型晶体管比较73 32MOS结构分析和阈值电压74 33MOSFET的电流-电压特性、跨导和漏极电阻82 34DMOSFET和UMOSFET的导通电阻模型84 341DMOSFET模型84 342UMOSFET模型86 35MOSFET等效电路和开关时间89 36安全工作区域91 37中子和伽马射线损伤效应92 38MOSFET的热行为93 39DMOSFET单元窗口和拓扑设计94 310小结95 练习题95 参考文献96 附录31式（32a）和式（32b）的推导97 附录32式（37）的推导98 附录33推导在强反型转变点的半导体体电势ψB和表面电荷Qs的公式100 附录34式（333）~式（336）的推导 101 附录35式（339）的推导103 附录36式（349）的推导104 第4章IGBT中的双极型结构106 41PN结二极管106 411内建电势0107 412耗尽层宽度xd和电容Cj111 413击穿电压VB112 414电流-电压(id-va)方程115 415反向恢复特性117 42PIN整流器118 43双极结型晶体管123 431静态特性和电流增益123 432功率晶体管开关126 433晶体管开关时间127 434安全工作区128 44晶闸管129 441晶闸管的工作状态129 442晶闸管的di/dt性能和反向栅极电流脉冲导致的关断失效131 443晶闸管的dv/dt额定值132 444晶闸管开启和关断时间133 45结型场效应晶体管134 46小结135 练习题135 参考文献136 附录41漂移和扩散电流密度137 附录42爱因斯坦方程139 附录43连续性方程及其解139 附录44连续性方程式（441）的解142 附录45式（450）的推导143 附录46电流密度式（455）和式（456）的推导147 附录47晶体管的端电流［式（457）和式（458）］150 附录48共基极电流增益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导通状态下IGBT漂移区的载流子分布158 513IGBT的正向压降 160 514导通状态下载流子分布的二维模型161 52通过PIN整流器-DMOSFET模型扩展的IGBT双极型晶体管-DMOSFET模型164 521正向传导特性164 522IGBT中MOSFET的正向压降168 523IGBT的有限集电极输出电阻169 53包含器件-电路相互作用的IGBT的双极型晶体管-DMOSFET模型171 531稳态正向传导状态171 532IGBT的动态模型及其开关行为174 533IGBT关断瞬态的状态方程176 534电感负载关断期间dV/dt的简化模型179 535IGBT的动态电热模型183 536电路分析模型参数的提取190 54小结190 练习题190 参考文献192 附录51式（58）的解194 附录52式（533）和式（534）的推导195 参考文献196 附录53式（535）的推导196 附录54式（538）的推导［式（535）的解］197 附录55式（540）~式（542）的推导198 附录56式（544）的推导199 附录57式（581）的推导和1-D线性元件等效导电网络的构建203 参考文献206 第6章IGBT中寄生晶闸管的闩锁207 61引言207 62静态闩锁209 63动态闩锁211 631具有电阻负载的对称IGBT的闩锁211 632具有电阻负载的非对称IGBT的闩锁214 633具有电感负载的对称IGBT的闩锁215 64闩锁的预防措施216 65沟槽栅极IGBT的闩锁电流密度231 66小结 232 练习题232 参考文献234 附录61式(615)的推导235 附录62式(620)的推导236 第7章IGBT单元的设计考虑238 71半导体材料选择和垂直结构设计238 711起始材料238 712击穿电压240 713击穿模型243 72基于分析计算和数值仿真的IGBT设计246 721设计方法和CAD仿真层次结构246 722设计软件248 723DESSIS-ISE中的物理模型248 724计算和仿真过程250 73N型缓冲层结构的优化258 74场环和场板终端设计260 741关键设计参数261 742场环的设计方法262 743带场限环PIN二极管击穿电压的数值仿真264 744环间距的迭代优化264 745通过使电场分布均匀化的准三维仿真来设计场环265 746表面电荷效应和场板附加结构265 75表面离子注入的终端结构267 76用于横向IGBT中击穿电压增强的减小的表面电场概念267 77小结269 练习题269 参考文献271 附录71倍增系数M272 附录72VBR方程273 附录73雪崩击穿电压VB274 参考文献275 附录74穿通电压VPT275 附录75BVCYL/BVPP公式275 参考文献278 第8章IGBT工艺设计与制造技术279 81工艺顺序定义279 811VDMOSFET IGBT制造279 812沟槽栅极IGBT制造286 82单工艺步骤291 821外延淀积291 822热氧化291 823热扩散周期293 824离子注入294 825光刻296 826多晶硅、氧化硅和氮化硅的化学气相淀积296 827反应等离子体刻蚀297 828金属化298 829电子辐照299 8210质子辐照300 8211He注入300 8212封装300 83工艺集成和仿真301 练习题306 参考文献307 附录81硅的热氧化309 参考文献311 附录82式(83)~式(85)的推导312 第9章功率IGBT模块316 91并联IGBT以及逻辑电路与功率器件的集成316 92功率模块技术319 921衬底和铜淀积319 922芯片安装322 923互连和封装322 93隔离技术323 931介质隔离323 932自隔离324 933PN结隔离325 94可集成的器件：双极型、CMOS、DMOS（BCD）和IGBT325 95功率IGBT驱动、温度感应和保护325 96IGBT模块封装中的寄生元件327 97扁平封装的IGBT模块328 98IGBT模块的理想特性和可靠性问题330 99模块的散热和冷却331 910大功率IGBT模块的材料要求332 911近期新技术和趋势333 练习题335 参考文献336 第10章新型IGBT的设计理念、结构创新和新兴技术339 101在导通状态电压降和开关损耗之间的折中339 102在沟槽IGBT导通态载流子分布的并联和耦合PIN二极管-PNP型晶体管模型341 103性能优越的非自对准沟槽IGBT342 104动态N型缓冲IGBT344 105具有反向阻断能力的横向IGBT345 106抗高温闩锁的横向IGBT346 107具有高闩锁电流性能的自对准侧壁注入的N+发射极横向IGBT347 108更大FBSOA的LIGBT改进结构348 109集成电流传感器的横向IGBT348 1010介质隔离的快速LIGBT349 1011薄绝缘体上硅衬底上的横向IGBT350 1012改进闩锁特性的横向沟槽栅极双极型晶体管350 1013沟槽平面IGBT351 1014相同基区技术中的簇IGBT352 1015沟槽簇IGBT353 1016双栅极注入增强型栅极晶体管354 1017SiC IGBT356 1018小结和趋势357 练习题358 参考文献359 附录101集电结的电子电流360 附录102瞬态基区存储电荷Qbase(t)361 附录103存在可动载流子浓度时的耗尽宽度361 附录104调制的基区电阻Rb362 附录105由于IGBT中PIN二极管末端复合而导致的导通态压降363 附录106能量损耗364 附录107在TIGBT发射区端的N-基区的过剩载流子浓度Pw364 附录108IGBT的N-基区上的导通电压降368 第11章IGBT电路应用370 111DC-DC转换370 1111降压转换器370 1112升压转换器376 1113降压-升压转换器378 112DC-AC转换379 1121单相半桥逆变器379 1122单相全桥逆变器381 1123采用脉冲宽度调制的AC电压控制384 1124三相全桥逆变器386 113AC-DC转换387 114软开关转换器391 1141软开关DC-DC转换器391 1142软开关逆变器395 1143软开关的优点398 115IGBT电路仿真399 1151SPICE IGBT模型的参数提取过程399 1152基于物理的IGBT电路模型的参数提取400 1153IGBT的SABER建模401 116IGBT转换器的应用402 1161开关电源402 1162不间断电源404 1163DC电动机驱动406 1164AC电动机驱动406 1165汽车点火控制408 1166焊接409 1167感应加热410 117小结410 练习题411 参考文献413