功率半导体器件--原理、特性和可靠性 9787111417279 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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德卢茨 等 著

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111417279

商品编码：29627497467

包装：平装

出版时间：2013-06-01

基本信息

书名:功率半导体器件--原理、特性和可靠性

定价：98.00元

售价：71.5元,便宜26.5元,折扣72

作者:(德)卢茨,等

出版社：机械工业出版社

出版日期：2013-06-01

ISBN：9787111417279

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：大16开

商品重量：0.599kg

编辑推荐

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内容提要

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　　《国际电气工程先进技术译丛·功率半导体器件：原理、特性和可靠性》介绍了功率半导体器件的原理、结构、特性和可靠性技术，器件部分涵盖了当前电力电子技术中使用的各种类型功率半导体器件，包括二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT和功率集成器件等。此外，还包含了制造工艺、测试技术和损坏机理分析。就其内容的全面性和结构的完整性来说，在同类专业书籍中是不多见的。
　　《国际电气工程先进技术译丛·功率半导体器件：原理、特性和可靠性》内容新颖，紧跟时代发展，除了介绍经典的功率二极管、晶闸管外，还重点介绍了MOSFET、IGBT等现代功率器件，颇为难得的是收入了近年来有关功率半导体器件的*的成果。本书是一本精心编著，并根据作者多年教学经验和工程实践不断补充更新的好书，相信它的翻译出版，必将有助于我国电力电子事业的发展。
　　《国际电气工程先进技术译丛·功率半导体器件：原理、特性和可靠性》的读者对象包括在校学生、功率器件设计制造和电力电子应用领域的工程技术人员及其他相关专业人员。本书适合高等院校有关专业用作教材或专业参考书，亦可被电力电子学界和广大的功率器件和装置生产企业的工程技术人员作为参考书之用。

目录

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前言
章 功率半导体器件——高效电能变换装置中的关键器件
1.1 装置、电力变流器和功率半导体器件
1.1.1 电力变流器的基本原理
1.1.2 电力变流器的类型和功率器件的选择
1.2 使用和选择功率半导体
1.3 功率半导体的应用
参考文献

第2章 半导体的性质
2.1 引言
2.2 晶体结构
2.3 禁带和本征浓度
2.4 能带结构和载流子的粒子性质
2.5 掺杂的半导体
2.6 电流的输运
2.6.1 载流子的迁移率和场电流
2.6.2 强电场下的漂移速度
2.6.3 载流子的扩散和电流输运方程式
2.7 复合产生和非平衡载流子的寿命
2.7.1 本征复合机理
2.7.2 复合中心上的复合和产生
2.8 碰撞电离
2.9 半导体器件的基本公式
2.10简单的结论
参考文献

第3章 pn结
3.1 热平衡状态下的pn结
3.1.1 突变结
3.1.2 缓变结
3.2 pn结的IV特性
3.3 pn结的阻断特性和击穿
3.3.1 阻断电流
3.3.2 雪崩倍增和击穿电压
3.3.3 宽禁带半导体的阻断能力
3.4 发射区的注入效率
3.5 pn结的电容
参考文献

第4章 功率器件工艺的简介
4.1 晶体生长
4.2 通过中子嬗变来调整晶片的掺杂
4.3 外延生长
4.4 扩散
4.5 离子注入
4.6 氧化和掩蔽
4.7 边缘终端
4.7.1 斜面终端结构
4.7.2 平面结终端结构
4.7.3 双向阻断器件的结终端
4.8 钝化
4.9 复合中心
4.9.1 用金和铂作为复合中心
4.9.2 辐射引入的复合中心
4.9.3 Pt和Pd的辐射增强扩散
参考文献
功率半导体器件——原理、特性和可靠性目录

第5章 pin二极管
5.1 pin二极管的结构
5.2 pin二极管的IV特性
5.3 pin二极管的设计和阻断电压
5.4 正向导通特性
5.4.1 载流子的分布
5.4.2 结电压
5.4.3 中间区域两端之间的电压降
5.4.4 在霍尔近似中的电压降
5.4.5 发射极复合、有效载流子寿命和正向特性
5.4.6 正向特性和温度的关系
5.5 储存电荷和正向电压之间的关系
5.6 功率二极管的开通特性
5.7 功率二极管的反向恢复
5.7.1 定义
5.7.2 与反向恢复有关的功率损耗
5.7.3 反向恢复：二极管中电荷的动态
5.7.4 具有佳反向恢复特性的快速二极管
5.8 展望
参考文献

第6章 肖特基二极管
6.1 金属半导体结的原理
6.2 肖特基结的IV特性
6.3 肖特基二极管的结构
6.4 单极型器件的欧姆电压降
6.5 SiC肖特基二极管
参考文献

第7章 双极型晶体管
7.1 双极型晶体管的工作原理
7.2 功率双极型晶体管的结构
7.3 功率晶体管的IV特性
7.4 双极型晶体管的阻断特性
7.5 双极型晶体管的电流增益
7.6 基区展宽、电场再分布和二次击穿
7.7 硅双极型晶体管的局限性
7.8 SiC双极型晶体管
参考文献

第8章 晶闸管
8.1 结构与功能模型
8.2 晶闸管的IV特性
8.3 晶闸管的阻断特性
8.4 发射极短路点的作用
8.5 晶闸管的触发方式
8.6 触发前沿扩展
8.7 随动触发与放大门极
8.8 晶闸管关断和恢复时间
8.9 双向晶闸管
8.10 门极关断（GTO）晶闸管
8.11 门极换流晶闸管（GCT）
参考文献

第9章 MOS晶体管
9.1 MOSFET的基本工作原理
9.2 功率MOSFET的结构
9.3 MOS晶体管的IV特性
9.4 MOSFET沟道的特性
9.5 欧姆区域
9.6 现代MOSFET的补偿结构
9.7 MOSFET的开关特性
9.8 MOSFET的开关损耗
9.9 MOSFET的安全工作区
9.10 MOSFET的反并联二极管
9.11 SiC场效应器件
9.12 展望
参考文献

0章 IGBT
10.1 功能模式
10.2 IGBT的IV特性
10.3 IGBT的开关特性
10.4 基本类型：PTIGBT和NPTIGBT
10.5 IGBT中的等离子体分布
10.6 提高载流子浓度的现代IGBT
10.6.1 高n发射极注入比的等离子增强
10.6.2 无闩锁元胞几何图形
10.6.3 '空穴势垒'效应
10.6.4 集电的缓冲层
10.7 具有双向阻断能力的IGBT
10.8 逆导型IGBT
10.9 展望
参考文献

1章 功率器件的封装和可靠性
11.1 封装技术面临的挑战
11.2 封装类型
11.2.1 饼形封装
11.2.2 TO系列及其派生
11.2.3 模块
11.3 材料的物理特性
11.4 热仿真和热等效电路
11.4.1 热力学参数和电参数之间的转换
11.4.2 一维等效网络
11.4.3 三维热网络
11.4.4 瞬态热阻
11.5 功率模块内的寄生电学元件
11.5.1 寄生电阻
11.5.2 寄生电感
11.5.3 寄生电容
11.6 可靠性
11.6.1 提高可靠性的要求
11.6.2 高温反向偏置试验
11.6.3 高温栅极应力试验
11.6.4 温度湿度偏置试验
11.6.5 高温和低温存储试验
11.6.6 温度循环和温度冲击试验
11.6.7 功率循环试验
11.6.8 其他的可靠性试验
11.6.9 提高可靠性的策略
11.7 未来的挑战
参考文献

2章 功率器件的损坏机理
12.1 热击穿——温度过高引起的失效
12.2 浪涌电流
12.3 过电压——电压高于阻断能力
12.4 动态雪崩
12.4.1 双极型器件中的动态雪崩
12.4.2 快速二极管中的动态雪崩
12.4.3 具有高动态雪崩能力的二极管结构
12.4.4 动态雪崩：进一步的任务
12.5 超过GTO的大关断电流
12.6 IGBT的短路和过电流
12.6.1 短路类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
12.6.2 短路的热、电应力
12.6.3 过电流的关断和动态雪崩
12.7 宇宙射线造成的失效
12.8 失效分析
参考文献

3章 功率器件的感应振荡和电磁干扰
13.1 电磁干扰的频率范围
13.2 LC振荡
13.2.1 并联IGBT的关断振荡
13.2.2 阶跃二极管的关断振荡
13.3 渡越时间振荡
13.3.1 等离子体抽取渡越时间（PETT）振荡
13.3.2 动态碰撞电离渡越时间（IMPATT）振荡
参考文献

4章 电力电子系统
14.1 定义和基本特征
14.2 单片集成系统——功率IC
14.3 印刷电路板上的系统集成
14.4 混合集成
参考文献

附录A Si与4HSiC中载流子迁移率的建模参数
附录B 雪崩倍增因子与有效电离率
附录C 封装技术中重要材料的热参数
附录D 封装技术中重要材料的电参数
附录E 常用符号

作者介绍

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文摘

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序言

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《功率半导体器件：原理、特性与可靠性》是一部深度剖析功率半导体器件核心知识体系的专业著作。本书旨在为读者提供全面、系统且深入的理解，涵盖了从基本原理到实际应用，再到器件可靠性保障的各个关键环节。内容严谨，逻辑清晰，语言专业，旨在成为从事功率半导体器件设计、研发、应用、教学以及相关领域科研工作的工程师、研究人员和学生的宝贵参考。 第一部分：功率半导体器件的基础原理 本部分是理解后续所有内容的基础，它将带领读者穿越功率半导体器件的微观世界，揭示其工作的根本机制。 半导体物理基础： 首先，本书会回顾并深入讲解构成所有半导体器件的基石——半导体材料的物理特性。这包括晶体结构、能带理论、载流子（电子和空穴）的产生、输运机制（漂移和扩散）、掺杂以及 PN 结的形成与特性。对于这些基础概念的深入理解，是掌握功率器件工作原理的前提。特别会强调不同掺杂浓度、不同温度对载流子浓度的影响，以及本征半导体和杂质半导体的区分。 PN 结的特性与模型： PN 结是所有二极管和晶体管的基础结构。本书将详细分析 PN 结在外加电压下的行为，包括正向导通、反向截止和击穿现象。会介绍不同的 PN 结模型，例如理想 PN 结模型、简并 PN 结模型，以及在功率器件中更为重要的漂移区概念。会深入讨论 PN 结结电容、结电导等寄生参数，以及它们对器件动态性能的影响。 功率器件特有的物理现象： 与信号级器件不同，功率器件工作在高电压、大电流下，因此会涉及一些特有的物理现象。本书会重点讲解载流子注入、收集、少数载流子存储效应、以及这些效应如何影响功率器件的开关速度和导通损耗。例如，在双极型器件（如 IGBT）中，少数载流子的注入对器件的导通压降起着至关重要的作用。对于 MOSFET，则会深入探讨沟道形成、载流子输运、栅极电容以及阈值电压的物理机制。 第二部分：主流功率半导体器件的原理与特性 本部分是本书的核心内容，将系统介绍当前广泛应用以及未来发展前景广阔的各类功率半导体器件，并深入剖析它们的内部结构、工作原理、性能特点和优缺点。 功率二极管： PN 结二极管： 从最基础的 PN 结二极管出发，讲解其在高电压、大电流下的行为，重点关注其反向恢复特性（trr），以及由此产生的损耗。 肖特基二极管（SBD）： 介绍金属-半导体接触形成的肖特基结，以及其相比于 PN 结二极管在低正向压降和快速反向恢复方面的优势，并讨论其在高功率下的应用限制。 快恢复二极管（FRD）与超快恢复二极管（UFRD）： 讲解如何通过掺杂工艺或引入特定材料来优化 PN 结二极管的反向恢复特性，以满足高速开关应用的需求。 IGBT 驱动二极管： 介绍与 IGBT 集成的续流二极管，分析其参数对 IGBT 模块整体性能的影响。 功率三极管： 双极型功率晶体管（BJT）： 尽管在许多应用中被 MOSFET 和 IGBT 取代，但 BJT 在某些特定场景下仍有优势。本书会详细讲解其工作原理，包括发射区、基区、集电区以及电流放大系数（β），并分析其在高电压下的击穿机制。 功率 MOSFET： 作为目前最主流的功率开关器件，本书将用大量篇幅介绍功率 MOSFET。从 Vertical Double-Diffused MOSFET (VDMOS) 的结构出发，详细分析其沟道导通、饱和、截止过程。深入探讨体二极管特性、栅极驱动要求、导通电阻（RDS(on)）的构成（包括体电阻、沟道电阻、漂移区电阻等）以及温度依赖性。会介绍不同类型的 MOSFET，如 LDMOS、DMOS 等，并分析它们的特点。 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）： 重点讲解 IGBT 的核心工作原理，即其结合了 MOSFET 的栅极驱动便捷性和 BJT 的低导通压降的优势。详细分析其 P 沟道 MOSFET 输入结构、NPN 晶体管输出结构，以及衬底的影响。深入研究其导通特性、关断特性、以及短路能力。会介绍不同类型的 IGBT，如 Planar IGBT、Trench IGBT、FS IGBT、NPC IGBT 等，并分析它们的性能差异和适用场景。 其他功率器件： 可关断晶闸管（GTO）： 介绍 GTO 的原理和特点，特别是其关断能力，以及在传统大功率电力电子系统中的应用。 电力 MOSFET (Power MOSFET)： 再次强调 MOSFET 在各个功率等级的广泛应用，细致解析其在 DC-DC 转换器、AC-DC 转换器、逆变器等典型电路中的工作模式。 SiC 和 GaN 器件： 展望未来，本书将详细介绍宽禁带半导体材料（如碳化硅 SiC 和氮化镓 GaN）功率器件的原理、特性和优势。分析 SiC MOSFET、SiC 肖特基二极管、GaN HEMT 等器件相比于硅基器件在耐高压、高频率、高温度和低损耗方面的突破性进展，以及它们的典型应用领域，如电动汽车、新能源发电、高速通信等。 第三部分：功率半导体器件的可靠性 任何电子器件的实际应用都离不开可靠性保障。本部分将深入探讨影响功率半导体器件可靠性的各种因素，并介绍相应的分析和设计方法。 器件的失效模式与机理： 电应力失效： 详细分析过电压、过电流、雪崩击穿、热击穿等引起的失效机理。 热应力失效： 讲解温度循环、焊接引起的应力、散热不良导致的过热等对器件寿命的影响。 机械应力失效： 分析封装、引线键合、基板应力等引起的机械疲劳和断裂。 环境因素失效： 探讨湿度、腐蚀性气体、辐射等对器件性能和寿命的影响。 制造工艺缺陷： 分析掩膜错误、掺杂不均匀、表面缺陷等内在制造问题导致的失效。 可靠性评估与测试： 加速寿命测试（ALT）： 介绍各种加速应力（如高温、高湿、高电压、高电流）的设置和数据分析方法，例如威布尔分布、阿伦尼乌斯模型等。 环境应力筛选（ESS）： 讲解通过模拟实际工作环境来发现潜在缺陷的测试方法。 电迁移（Electromigration）： 深入分析在高电流密度下金属导线发生的迁移现象，以及它对器件可靠性的影响。 击穿电压（BV）和栅极漏电流（Igss）的稳定性： 关注这些关键参数的长期稳定性测试。 提高器件可靠性的设计与制造策略： 器件结构优化： 介绍如何通过改进器件设计，如增加漂移区长度、优化栅氧化层、采用场限环（FLR）或终端保护结构来提高耐压能力和抑制漏电。 封装技术： 讨论不同封装类型（如 TO-247, TO-220, SOT-223, QFN, DFN 等）的散热性能、机械强度、电气隔离等对可靠性的影响。 热管理： 强调良好的散热设计在维持器件稳定工作、防止过热失效中的关键作用。 材料选择与工艺控制： 分析高质量半导体材料、金属互连材料、以及严格的制造工艺控制对可靠性的保障。 晶圆级可靠性（WLR）： 介绍在晶圆制造过程中进行的可靠性评估和控制。 失效分析（FA）： 失效模式识别： 介绍常用的失效分析手段，如光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X 射线成像、声学成像等，以定位和识别失效点。 失效机理分析： 通过对失效点的深入分析，还原器件失效发生的根本原因。 第四部分：功率半导体器件的应用与发展趋势 在深入理解了器件的原理、特性和可靠性之后，本书将引导读者将知识应用于实际，并展望未来的发展方向。 典型应用电路分析： AC-DC 转换器： 介绍功率因数校正（PFC）电路、整流桥等。 DC-DC 转换器： 如 Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、SEPIC 等拓扑的器件选择和驱动设计。 DC-AC 逆变器： 单相、三相逆变器的功率器件选择、控制策略和损耗分析。 电机驱动： 分析在电动汽车、工业驱动等领域的应用。 新能源发电： 如光伏逆变器、风力发电变流器中的功率器件应用。 驱动与保护电路： MOSFET/IGBT 栅极驱动： 详细介绍驱动电路的设计要点，包括驱动电压、驱动电流、死区时间控制、高低边驱动隔离等。 过电流保护、过电压保护、短路保护： 分析各种保护机制的原理和实现方式。 未来发展趋势： 宽禁带半导体（SiC, GaN）的进一步推广： 探讨其在更高功率、更高频率、更高温度应用中的潜力。 集成技术： 如功率模块（Power Module）的集成化、智能化发展。 先进封装技术： 如 3D 封装、SiP（System in Package）等。 新型功率器件： 如全集成碳化硅（AI-SiC）、超级结（Super Junction）MOSFET 的进一步发展。 人工智能在器件设计与可靠性预测中的应用。 本书内容全面，覆盖了功率半导体器件领域的关键知识点，从基础理论到前沿技术，从器件本身到系统应用，均有深入的探讨。通过对本书的学习，读者将能建立起对功率半导体器件的系统认知，并能将其应用于实际设计和研发工作中。

评分☆☆☆☆☆

对于初学者来说，这本书或许会显得有些“硬核”，但正是这种“硬核”，才彰显了其作为一本权威参考书的价值。我曾尝试阅读过一些介绍功率半导体器件的入门书籍，但总觉得过于浅显，无法满足我深入探究的愿望。直到我接触到这本书，才找到了“对的”感觉。作者并没有回避那些复杂的物理概念和数学推导，而是以清晰的逻辑和详实的论证，将它们一一呈现。虽然有些地方需要反复阅读和思考，但我相信，这种扎实的学习过程，能够让我真正掌握功率半导体器件的核心技术。书中对不同器件的优缺点、适用场景的对比分析，以及在各种复杂工况下的性能表现，都为我提供了宝贵的决策依据。它教会我如何不仅仅是“知道”这些器件，更是如何“理解”它们，如何“选择”它们，以及如何“应用”它们。这本书，就像一位严谨的导师，不吝啬地分享着它的知识，只期待着学习者能够真正领悟其中的精髓，并将其转化为创造力。

评分☆☆☆☆☆

我是一名正在攻读电力电子方向研究生的学生，这本书为我的学术研究提供了极大的帮助。在撰写论文的过程中，我常常需要查阅相关的理论知识和技术进展，而本书无疑是我的“宝藏”。书中对最新一代功率半导体器件（如SiC和GaN器件）的特性和应用前景的探讨，为我指明了研究方向。作者对这些新材料器件在耐高压、耐高温、低损耗等方面的优势进行了详尽的分析，并结合实际应用案例，展现了其巨大的发展潜力。此外，书中对器件可靠性问题的深入研究，也为我解决科研过程中遇到的难题提供了思路。例如，如何评估新材料器件的长期可靠性，如何设计相应的测试方法，这些都是我亟待解决的问题。这本书的价值，在于它不仅提供了扎实的理论基础，更引领着前沿的研究方向，为我未来的学术探索奠定了坚实的基础，让我能够站在巨人的肩膀上，继续攀登科学的高峰。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，这本书的实用性超乎我的想象。作为一名在电力电子行业摸爬滚打多年的工程师，我深知理论知识与实际应用之间的鸿沟。然而，当我深入研读这本书时，我惊喜地发现，书中提出的每一个理论，都与我日常工作中遇到的问题息息相关。例如，在设计高频开关电源时，对器件损耗的精确计算至关重要，而本书对不同器件损耗机制的深入分析，为我提供了宝贵的指导。书中对各种器件的开关特性、导通损耗、关断损耗的详细论述，让我能够更精准地选择合适的器件，优化电路设计，提高整体效率。此外，关于器件的可靠性分析，更是直击要害。在实际应用中，器件的失效往往导致严重的后果，而本书对过压、过流、过温等失效机理的详尽阐述，以及相应的防护措施，为我规避潜在风险提供了坚实的理论基础。这本书，不仅仅是知识的传播，更是经验的总结，智慧的结晶，它让我能够更好地理解和驾驭功率半导体器件，从而在工作中游刃有余。

评分☆☆☆☆☆

初遇此书，便被其厚重所吸引，封面上“功率半导体器件”几个字，承载着我对这个领域的好奇与探索。翻开书页，密密麻麻的公式和图表扑面而来，瞬间点燃了我内心深处的求知欲。这不仅仅是一本技术书籍，更像是一扇通往微观世界的大门，让我得以窥探那些塑造我们现代生活的关键电子元件的奥秘。从基础的PN结原理，到复杂的MOSFET和IGBT的特性，再到实际应用中的可靠性考量，本书的编排脉络清晰，逻辑严谨，仿佛一位经验丰富的老师，循循善诱地引导着我一步步深入。那些看似晦涩难懂的物理概念，在作者的阐述下，变得生动形象，易于理解。每一次的阅读，都是一次智力的挑战，更是一次心灵的洗礼。我沉浸其中，忘记了时间的流逝，只觉思维在知识的海洋中遨游，与那些闪耀着智慧光芒的半导体器件进行着无声的对话。这本书，是我在功率半导体领域探索之旅的起点，也是我坚定前行的方向。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，在阅读这本书之前，我对功率半导体器件的认识仅停留在“能用就行”的层面。但随着阅读的深入，我开始意识到，这背后蕴含着多么精妙的设计和复杂的物理原理。本书以严谨的学术态度，剖析了各种功率半导体器件（如二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等）的内部结构、工作机制以及关键的电学和热学特性。作者不仅详细介绍了理论模型，还结合了大量的实验数据和仿真结果，使得抽象的概念变得具体可感。我尤其对书中关于器件可靠性方面的论述印象深刻。从器件的老化机理到失效模式的分析，再到如何通过设计和制造工艺来提高器件的长期稳定性，这些内容对于确保电力电子系统的稳定运行至关重要。这本书让我看到了一个从材料选择、芯片设计、封装工艺到最终应用的全链条式技术体系。它不仅仅是一本教科书，更是一本“百科全书”，为我打开了认识功率半导体器件的全新视角，让我对其有了更深层次的理解和敬畏。