功率半导体器件与应用

功率半导体器件又被称为电力电子器件，是电力电子技术的基础，也是构成电力电子变换装置的核心器件。《功率半导体器件与应用》基于前两章的半导体物理基础，详细介绍了目前主要的几类功率半导体器件，包括pin二极管、晶闸管、门极关断晶闸管、门极换流晶闸管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。作为基础内容，《功率半导体器件与应用》详细描述了上述器件的工作原理和特性。同时，作为长期从事新型功率半导体器件研发的靠前知名专家，作者斯蒂芬·林德（Stefan Linder）还给出了上述各类器件在不同工作条件下的比较分析，力图全面反映功率半导体器件的应用现状和发展趋势。《功率半导体器件与应用》既可以作为电气工程专业、自动化专业本科生和研究生的教学用书，也可作为电力电子领域工程技术人员的参考用书。

斯蒂芬·林德（Stefan Linder），1965年出生于瑞士日内瓦，1990年在瑞士联邦工学院（EHT）完成了电气工程的本科教育。他在美国工作一段时间后，于1991年回到瑞士苏黎世，在联邦工学院开始从事研究生的研究工作。他在1996年获得博士学位后不久加入了ABB公司，成为功率半导体事业部的研发工程师。在ABB公司，他主要负责门极换流晶闸管（IGCT）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的设计和开发工作。从2000年1月开始，林德博士开始担任ABB公司研究开发副总裁。

译者序
原书前言
第1章半导体物理基础1
1.1硅的结构和特性1
1.2电荷迁移11
1.3载流子注入17
1.4电荷载流子的激发和复合17
1.5连续性方程24
1.6泊松方程25
1.7强场效应26
第2章pn结29
2.1pn结的内建电压29
2.2耗尽层（空间电荷区）32
2.3pn结的伏安特性34
2.4射极效率40
2.5实际的pn结42
第3章pin二极管50
3.1高压二极管的基本结构50
3.2pin二极管的导通状态51
3.3pin二极管的动态工况59
3.4 二极管反向恢复的瞬变过程67
3.5二极管工作条件的限制70
3.6现代pin二极管的设计72
第4章双极型晶体管77
4.1双极型晶体管的结构77
4.2双极型晶体管的电流增益78
4.3双极型晶体管的电流击穿83
4.4正向导通压降85
4.5基极推出(“柯克”效应)85
4.6二次击穿87
第5章晶闸管89
5.1晶闸管的结构和工作原理89
5.2触发条件91
5.3静态伏安特性91
5.4正向阻断模式和亚稳态区域92
5.5晶闸管擎住状态95
5.6反向阻断状态下的晶闸管98
5.7开通特性100
5.8关断特性106
第6章门极关断（GTO）晶闸管与门极换流晶闸管（GCT）/
集成门极换流晶闸管（IGCT）1106.1GTO晶闸管110
6.2GCT125
第7章功率MOSFET130
7.1场效应晶体管基本理论130
7.2场效应晶体管的I（V）特性136
7.3功率场效应晶体管的结构139
7.4功率场效应晶体管的开关特性148
7.5雪崩效应153
7.6源极漏极二极管（体二极管）155
第8章IGBT156
8.1IGBT的结构和工作原理156
8.2IGBT的I（V）特性158
8.3IGBT的开关特性162
8.4短路特性168
8.5IGBT的强度168
8.6IGBT损耗的折中方案171
附录176
附录A符号表176
附录B常数177
附录C单位177
附录D单位词头（十进倍数和分数单位词头）178
附录E书写约定178
附录F电气工程中的电路图形符号179
附录G300K时的物质特性180
附录H缩略语180
参考文献181

原 书 前 言
    一般将额定电流超过1A的半导体器件归类为功率半导体器件，这类器件的阻断电压分布在几伏到10000V以上的范围。大部分的功率半导体器件并不引人注意，然而事实上，随着电力电子系统的发展，它们在技术和每个人的生活中起着越来越重要的作用。功率半导体器件向电气设备提供能源：小功率器件（几瓦到几千瓦）几乎在每个电气电子和设备，像计算机、电视机、洗衣机、冰箱等的电源中都能发现；在中等功率范围（10kW到几兆瓦），它们向机车和工业驱动中的电机提供电能，向冶炼炉提供电能等；最后，在吉瓦的大功率范围内，在高压直流输电（HVDC）系统中可以发现超高电压的功率半导体器件。
    从本质上讲，功率半导体器件与集成电路（IC）芯片非常类似，它们都由pn结、双极型晶体管、MOS（金属—氧化物半导体）结构构成，因此基本的半导体器件物理学理论可以用于这两类器件。但是，对于特别是超过600V的功率半导体器件，有一个附加的因素必须予以考虑：为了提高特性，高压器件被激发至等离子工作条件，此时带正电的载流子和带负电的载流子高浓度地混合在一起。这样的等离子体状态对确定半导体器件在外界条件改变时的反应起着非常重要的作用，这就使得在数据手册中全面描述器件特性和工况变得非常困难。
    本书的写作目的是给出各类功率半导体器件的概况，深入剖析它们的功能，并对其特性予以解释和分析。所有重要的功率半导体器件类别都被涵盖，因此可以说市场上能见到的几乎所有器件都能归于本书中描述类别中的某一类。
    功率半导体材料
    近年来，工程师们证实像碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石（C）等材料，原则上要比硅更适合制作功率半导体器件，这主要基于上述材料的击穿场强要远远高于硅。这样，为了达到最大的电压容量，基于上述材料的器件厚度可以小于基于硅的器件厚度。而半导体器件的厚度是影响其总体损耗的最重要因素，因此采用碳化硅、氮化镓、金刚石将给高压电力电子器件带来飞跃的发展。
    特别是在碳化硅领域，目前有非常多的研究计划正在进行。但是，也还存在一些难点问题没有得到解决，特别是关于材料品质方面的问题。这些问题使得高质量的碳化硅晶片造价非常昂贵。只有这一原材料的制造成本降低一个数量级以上时，大规模的工业应用才有可能。而另一方面，硅材料却已经被研究得非常透彻，人们生产高质量低成本的硅材料已经有相当长的一段时间了。因此，硅材料大范围内被替代应该在下一个十年中也不会发生。基于这一原因，本书主要集中讲述基于硅材料的器件，除非特殊说明，所有的示例都是采用硅的特性进行计算的。
    关于本书结构的几点说明
    事实上，功率半导体器件的功能和工况只能基于一些相关的具体物理关系进行理解，因此本书包含了相当一部分半导体物理知识。作为介绍，第1章单独专注于基础知识，这就可使熟悉数学、物理和电工基础知识的读者无须其他文献即可读懂本书包含的所有器件理论。
    另外，不可避免的是章节相互关联，因此只有对功率半导体器件具有良好相关知识的读者才能在不阅读前面章节材料的情况下完全读懂以后某一章节的内容。