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[美] B.Jayant Baliga 著

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• 功率半导体
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• 英文教材
• 电子工程
• 器件物理
• 开关器件
• IGBT
• MOSFET
• 肖特基二极管

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030343406

商品编码：29491499538

包装：平装

出版时间：2012-06-01

基本信息

书名：功率半导体器件基础-英文版

定价：150.00元

作者： B.Jayant Baliga

出版社：科学出版社

出版日期：2012-06-01

ISBN：9787030343406

字数：

页码：1065

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：1.503kg

编辑推荐

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《国外信息科学与技术图书系列：功率半导体器件基础（英文版）》深入讨论了半导体功率器件的物理模型、工作原理、设计原则和应用特性，不仅详细介绍了硅基器件，还讨论了碳化硅器件的特性与设计要求。本书可作为微电子、电力电子等相关领域科研人员、工程技术人员的参考书，也可作为相关专业高年级本科生、研究生的教材。

内容提要

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《国外信息科学与技术图书系列：功率半导体器件基础（英文版）》作者B.Jayant Baliga是功率半导体器件领域的专家，IGBT器件发明人之一。本书结合作者多年的实践经验，深入讨论了半导体功率器件的物理模型、工作原理、设计原则和应用特性，不仅详细介绍了硅基器件，还讨论了碳化硅器件的特性与设计要求。主要内容包括材料特性与输运物理、击穿电压、肖特基整流器、P-i-N整流器、功率MOSFET器件、双极型晶体管、晶闸管、IGBT器件等。
　　《国外信息科学与技术图书系列：功率半导体器件基础（英文版）》可作为微电子、电力电子等相关领域科研人员、工程技术人员的参考书，也可作为相关专业高年级本科生、研究生的教材。

目录

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Preface
Chapter 1 Introduction
1.1 Ideal and Typical Power Switching Waveforms
1.2 Ideal and Typical Power Device Characteristics
1.3 Unipolar Power Devices
1.4 Bipolar Power Devices
1.5 MOS-Bipolar Power Devices
1.6 Ideal Drift Regiofor Unipolar Power Devices
1.7 Charge-Coupled Structures: Ideal Specific On-Resistance
1.8 Summary
Problems
References

Chapter 2 Material Properties and Transport Physics
2.1 Fundamental Properties
2.1.1 Intrinsic Carrier Concentration
2.1.2 Bandgap Narrowing
2.1.3 Built-iPotential
2.1.4 Zero-Bias DepletioWidth
2.1.5 Impact IonizatioCoefficients
2.1.6 Carrier Mobility
2.2 Resistivity
2.2.1 Intrinsic Resistivity
2.2.2 Extrinsic Resistivity
2.2.3 NeutroTransmutatioDoping
2.3 RebinatioLifetime

Chapter 3 BreakdowVoltage
Chapter 4 Schottky Rectifiers
Chapter 5 P-i-N Rectifiers
Chapter 6 Power Mosfets
Chapter 7 Bipolar JunctioTransistors
Chapter 8 Thyristors
Chapter 9 Insulated Gate Bipolar Transistors
Chapter 10 Synopsis
Index

作者介绍

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文摘

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序言

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Preface
Chapter 1 Introduction
1.1 Ideal and Typical Power Switching Waveforms
1.2 Ideal and Typical Power Device Characteristics
1.3 Unipolar Power Devices
1.4 Bipolar Power Devices
1.5 MOS-Bipolar Power Devices
1.6 Ideal Drift Regiofor Unipolar Power Devices
1.7 Charge-Coupled Structures: Ideal Specific On-Resistance
1.8 Summary
Problems
References

Chapter 2 Material Properties and Transport Physics
2.1 Fundamental Properties
2.1.1 Intrinsic Carrier Concentration
2.1.2 Bandgap Narrowing
2.1.3 Built-iPotential
2.1.4 Zero-Bias DepletioWidth
2.1.5 Impact IonizatioCoefficients
2.1.6 Carrier Mobility
2.2 Resistivity
2.2.1 Intrinsic Resistivity
2.2.2 Extrinsic Resistivity
2.2.3 NeutroTransmutatioDoping
2.3 RebinatioLifetime

Chapter 3 BreakdowVoltage
Chapter 4 Schottky Rectifiers
Chapter 5 P-i-N Rectifiers
Chapter 6 Power Mosfets
Chapter 7 Bipolar JunctioTransistors
Chapter 8 Thyristors
Chapter 9 Insulated Gate Bipolar Transistors
Chapter 10 Synopsis
Index

【XH】 功率半导体器件基础 - 英文版 引言 在当今高度电气化的世界中，功率半导体器件扮演着至关重要的角色。从我们日常使用的消费电子产品到支撑工业生产和能源转型的复杂系统，这些微小却强大的组件默默地驱动着现代社会的运行。它们是电力电子技术的核心，使得能量的高效转换、传输和控制成为可能，从而在各个领域催生了前所未有的创新和进步。 本书旨在为读者提供一个全面且深入的功率半导体器件基础知识体系。我们将从器件的基本原理出发，逐步深入到不同器件类型的特性、工作机制、制造工艺以及在实际应用中的考量。我们相信，掌握这些基础知识是理解和开发更先进的电力电子系统，解决当前和未来能源挑战的关键。 第一章：功率半导体器件的物理基础 本章将奠定理解功率半导体器件所需的物理学基础。我们将回顾半导体材料的导电特性，重点关注其在电场作用下的行为。 半导体材料的能带理论： 深入理解导带、价带、禁带宽度以及载流子（电子和空穴）的概念。我们将探讨本征半导体和杂质半导体的区别，以及掺杂如何改变材料的导电性。 PN结的形成与特性： PN结是所有半导体器件的基础。我们将详细分析PN结在不同偏置（正偏、反偏、零偏）下的电势分布、耗尽层宽度、以及由此产生的电导和截止特性。理解PN结的稳态和动态行为是掌握后续器件的关键。 载流子传输机制： 介绍载流子的漂移和扩散两种主要传输机制。理解电场如何引起载流子漂移，以及载流子浓度梯度如何驱动载流子扩散。这些机制在器件中的电流流动过程中起着决定性作用。 少数载流子效应： 重点讨论在非平衡状态下，少数载流子的注入、复合和存储等现象。这些效应对于理解功率半导体器件的开关速度、损耗以及可靠性至关重要。 半导体器件中的电场分布： 分析在不同器件结构和偏置条件下，电场如何在PN结和体区分布。理解电场分布对于器件的击穿电压和载流子注入有直接影响。 第二章：功率二极管 功率二极管是功率半导体器件中最基本的一种，尽管结构简单，但其在高电压、大电流应用中的作用不容忽视。 PN结二极管的基本原理回顾： 再次强调PN结的正偏和反偏特性，以及由此产生的导通和阻断能力。 功率二极管的结构与类型： 介绍不同类型的功率二极管，包括： 标准恢复二极管 (Standard Recovery Diode): 其反向恢复时间较长，适用于对开关速度要求不高的场合。 快恢复二极管 (Fast Recovery Diode): 通过特殊的掺杂和结构设计，缩短了反向恢复时间，适用于中等频率的应用。 超快恢复二极管 (Ultrafast Recovery Diode): 具有最短的反向恢复时间，适用于高频功率转换电路。 肖特基二极管 (Schottky Diode): 由金属和半导体直接接触形成，具有正向压降低、开关速度极快的优点，但耐压能力相对较低。 反向恢复特性分析： 详细剖析反向恢复电流的产生过程，包括存储电荷的消除。理解反向恢复损耗的产生机理，以及如何通过设计和材料选择来优化。 功率二极管的主要参数与选择： 讨论关键参数，如正向压降 (Vf)、反向击穿电压 (Vrrm)、最大正向平均电流 (If(AV))、浪涌电流 (Ifsm)、以及反向恢复时间 (trr) 等。指导读者如何根据应用需求选择合适的功率二极管。 应用实例： 简述功率二极管在整流、续流、钳位电路等典型应用中的作用。 第三章：功率双极型晶体管 (BJT) 功率双极型晶体管（BJT）是较早出现的功率开关器件，尽管其在效率方面逐渐被MOSFET取代，但在某些特定应用中仍有其优势。 BJT的基本工作原理： 回顾NPN和PNP晶体管的结构，以及电流控制电压的放大作用。 功率BJT的结构特点： 介绍功率BJT与小信号BJT在结构上的区别，例如宽发射区、多发射区、以及厚集电区等，这些设计是为了承受高电流和高电压。 功率BJT的I-V特性曲线： 分析不同基极电流下，集电极电流与集电极-发射极电压的关系。 功率BJT的开关特性： 详细讨论BJT的饱和区、放大区和截止区。分析其从导通到截止的转换过程，以及存储电荷对开关速度的影响。 功率BJT的主要参数： 讨论关键参数，如直流电流增益 (hFE)、集电极-发射极击穿电压 (VCEO)、集电极-基极击穿电压 (VCBO)、集电极-发射极饱和压降 (VCE(sat))、以及开关时间 (tON, tOFF) 等。 驱动电路设计： 介绍驱动功率BJT导通和截止所需的基极电流和电压要求。 应用实例： 简述功率BJT在一些低频大功率开关电路、线性稳压器中的应用。 第四章：功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 功率MOSFET是目前应用最广泛的功率开关器件之一，以其高开关速度、低导通损耗和易于驱动等优点而闻名。 MOSFET的基本工作原理： 介绍P沟道和N沟道MOSFET的结构，以及栅极电压如何通过电场效应在沟道中形成或调制载流子。 增强型和耗尽型MOSFET： 区分这两种基本工作模式，并重点关注在功率应用中更常用的增强型MOSFET。 功率MOSFET的结构与优化： 深入分析功率MOSFET的垂直结构，包括源极、漏极、沟道、体二极管以及绝缘栅。介绍 Trench MOSFET、DMOS（Double Diffused MOSFET）等提高性能的结构。 功率MOSFET的I-V特性曲线： 分析不同栅极电压下，漏极电流与漏极-源极电压的关系，包括截止区、线性区（欧姆区）和饱和区。 导通损耗分析： 重点研究在导通状态下，沟道电阻 (RDS(on)) 产生的焦耳热损耗。分析 RDS(on) 受温度、栅极电压和器件结构的影响。 开关损耗分析： 详细讨论MOSFET的开关过程中产生的损耗，包括栅极驱动损耗、输出电容 (Coss) 充放电损耗以及反向恢复损耗（与体二极管相关）。 功率MOSFET的主要参数： 讨论关键参数，如导通电阻 (RDS(on))、栅源电压阈值 (VGS(th))、最大漏极电流 (ID)、漏源击穿电压 (VDS(max))、栅极电荷 (Qg)、以及输出电容 (Coss) 等。 驱动电路设计： 介绍驱动MOSFET所需的栅极驱动信号，包括驱动电压、驱动电流以及驱动电路的拓扑结构。 应用实例： 广泛介绍MOSFET在开关电源 (SMPS)、DC-DC转换器、逆变器、电机驱动、LED驱动等领域的应用。 第五章：绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) IGBT结合了MOSFET的易驱动性和BJT的低导通压降的优点，在较高电压和较大电流的应用中具有独特的优势。 IGBT的基本结构与工作原理： 介绍IGBT的PNPN四层结构，其输入端是MOSFET的栅极，输出端是BJT的集电极和发射极。理解其工作模式是如何实现MOSFET栅极控制BJT导通的。 IGBT的I-V特性曲线： 分析IGBT的导通特性，重点关注其在不同栅极电压下的集电极电流与集电极-发射极电压关系。 IGBT的导通损耗： 分析IGBT的导通损耗，其导通压降比MOSFET低，但比BJT高。 IGBT的开关损耗： 讨论IGBT的开关过程中产生的损耗，包括栅极驱动损耗、输出电容的充放电损耗以及反向恢复损耗（与PNP BJT的少数载流子存储有关）。 IGBT的软开关特性： 介绍IGBT在某些应用中能够实现零电压或零电流开关，从而降低开关损耗。 IGBT的主要参数： 讨论关键参数，如集电极-发射极击穿电压 (VCES)、集电极电流 (IC)、集电极-发射极饱和压降 (VCE(sat))、栅极-发射极阈值电压 (VGE(th))、以及开关时间 (tON, tOFF) 等。 驱动电路设计： 介绍驱动IGBT所需的栅极驱动信号，以及驱动电路的隔离和保护措施。 应用实例： 广泛介绍IGBT在变频器、不间断电源 (UPS)、电动汽车驱动、感应加热、焊接设备等领域的应用。 第六章：其他功率半导体器件 本章将介绍一些其他重要的功率半导体器件，它们在特定领域发挥着关键作用。 可控硅 (Thyristor) 家族： 普通可控硅 (SCR): 介绍其触发导通、自锁关断的特性，以及在高压大功率直流输电、交流调压等领域的应用。 双向可控硅 (TRIAC): 介绍其可以控制交流电的双向导通，在交流调光、电机调速等场合的应用。 门极可控开关 (GTO): 介绍其具有强制关断能力，在某些高功率应用中的优势。 碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 器件： SiC MOSFET 和 SiC Schottky 二极管： 介绍碳化硅材料的优越性能（高禁带宽度、高击穿电场、高热导率），以及其在提高效率、减小体积、拓展工作温度方面的潜力。 GaN HEMT (高电子迁移率晶体管)： 介绍氮化镓材料在实现更高开关速度和更高功率密度方面的优势，以及其在射频和功率电子领域的应用前景。 功率集成电路 (PIC)： 介绍将多个功率器件和控制电路集成在一个芯片上的技术，以及其在简化设计、提高可靠性方面的优势。 第七章：功率半导体器件的制造工艺 了解功率半导体器件的制造过程对于理解其性能限制、可靠性以及成本至关重要。 衬底材料制备： 介绍硅 (Si) 衬底的生长和晶圆制造过程。 外延生长： 讲解如何通过外延生长技术在衬底上形成特定掺杂浓度和厚度的半导体层。 光刻与刻蚀： 介绍这些微电子制造的核心工艺，如何将设计好的电路图案转移到晶圆上，并选择性地去除或沉积材料。 掺杂技术： 详细介绍离子注入和扩散两种主要的掺杂方式，以及如何精确控制掺杂浓度和深度。 金属化与互连： 介绍如何通过金属化形成电极，以及多层金属互连技术。 器件封装： 介绍不同类型的功率器件封装（如TO-247, TO-220, SOT-23等），以及封装技术对器件散热、可靠性、以及电气性能的影响。 质量控制与测试： 概述在制造过程中进行的质量控制和性能测试环节。 第八章：功率半导体器件的可靠性与失效分析 功率半导体器件在实际应用中会面临各种严峻的运行条件，因此可靠性至关重要。 工作环境对器件的影响： 讨论温度、电压、电流、湿度、振动等因素对器件性能和寿命的影响。 热管理与散热： 强调良好的散热是保证器件可靠运行的关键。介绍热阻、结温、以及散热器、风冷、液冷等散热技术。 电应力与电迁移： 分析过电压、过电流、浪涌电流等电应力对器件的损害。 器件的失效模式： 介绍常见的失效模式，如击穿、短路、开路、参数漂移等。 可靠性评估方法： 概述加速寿命试验、统计分析等常用的可靠性评估方法。 失效物理与分析： 介绍如何通过扫描电镜 (SEM)、透射电镜 (TEM) 等技术对失效器件进行物理分析，找出失效原因。 第九章：功率半导体器件的应用与发展趋势 本章将展望功率半导体器件的未来发展方向，以及它们在各个领域的广泛应用。 在新能源领域的应用： 太阳能光伏逆变器、风力发电变流器、电动汽车充电桩和驱动系统。 在智能电网中的角色： 高效输电、分布式能源接入、智能控制。 在消费电子与通信中的应用： 高效开关电源、快充技术、5G基站。 在工业自动化中的作用： 电机驱动、机器人控制、电源供应。 新材料与新技术的探索： 宽禁带半导体（SiC, GaN）的进一步发展，以及下一代半导体材料（如金刚石）的潜力。 集成化与智能化趋势： 功率模块、智能功率模块 (IPM) 的发展，以及与微控制器的集成。 面向未来的挑战与机遇： 应对能源危机、提高能效、降低碳排放等全球性挑战。 结论 本书为读者提供了一个系统学习功率半导体器件基础知识的全面框架。我们希望通过对器件物理原理、结构特性、制造工艺、可靠性以及应用等方面的深入探讨，能够激发读者对这一关键技术领域的兴趣，并为他们在未来的研究和实践中奠定坚实的基础。功率半导体器件的发展仍在不断前进，它们将继续在塑造我们能源未来、推动科技进步方面发挥不可替代的作用。

评分☆☆☆☆☆

这本书真的彻底改变了我对功率半导体器件的理解。我一直认为自己对这个领域多少有些了解，但阅读完这本【XH】功率半导体器件基础-英文版后，我才意识到之前所学是多么肤浅。作者以一种非常系统且深入的方式，从最基础的PN结原理开始，逐步过渡到各种复杂的功率器件，比如MOSFET、IGBT、BJT等等。每个器件的结构、工作原理、优缺点、以及在不同应用场景下的特性，都被讲解得淋漓尽致。最让我印象深刻的是，作者并没有简单地罗列公式和理论，而是巧妙地将理论与实际应用相结合。通过大量的图示和案例分析，我能够直观地理解这些器件是如何工作的，以及它们在电源管理、电动汽车、可再生能源等领域发挥的关键作用。书中的英文表达清晰流畅，专业术语的解释也非常到位，即使是对于非母语读者来说，阅读起来也并不会感到吃力。总而言之，这是一本我强烈推荐给任何想要深入了解功率半导体器件的工程师、研究人员，甚至是学生的宝藏书籍。它不仅提供了扎实的理论基础，更重要的是，它点燃了我对这个领域进一步探索的热情。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对电子工程充满好奇心的学生，我一直想找一本能够让我对功率半导体器件有一个全面而深入了解的读物。这本【XH】功率半导体器件基础-英文版完全满足了我的需求，甚至超出了我的想象。这本书的优点在于它的结构清晰、逻辑性强。从最基本的半导体物理知识讲起，然后逐步介绍二极管、三极管、MOSFET、IGBT等各种功率器件的结构、工作原理、特性曲线、损耗模型等等。作者并没有回避复杂的数学推导，但同时又会用非常形象的比喻和生动的图示来帮助我们理解。让我印象深刻的是，书中对于器件的可靠性分析也非常到位，探讨了过电压、过电流、热应力等对器件寿命的影响，以及相应的保护措施。这让我意识到，在设计实际电路时，不仅仅要关注器件的性能，更要考虑其长期稳定运行的能力。此外，书中还提供了很多关于器件选型和应用设计的建议，这对我未来的学习和实践都非常有指导意义。这本书的阅读体验非常棒，我强烈推荐给所有对功率半导体感兴趣的初学者和有一定基础的学习者。

评分☆☆☆☆☆

老实说，我拿到这本书的初衷是想找一本能快速提高我面试成功率的参考书，毕竟功率半导体是目前热门的招聘领域。但阅读过程中，我发现这本书的价值远超我的预期。它以一种非常严谨且系统的方式，构建了一个完整的功率半导体知识体系。书中涵盖了从器件的物理基础到电路设计，再到系统级应用的全过程。而且，它的英文表述非常地道，用词精准，对于提高我的专业英文阅读能力也有很大的帮助。我尤其喜欢书中对一些经典功率变换拓扑的讲解，例如Buck、Boost、Flyback等，作者不仅给出了数学模型，还深入分析了各个工作模态的特性，以及在实际应用中可能遇到的问题和解决方案。此外，书中还对一些新兴的功率器件技术，如IGBT的最新发展、SiC MOSFET的门极驱动等，进行了介绍，这让我对行业未来的发展趋势有了更清晰的认识。这本不仅是学习的教材，更是一本值得反复研读的工具书，它为我在职业发展道路上提供了宝贵的指引。

评分☆☆☆☆☆

我之前一直对功率半导体器件的实际应用场景感到有些模糊，虽然知道它们很重要，但具体到不同的器件类型，它们各自擅长哪些领域，应用的关键点是什么，总是无法形成清晰的认知。这本【XH】功率半导体器件基础-英文版在这方面做得非常出色。它并非仅仅停留在理论层面，而是花费了相当大的篇幅来介绍各种功率器件在实际电路中的应用。从简单的开关电路到复杂的DC-DC转换器、AC-DC转换器，再到电机驱动和逆变器等，书中都提供了详细的电路图和工作原理分析。让我印象深刻的是，书中不仅仅列出了电路图，还深入分析了器件在这些电路中扮演的角色，以及如何根据应用需求选择合适的器件，并进行参数优化。例如，在介绍MOSFET时，它详细讨论了导通电阻、开关损耗、栅极电荷等参数对效率和散热的影响，并给出了相应的选择指南。这样的讲解方式，让我在阅读时仿佛置身于实际的工程师工作场景中，能够更直观地理解理论知识的实际价值。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在电力电子领域摸爬滚打了多年的老兵，我经常会遇到一些理论上的瓶颈，或者在分析复杂电路时感到力不从心。直到我翻开这本【XH】功率半导体器件基础-英文版，我才找到了久违的“醍醐灌顶”的感觉。本书在材料科学的基础上，对功率半导体器件的物理特性进行了深入的剖析。它不仅仅是描述器件的“是什么”，更是深入探讨了“为什么”是这样。从载流子行为到击穿机制，从热管理到可靠性问题，书中对每一个关键环节都进行了细致入微的论述。特别是在讲解SiC和GaN等第三代半导体材料时，作者将其与传统的Si材料进行了详尽的对比，清晰地阐述了它们在耐高压、耐高温、高频特性等方面的优势，以及在未来的发展潜力。书中附带的大量仿真模型和实验数据，更是为我提供了一个验证理论、深化理解的绝佳平台。我常常会花上很长时间去研究其中的图表和数据，每一次都能从中获得新的启示。这本书的价值，绝不仅仅在于传授知识，更在于培养解决问题的思维方式和科学探索的精神。