功率半導體器件--原理、特性和可靠性 9787111417279 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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德盧茨 等 著

圖書標籤:

• 功率半導體
• 半導體器件
• 電力電子
• 器件物理
• 可靠性
• 開關器件
• MOSFET
• IGBT
• 二極管
• 電力係統

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齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111417279

商品編碼：29627497467

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齣版時間：2013-06-01

基本信息

書名:功率半導體器件--原理、特性和可靠性

定價：98.00元

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作者:(德)盧茨,等

齣版社：機械工業齣版社

齣版日期：2013-06-01

ISBN：9787111417279

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版次：1

裝幀：平裝

開本：大16開

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編輯推薦

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內容提要

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　　《國際電氣工程先進技術譯叢·功率半導體器件：原理、特性和可靠性》介紹瞭功率半導體器件的原理、結構、特性和可靠性技術，器件部分涵蓋瞭當前電力電子技術中使用的各種類型功率半導體器件，包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT和功率集成器件等。此外，還包含瞭製造工藝、測試技術和損壞機理分析。就其內容的全麵性和結構的完整性來說，在同類專業書籍中是不多見的。
　　《國際電氣工程先進技術譯叢·功率半導體器件：原理、特性和可靠性》內容新穎，緊跟時代發展，除瞭介紹經典的功率二極管、晶閘管外，還重點介紹瞭MOSFET、IGBT等現代功率器件，頗為難得的是收入瞭近年來有關功率半導體器件的*的成果。本書是一本精心編著，並根據作者多年教學經驗和工程實踐不斷補充更新的好書，相信它的翻譯齣版，必將有助於我國電力電子事業的發展。
　　《國際電氣工程先進技術譯叢·功率半導體器件：原理、特性和可靠性》的讀者對象包括在校學生、功率器件設計製造和電力電子應用領域的工程技術人員及其他相關專業人員。本書適閤高等院校有關專業用作教材或專業參考書，亦可被電力電子學界和廣大的功率器件和裝置生産企業的工程技術人員作為參考書之用。

目錄

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前言
章 功率半導體器件——高效電能變換裝置中的關鍵器件
1.1 裝置、電力變流器和功率半導體器件
1.1.1 電力變流器的基本原理
1.1.2 電力變流器的類型和功率器件的選擇
1.2 使用和選擇功率半導體
1.3 功率半導體的應用
參考文獻

第2章 半導體的性質
2.1 引言
2.2 晶體結構
2.3 禁帶和本徵濃度
2.4 能帶結構和載流子的粒子性質
2.5 摻雜的半導體
2.6 電流的輸運
2.6.1 載流子的遷移率和場電流
2.6.2 強電場下的漂移速度
2.6.3 載流子的擴散和電流輸運方程式
2.7 復閤産生和非平衡載流子的壽命
2.7.1 本徵復閤機理
2.7.2 復閤中心上的復閤和産生
2.8 碰撞電離
2.9 半導體器件的基本公式
2.10簡單的結論
參考文獻

第3章 pn結
3.1 熱平衡狀態下的pn結
3.1.1 突變結
3.1.2 緩變結
3.2 pn結的IV特性
3.3 pn結的阻斷特性和擊穿
3.3.1 阻斷電流
3.3.2 雪崩倍增和擊穿電壓
3.3.3 寬禁帶半導體的阻斷能力
3.4 發射區的注入效率
3.5 pn結的電容
參考文獻

第4章 功率器件工藝的簡介
4.1 晶體生長
4.2 通過中子嬗變來調整晶片的摻雜
4.3 外延生長
4.4 擴散
4.5 離子注入
4.6 氧化和掩蔽
4.7 邊緣終端
4.7.1 斜麵終端結構
4.7.2 平麵結終端結構
4.7.3 雙嚮阻斷器件的結終端
4.8 鈍化
4.9 復閤中心
4.9.1 用金和鉑作為復閤中心
4.9.2 輻射引入的復閤中心
4.9.3 Pt和Pd的輻射增強擴散
參考文獻
功率半導體器件——原理、特性和可靠性目錄

第5章 pin二極管
5.1 pin二極管的結構
5.2 pin二極管的IV特性
5.3 pin二極管的設計和阻斷電壓
5.4 正嚮導通特性
5.4.1 載流子的分布
5.4.2 結電壓
5.4.3 中間區域兩端之間的電壓降
5.4.4 在霍爾近似中的電壓降
5.4.5 發射極復閤、有效載流子壽命和正嚮特性
5.4.6 正嚮特性和溫度的關係
5.5 儲存電荷和正嚮電壓之間的關係
5.6 功率二極管的開通特性
5.7 功率二極管的反嚮恢復
5.7.1 定義
5.7.2 與反嚮恢復有關的功率損耗
5.7.3 反嚮恢復：二極管中電荷的動態
5.7.4 具有佳反嚮恢復特性的快速二極管
5.8 展望
參考文獻

第6章 肖特基二極管
6.1 金屬半導體結的原理
6.2 肖特基結的IV特性
6.3 肖特基二極管的結構
6.4 單極型器件的歐姆電壓降
6.5 SiC肖特基二極管
參考文獻

第7章 雙極型晶體管
7.1 雙極型晶體管的工作原理
7.2 功率雙極型晶體管的結構
7.3 功率晶體管的IV特性
7.4 雙極型晶體管的阻斷特性
7.5 雙極型晶體管的電流增益
7.6 基區展寬、電場再分布和二次擊穿
7.7 矽雙極型晶體管的局限性
7.8 SiC雙極型晶體管
參考文獻

第8章 晶閘管
8.1 結構與功能模型
8.2 晶閘管的IV特性
8.3 晶閘管的阻斷特性
8.4 發射極短路點的作用
8.5 晶閘管的觸發方式
8.6 觸發前沿擴展
8.7 隨動觸發與放大門極
8.8 晶閘管關斷和恢復時間
8.9 雙嚮晶閘管
8.10 門極關斷（GTO）晶閘管
8.11 門極換流晶閘管（GCT）
參考文獻

第9章 MOS晶體管
9.1 MOSFET的基本工作原理
9.2 功率MOSFET的結構
9.3 MOS晶體管的IV特性
9.4 MOSFET溝道的特性
9.5 歐姆區域
9.6 現代MOSFET的補償結構
9.7 MOSFET的開關特性
9.8 MOSFET的開關損耗
9.9 MOSFET的安全工作區
9.10 MOSFET的反並聯二極管
9.11 SiC場效應器件
9.12 展望
參考文獻

0章 IGBT
10.1 功能模式
10.2 IGBT的IV特性
10.3 IGBT的開關特性
10.4 基本類型：PTIGBT和NPTIGBT
10.5 IGBT中的等離子體分布
10.6 提高載流子濃度的現代IGBT
10.6.1 高n發射極注入比的等離子增強
10.6.2 無閂鎖元胞幾何圖形
10.6.3 '空穴勢壘'效應
10.6.4 集電的緩衝層
10.7 具有雙嚮阻斷能力的IGBT
10.8 逆導型IGBT
10.9 展望
參考文獻

1章 功率器件的封裝和可靠性
11.1 封裝技術麵臨的挑戰
11.2 封裝類型
11.2.1 餅形封裝
11.2.2 TO係列及其派生
11.2.3 模塊
11.3 材料的物理特性
11.4 熱仿真和熱等效電路
11.4.1 熱力學參數和電參數之間的轉換
11.4.2 一維等效網絡
11.4.3 三維熱網絡
11.4.4 瞬態熱阻
11.5 功率模塊內的寄生電學元件
11.5.1 寄生電阻
11.5.2 寄生電感
11.5.3 寄生電容
11.6 可靠性
11.6.1 提高可靠性的要求
11.6.2 高溫反嚮偏置試驗
11.6.3 高溫柵極應力試驗
11.6.4 溫度濕度偏置試驗
11.6.5 高溫和低溫存儲試驗
11.6.6 溫度循環和溫度衝擊試驗
11.6.7 功率循環試驗
11.6.8 其他的可靠性試驗
11.6.9 提高可靠性的策略
11.7 未來的挑戰
參考文獻

2章 功率器件的損壞機理
12.1 熱擊穿——溫度過高引起的失效
12.2 浪湧電流
12.3 過電壓——電壓高於阻斷能力
12.4 動態雪崩
12.4.1 雙極型器件中的動態雪崩
12.4.2 快速二極管中的動態雪崩
12.4.3 具有高動態雪崩能力的二極管結構
12.4.4 動態雪崩：進一步的任務
12.5 超過GTO的大關斷電流
12.6 IGBT的短路和過電流
12.6.1 短路類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
12.6.2 短路的熱、電應力
12.6.3 過電流的關斷和動態雪崩
12.7 宇宙射綫造成的失效
12.8 失效分析
參考文獻

3章 功率器件的感應振蕩和電磁乾擾
13.1 電磁乾擾的頻率範圍
13.2 LC振蕩
13.2.1 並聯IGBT的關斷振蕩
13.2.2 階躍二極管的關斷振蕩
13.3 渡越時間振蕩
13.3.1 等離子體抽取渡越時間（PETT）振蕩
13.3.2 動態碰撞電離渡越時間（IMPATT）振蕩
參考文獻

4章 電力電子係統
14.1 定義和基本特徵
14.2 單片集成係統——功率IC
14.3 印刷電路闆上的係統集成
14.4 混閤集成
參考文獻

附錄A Si與4HSiC中載流子遷移率的建模參數
附錄B 雪崩倍增因子與有效電離率
附錄C 封裝技術中重要材料的熱參數
附錄D 封裝技術中重要材料的電參數
附錄E 常用符號

作者介紹

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文摘

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序言

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《功率半導體器件：原理、特性與可靠性》是一部深度剖析功率半導體器件核心知識體係的專業著作。本書旨在為讀者提供全麵、係統且深入的理解，涵蓋瞭從基本原理到實際應用，再到器件可靠性保障的各個關鍵環節。內容嚴謹，邏輯清晰，語言專業，旨在成為從事功率半導體器件設計、研發、應用、教學以及相關領域科研工作的工程師、研究人員和學生的寶貴參考。 第一部分：功率半導體器件的基礎原理 本部分是理解後續所有內容的基礎，它將帶領讀者穿越功率半導體器件的微觀世界，揭示其工作的根本機製。 半導體物理基礎： 首先，本書會迴顧並深入講解構成所有半導體器件的基石——半導體材料的物理特性。這包括晶體結構、能帶理論、載流子（電子和空穴）的産生、輸運機製（漂移和擴散）、摻雜以及 PN 結的形成與特性。對於這些基礎概念的深入理解，是掌握功率器件工作原理的前提。特彆會強調不同摻雜濃度、不同溫度對載流子濃度的影響，以及本徵半導體和雜質半導體的區分。 PN 結的特性與模型： PN 結是所有二極管和晶體管的基礎結構。本書將詳細分析 PN 結在外加電壓下的行為，包括正嚮導通、反嚮截止和擊穿現象。會介紹不同的 PN 結模型，例如理想 PN 結模型、簡並 PN 結模型，以及在功率器件中更為重要的漂移區概念。會深入討論 PN 結結電容、結電導等寄生參數，以及它們對器件動態性能的影響。 功率器件特有的物理現象： 與信號級器件不同，功率器件工作在高電壓、大電流下，因此會涉及一些特有的物理現象。本書會重點講解載流子注入、收集、少數載流子存儲效應、以及這些效應如何影響功率器件的開關速度和導通損耗。例如，在雙極型器件（如 IGBT）中，少數載流子的注入對器件的導通壓降起著至關重要的作用。對於 MOSFET，則會深入探討溝道形成、載流子輸運、柵極電容以及閾值電壓的物理機製。 第二部分：主流功率半導體器件的原理與特性 本部分是本書的核心內容，將係統介紹當前廣泛應用以及未來發展前景廣闊的各類功率半導體器件，並深入剖析它們的內部結構、工作原理、性能特點和優缺點。 功率二極管： PN 結二極管： 從最基礎的 PN 結二極管齣發，講解其在高電壓、大電流下的行為，重點關注其反嚮恢復特性（trr），以及由此産生的損耗。 肖特基二極管（SBD）： 介紹金屬-半導體接觸形成的肖特基結，以及其相比於 PN 結二極管在低正嚮壓降和快速反嚮恢復方麵的優勢，並討論其在高功率下的應用限製。 快恢復二極管（FRD）與超快恢復二極管（UFRD）： 講解如何通過摻雜工藝或引入特定材料來優化 PN 結二極管的反嚮恢復特性，以滿足高速開關應用的需求。 IGBT 驅動二極管： 介紹與 IGBT 集成的續流二極管，分析其參數對 IGBT 模塊整體性能的影響。 功率三極管： 雙極型功率晶體管（BJT）： 盡管在許多應用中被 MOSFET 和 IGBT 取代，但 BJT 在某些特定場景下仍有優勢。本書會詳細講解其工作原理，包括發射區、基區、集電區以及電流放大係數（β），並分析其在高電壓下的擊穿機製。 功率 MOSFET： 作為目前最主流的功率開關器件，本書將用大量篇幅介紹功率 MOSFET。從 Vertical Double-Diffused MOSFET (VDMOS) 的結構齣發，詳細分析其溝道導通、飽和、截止過程。深入探討體二極管特性、柵極驅動要求、導通電阻（RDS(on)）的構成（包括體電阻、溝道電阻、漂移區電阻等）以及溫度依賴性。會介紹不同類型的 MOSFET，如 LDMOS、DMOS 等，並分析它們的特點。 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）： 重點講解 IGBT 的核心工作原理，即其結閤瞭 MOSFET 的柵極驅動便捷性和 BJT 的低導通壓降的優勢。詳細分析其 P 溝道 MOSFET 輸入結構、NPN 晶體管輸齣結構，以及襯底的影響。深入研究其導通特性、關斷特性、以及短路能力。會介紹不同類型的 IGBT，如 Planar IGBT、Trench IGBT、FS IGBT、NPC IGBT 等，並分析它們的性能差異和適用場景。 其他功率器件： 可關斷晶閘管（GTO）： 介紹 GTO 的原理和特點，特彆是其關斷能力，以及在傳統大功率電力電子係統中的應用。 電力 MOSFET (Power MOSFET)： 再次強調 MOSFET 在各個功率等級的廣泛應用，細緻解析其在 DC-DC 轉換器、AC-DC 轉換器、逆變器等典型電路中的工作模式。 SiC 和 GaN 器件： 展望未來，本書將詳細介紹寬禁帶半導體材料（如碳化矽 SiC 和氮化鎵 GaN）功率器件的原理、特性和優勢。分析 SiC MOSFET、SiC 肖特基二極管、GaN HEMT 等器件相比於矽基器件在耐高壓、高頻率、高溫度和低損耗方麵的突破性進展，以及它們的典型應用領域，如電動汽車、新能源發電、高速通信等。 第三部分：功率半導體器件的可靠性 任何電子器件的實際應用都離不開可靠性保障。本部分將深入探討影響功率半導體器件可靠性的各種因素，並介紹相應的分析和設計方法。 器件的失效模式與機理： 電應力失效： 詳細分析過電壓、過電流、雪崩擊穿、熱擊穿等引起的失效機理。 熱應力失效： 講解溫度循環、焊接引起的應力、散熱不良導緻的過熱等對器件壽命的影響。 機械應力失效： 分析封裝、引綫鍵閤、基闆應力等引起的機械疲勞和斷裂。 環境因素失效： 探討濕度、腐蝕性氣體、輻射等對器件性能和壽命的影響。 製造工藝缺陷： 分析掩膜錯誤、摻雜不均勻、錶麵缺陷等內在製造問題導緻的失效。 可靠性評估與測試： 加速壽命測試（ALT）： 介紹各種加速應力（如高溫、高濕、高電壓、高電流）的設置和數據分析方法，例如威布爾分布、阿倫尼烏斯模型等。 環境應力篩選（ESS）： 講解通過模擬實際工作環境來發現潛在缺陷的測試方法。 電遷移（Electromigration）： 深入分析在高電流密度下金屬導綫發生的遷移現象，以及它對器件可靠性的影響。 擊穿電壓（BV）和柵極漏電流（Igss）的穩定性： 關注這些關鍵參數的長期穩定性測試。 提高器件可靠性的設計與製造策略： 器件結構優化： 介紹如何通過改進器件設計，如增加漂移區長度、優化柵氧化層、采用場限環（FLR）或終端保護結構來提高耐壓能力和抑製漏電。 封裝技術： 討論不同封裝類型（如 TO-247, TO-220, SOT-223, QFN, DFN 等）的散熱性能、機械強度、電氣隔離等對可靠性的影響。 熱管理： 強調良好的散熱設計在維持器件穩定工作、防止過熱失效中的關鍵作用。 材料選擇與工藝控製： 分析高質量半導體材料、金屬互連材料、以及嚴格的製造工藝控製對可靠性的保障。 晶圓級可靠性（WLR）： 介紹在晶圓製造過程中進行的可靠性評估和控製。 失效分析（FA）： 失效模式識彆： 介紹常用的失效分析手段，如光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）、X 射綫成像、聲學成像等，以定位和識彆失效點。 失效機理分析： 通過對失效點的深入分析，還原器件失效發生的根本原因。 第四部分：功率半導體器件的應用與發展趨勢 在深入理解瞭器件的原理、特性和可靠性之後，本書將引導讀者將知識應用於實際，並展望未來的發展方嚮。 典型應用電路分析： AC-DC 轉換器： 介紹功率因數校正（PFC）電路、整流橋等。 DC-DC 轉換器： 如 Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、SEPIC 等拓撲的器件選擇和驅動設計。 DC-AC 逆變器： 單相、三相逆變器的功率器件選擇、控製策略和損耗分析。 電機驅動： 分析在電動汽車、工業驅動等領域的應用。 新能源發電： 如光伏逆變器、風力發電變流器中的功率器件應用。 驅動與保護電路： MOSFET/IGBT 柵極驅動： 詳細介紹驅動電路的設計要點，包括驅動電壓、驅動電流、死區時間控製、高低邊驅動隔離等。 過電流保護、過電壓保護、短路保護： 分析各種保護機製的原理和實現方式。 未來發展趨勢： 寬禁帶半導體（SiC, GaN）的進一步推廣： 探討其在更高功率、更高頻率、更高溫度應用中的潛力。 集成技術： 如功率模塊（Power Module）的集成化、智能化發展。 先進封裝技術： 如 3D 封裝、SiP（System in Package）等。 新型功率器件： 如全集成碳化矽（AI-SiC）、超級結（Super Junction）MOSFET 的進一步發展。 人工智能在器件設計與可靠性預測中的應用。 本書內容全麵，覆蓋瞭功率半導體器件領域的關鍵知識點，從基礎理論到前沿技術，從器件本身到係統應用，均有深入的探討。通過對本書的學習，讀者將能建立起對功率半導體器件的係統認知，並能將其應用於實際設計和研發工作中。

評分☆☆☆☆☆

我是一名正在攻讀電力電子方嚮研究生的學生，這本書為我的學術研究提供瞭極大的幫助。在撰寫論文的過程中，我常常需要查閱相關的理論知識和技術進展，而本書無疑是我的“寶藏”。書中對最新一代功率半導體器件（如SiC和GaN器件）的特性和應用前景的探討，為我指明瞭研究方嚮。作者對這些新材料器件在耐高壓、耐高溫、低損耗等方麵的優勢進行瞭詳盡的分析，並結閤實際應用案例，展現瞭其巨大的發展潛力。此外，書中對器件可靠性問題的深入研究，也為我解決科研過程中遇到的難題提供瞭思路。例如，如何評估新材料器件的長期可靠性，如何設計相應的測試方法，這些都是我亟待解決的問題。這本書的價值，在於它不僅提供瞭紮實的理論基礎，更引領著前沿的研究方嚮，為我未來的學術探索奠定瞭堅實的基礎，讓我能夠站在巨人的肩膀上，繼續攀登科學的高峰。

評分☆☆☆☆☆

不得不說，這本書的實用性超乎我的想象。作為一名在電力電子行業摸爬滾打多年的工程師，我深知理論知識與實際應用之間的鴻溝。然而，當我深入研讀這本書時，我驚喜地發現，書中提齣的每一個理論，都與我日常工作中遇到的問題息息相關。例如，在設計高頻開關電源時，對器件損耗的精確計算至關重要，而本書對不同器件損耗機製的深入分析，為我提供瞭寶貴的指導。書中對各種器件的開關特性、導通損耗、關斷損耗的詳細論述，讓我能夠更精準地選擇閤適的器件，優化電路設計，提高整體效率。此外，關於器件的可靠性分析，更是直擊要害。在實際應用中，器件的失效往往導緻嚴重的後果，而本書對過壓、過流、過溫等失效機理的詳盡闡述，以及相應的防護措施，為我規避潛在風險提供瞭堅實的理論基礎。這本書，不僅僅是知識的傳播，更是經驗的總結，智慧的結晶，它讓我能夠更好地理解和駕馭功率半導體器件，從而在工作中遊刃有餘。

評分☆☆☆☆☆

初遇此書，便被其厚重所吸引，封麵上“功率半導體器件”幾個字，承載著我對這個領域的好奇與探索。翻開書頁，密密麻麻的公式和圖錶撲麵而來，瞬間點燃瞭我內心深處的求知欲。這不僅僅是一本技術書籍，更像是一扇通往微觀世界的大門，讓我得以窺探那些塑造我們現代生活的關鍵電子元件的奧秘。從基礎的PN結原理，到復雜的MOSFET和IGBT的特性，再到實際應用中的可靠性考量，本書的編排脈絡清晰，邏輯嚴謹，仿佛一位經驗豐富的老師，循循善誘地引導著我一步步深入。那些看似晦澀難懂的物理概念，在作者的闡述下，變得生動形象，易於理解。每一次的閱讀，都是一次智力的挑戰，更是一次心靈的洗禮。我沉浸其中，忘記瞭時間的流逝，隻覺思維在知識的海洋中遨遊，與那些閃耀著智慧光芒的半導體器件進行著無聲的對話。這本書，是我在功率半導體領域探索之旅的起點，也是我堅定前行的方嚮。

評分☆☆☆☆☆

對於初學者來說，這本書或許會顯得有些“硬核”，但正是這種“硬核”，纔彰顯瞭其作為一本權威參考書的價值。我曾嘗試閱讀過一些介紹功率半導體器件的入門書籍，但總覺得過於淺顯，無法滿足我深入探究的願望。直到我接觸到這本書，纔找到瞭“對的”感覺。作者並沒有迴避那些復雜的物理概念和數學推導，而是以清晰的邏輯和詳實的論證，將它們一一呈現。雖然有些地方需要反復閱讀和思考，但我相信，這種紮實的學習過程，能夠讓我真正掌握功率半導體器件的核心技術。書中對不同器件的優缺點、適用場景的對比分析，以及在各種復雜工況下的性能錶現，都為我提供瞭寶貴的決策依據。它教會我如何不僅僅是“知道”這些器件，更是如何“理解”它們，如何“選擇”它們，以及如何“應用”它們。這本書，就像一位嚴謹的導師，不吝嗇地分享著它的知識，隻期待著學習者能夠真正領悟其中的精髓，並將其轉化為創造力。

評分☆☆☆☆☆

坦白講，在閱讀這本書之前，我對功率半導體器件的認識僅停留在“能用就行”的層麵。但隨著閱讀的深入，我開始意識到，這背後蘊含著多麼精妙的設計和復雜的物理原理。本書以嚴謹的學術態度，剖析瞭各種功率半導體器件（如二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等）的內部結構、工作機製以及關鍵的電學和熱學特性。作者不僅詳細介紹瞭理論模型，還結閤瞭大量的實驗數據和仿真結果，使得抽象的概念變得具體可感。我尤其對書中關於器件可靠性方麵的論述印象深刻。從器件的老化機理到失效模式的分析，再到如何通過設計和製造工藝來提高器件的長期穩定性，這些內容對於確保電力電子係統的穩定運行至關重要。這本書讓我看到瞭一個從材料選擇、芯片設計、封裝工藝到最終應用的全鏈條式技術體係。它不僅僅是一本教科書，更是一本“百科全書”，為我打開瞭認識功率半導體器件的全新視角，讓我對其有瞭更深層次的理解和敬畏。