IGBT理論與設計

譯者序
原書前言
原書致謝
作者簡介
第1章功率器件的演變和IGBT的出現(xiàn)1
11背景介紹1
12IGBT3
13IGBT的優(yōu)缺點5
14IGBT的結構和制造8
15等效電路的表示9
16工作原理及電荷控制現(xiàn)象10
17電路建模11
18IGBT的封裝選擇15
19IGBT的操作注意事項15
110IGBT柵極驅動電路15
111IGBT的保護17
112小結18
練習題19
參考文獻20
第2章IGBT基礎和工作狀態(tài)回顧24
21器件結構24
211橫向IGBT和垂直IGBT24
212非穿通 IGBT和穿通 IGBT26
213互補器件31
22器件工作模式32
221反向阻斷模式32
222正向阻斷和傳導模式33
23IGBT的靜態(tài)特性35
231電流-電壓特性35
232IGBT的轉移特性37
24IGBT的開關行為37
241IGBT開啟37
242具有電阻負載的IGBT開啟38
243具有電感負載的IGBT開啟40
244IGBT關斷43
245帶有電阻負載的IGBT關斷45
246帶有電感負載的IGBT關斷47
247關斷時間對集電極電壓和電流的依賴性48
248NPT-IGBT和PT-IGBT的軟開關性能49
249并聯(lián)的考慮51
25安全工作區(qū)域52
251柵極電壓振蕩引起的不穩(wěn)定性54
252可靠性測試54
26高溫工作56
27輻射效應57
28溝槽柵極IGBT和注入增強型IGBT58
29自鉗位 IGBT60
210IGBT的額定值和應用61
211小結64
練習題64
參考文獻66
第3章IGBT中的MOS結構70
31一般考慮70
311MOS基本理論70
312功率MOSFET結構70
313MOSFET-雙極型晶體管比較73
32MOS結構分析和閾值電壓74
33MOSFET的電流-電壓特性、跨導和漏極電阻82
34DMOSFET和UMOSFET的導通電阻模型84
341DMOSFET模型84
342UMOSFET模型86
35MOSFET等效電路和開關時間89
36安全工作區(qū)域91
37中子和伽馬射線損傷效應92
38MOSFET的熱行為93
39DMOSFET單元窗口和拓撲設計94
310小結95
練習題95
參考文獻96
附錄31式（32a）和式（32b）的推導97
附錄32式（37）的推導98
附錄33推導在強反型轉變點的半導體體電勢ψB和表面電荷Qs的公式100
附錄34式（333）~式（336）的推導 101
附錄35式（339）的推導103
附錄36式（349）的推導104
第4章IGBT中的雙極型結構106
41PN結二極管106
411內建電勢0107
412耗盡層寬度xd和電容Cj111
413擊穿電壓VB112
414電流-電壓(id-va)方程115
415反向恢復特性117
42PIN整流器118
43雙極結型晶體管123
431靜態(tài)特性和電流增益123
432功率晶體管開關126
433晶體管開關時間127
434安全工作區(qū)128
44晶閘管129
441晶閘管的工作狀態(tài)129
442晶閘管的di/dt性能和反向柵極電流脈沖導致的關斷失效131
443晶閘管的dv/dt額定值132
444晶閘管開啟和關斷時間133
45結型場效應晶體管134
46小結135
練習題135
參考文獻136
附錄41漂移和擴散電流密度137
附錄42愛因斯坦方程139
附錄43連續(xù)性方程及其解139
附錄44連續(xù)性方程式（441）的解142
附錄45式（450）的推導143
附錄46電流密度式（455）和式（456）的推導147
附錄47晶體管的端電流［式（457）和式（458）］150
附錄48共基極電流增益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導通狀態(tài)下IGBT漂移區(qū)的載流子分布158
513IGBT的正向壓降 160
514導通狀態(tài)下載流子分布的二維模型161
52通過PIN整流器-DMOSFET模型擴展的IGBT雙極型晶體管-DMOSFET模型164
521正向傳導特性164
522IGBT中MOSFET的正向壓降168
523IGBT的有限集電極輸出電阻169
53包含器件-電路相互作用的IGBT的雙極型晶體管-DMOSFET模型171
531穩(wěn)態(tài)正向傳導狀態(tài)171
532IGBT的動態(tài)模型及其開關行為174
533IGBT關斷瞬態(tài)的狀態(tài)方程176
534電感負載關斷期間dV/dt的簡化模型179
535IGBT的動態(tài)電熱模型183
536電路分析模型參數(shù)的提取190
54小結190
練習題190
參考文獻192
附錄51式（58）的解194
附錄52式（533）和式（534）的推導195
參考文獻196
附錄53式（535）的推導196
附錄54式（538）的推導［式（535）的解］197
附錄55式（540）~式（542）的推導198
附錄56式（544）的推導199
附錄57式（581）的推導和1-D線性元件等效導電網(wǎng)絡的構建203
參考文獻206
第6章IGBT中寄生晶閘管的閂鎖207
61引言207
62靜態(tài)閂鎖209
63動態(tài)閂鎖211
631具有電阻負載的對稱IGBT的閂鎖211
632具有電阻負載的非對稱IGBT的閂鎖214
633具有電感負載的對稱IGBT的閂鎖215
64閂鎖的預防措施216
65溝槽柵極IGBT的閂鎖電流密度231
66小結 232
練習題232
參考文獻234
附錄61式(615)的推導235
附錄62式(620)的推導236
第7章IGBT單元的設計考慮238
71半導體材料選擇和垂直結構設計238
711起始材料238
712擊穿電壓240
713擊穿模型243
72基于分析計算和數(shù)值仿真的IGBT設計246
721設計方法和CAD仿真層次結構246
722設計軟件248
723DESSIS-ISE中的物理模型248
724計算和仿真過程250
73N型緩沖層結構的優(yōu)化258
74場環(huán)和場板終端設計260
741關鍵設計參數(shù)261
742場環(huán)的設計方法262
743帶場限環(huán)PIN二極管擊穿電壓的數(shù)值仿真264
744環(huán)間距的迭代優(yōu)化264
745通過使電場分布均勻化的準三維仿真來設計場環(huán)265
746表面電荷效應和場板附加結構265
75表面離子注入的終端結構267
76用于橫向IGBT中擊穿電壓增強的減小的表面電場概念267
77小結269
練習題269
參考文獻271
附錄71倍增系數(shù)M272
附錄72VBR方程273
附錄73雪崩擊穿電壓VB274
參考文獻275
附錄74穿通電壓VPT275
附錄75BVCYL/BVPP公式275
參考文獻278
第8章IGBT工藝設計與制造技術279
81工藝順序定義279
811VDMOSFET IGBT制造279
812溝槽柵極IGBT制造286
82單工藝步驟291
821外延淀積291
822熱氧化291
823熱擴散周期293
824離子注入294
825光刻296
826多晶硅、氧化硅和氮化硅的化學氣相淀積296
827反應等離子體刻蝕297
828金屬化298
829電子輻照299
8210質子輻照300
8211He注入300
8212封裝300
83工藝集成和仿真301
練習題306
參考文獻307
附錄81硅的熱氧化309
參考文獻311
附錄82式(83)~式(85)的推導312
第9章功率IGBT模塊316
91并聯(lián)IGBT以及邏輯電路與功率器件的集成316
92功率模塊技術319
921襯底和銅淀積319
922芯片安裝322
923互連和封裝322
93隔離技術323
931介質隔離323
932自隔離324
933PN結隔離325
94可集成的器件：雙極型、CMOS、DMOS（BCD）和IGBT325
95功率IGBT驅動、溫度感應和保護325
96IGBT模塊封裝中的寄生元件327
97扁平封裝的IGBT模塊328
98IGBT模塊的理想特性和可靠性問題330
99模塊的散熱和冷卻331
910大功率IGBT模塊的材料要求332
911最新技術和趨勢333
練習題335
參考文獻336
第10章新型IGBT的設計理念、結構創(chuàng)新和新興技術339
101在導通狀態(tài)電壓降和開關損耗之間的折中339
102在溝槽IGBT導通態(tài)載流子分布的并聯(lián)和耦合PIN二極管-PNP型晶體管模型341
103性能優(yōu)越的非自對準溝槽IGBT342
104動態(tài)N型緩沖IGBT344
105具有反向阻斷能力的橫向IGBT345
106抗高溫閂鎖的橫向IGBT346
107具有高閂鎖電流性能的自對準側壁注入的N+發(fā)射極橫向IGBT347
108更大FBSOA的LIGBT改進結構348
109集成電流傳感器的橫向IGBT348
1010介質隔離的快速LIGBT349
1011薄絕緣體上硅襯底上的橫向IGBT350
1012改進閂鎖特性的橫向溝槽柵極雙極型晶體管350
1013溝槽平面IGBT351
1014相同基區(qū)技術中的簇IGBT352
1015溝槽簇IGBT353
1016雙柵極注入增強型柵極晶體管354
1017SiC IGBT356
1018小結和趨勢357
練習題358
參考文獻359
附錄101集電結的電子電流360
附錄102瞬態(tài)基區(qū)存儲電荷Qbase(t)361
附錄103存在可動載流子濃度時的耗盡寬度361
附錄104調制的基區(qū)電阻Rb362
附錄105由于IGBT中PIN二極管末端復合而導致的導通態(tài)壓降363
附錄106能量損耗364
附錄107在TIGBT發(fā)射區(qū)端的N-基區(qū)的過剩載流子濃度Pw364
附錄108IGBT的N-基區(qū)上的導通電壓降368
第11章IGBT電路應用370
111DC-DC轉換370
1111降壓轉換器370
1112升壓轉換器376
1113降壓-升壓轉換器378
112DC-AC轉換379
1121單相半橋逆變器379
1122單相全橋逆變器381
1123采用脈沖寬度調制的AC電壓控制384
1124三相全橋逆變器386
113AC-DC轉換387
114軟開關轉換器391
1141軟開關DC-DC轉換器391
1142軟開關逆變器395
1143軟開關的優(yōu)點398
115IGBT電路仿真399
1151SPICE IGBT模型的參數(shù)提取過程399
1152基于物理的IGBT電路模型的參數(shù)提取400
1153IGBT的SABER建模401
116IGBT轉換器的應用402
1161開關電源402
1162不間斷電源404
1163DC電動機驅動406
1164AC電動機驅動406
1165汽車點火控制408
1166焊接409
1167感應加熱410
117小結410
練習題411
參考文獻413