IGBT理论与设计(精)

译者序

原书前言

原书致谢

作者简介

第1章功率器件的演变和IGBT的出现1

11背景介绍1

12IGBT3

13IGBT的优缺点5

14IGBT的结构和制造8

15等效电路的表示9

16工作原理及电荷控制现象10

17电路建模11

18IGBT的封装选择15

19IGBT的操作注意事项15

110IGBT栅极驱动电路15

111IGBT的保护17

112小结18

练习题19

参考文献20

第2章IGBT基础和工作状态回顾24

21器件结构24

211横向IGBT和垂直IGBT24

212非穿通 IGBT和穿通 IGBT26

213互补器件31

22器件工作模式32

221反向阻断模式32

222正向阻断和传导模式33

23IGBT的静态特性35

231电流-电压特性35

232IGBT的转移特性37

24IGBT的开关行为37

241IGBT开启37

242具有电阻负载的IGBT开启38

243具有电感负载的IGBT开启40

244IGBT关断43

245带有电阻负载的IGBT关断45

246带有电感负载的IGBT关断47

247关断时间对集电极电压和电流的依赖性48

248NPT-IGBT和PT-IGBT的软开关性能49

249并联的考虑51

25安全工作区域52

251栅极电压振荡引起的不稳定性54

252可靠性测试54

26高温工作56

27辐射效应57

28沟槽栅极IGBT和注入增强型IGBT58

29自钳位 IGBT60

210IGBT的额定值和应用61

211小结64

练习题64

参考文献66

第3章IGBT中的MOS结构70

31一般考虑70

311MOS基本理论70

312功率MOSFET结构70

313MOSFET-双极型晶体管比较73

32MOS结构分析和阈值电压74

33MOSFET的电流-电压特性、跨导和漏极电阻82

34DMOSFET和UMOSFET的导通电阻模型84

341DMOSFET模型84

342UMOSFET模型86

35MOSFET等效电路和开关时间89

36安全工作区域91

37中子和伽马射线损伤效应92

38MOSFET的热行为93

39DMOSFET单元窗口和拓扑设计94

310小结95

练习题95

参考文献96

附录31式（32a）和式（32b）的推导97

附录32式（37）的推导98

附录33推导在强反型转变点的半导体体电势ψB和表面电荷Qs的公式100

附录34式（333）~式（336）的推导 101

附录35式（339）的推导103

附录36式（349）的推导104

第4章IGBT中的双极型结构106

41PN结二极管106

411内建电势0107

412耗尽层宽度xd和电容Cj111

413击穿电压VB112

414电流-电压(id-va)方程115

415反向恢复特性117

42PIN整流器118

43双极结型晶体管123

431静态特性和电流增益123

432功率晶体管开关126

433晶体管开关时间127

434安全工作区128

44晶闸管129

441晶闸管的工作状态129

442晶闸管的di/dt性能和反向栅极电流脉冲导致的关断失效131

443晶闸管的dv/dt额定值132

444晶闸管开启和关断时间133

45结型场效应晶体管134

46小结135

练习题135

参考文献136

附录41漂移和扩散电流密度137

附录42爱因斯坦方程139

附录43连续性方程及其解139

附录44连续性方程式（441）的解142

附录45式（450）的推导143

附录46电流密度式（455）和式（456）的推导147

附录47晶体管的端电流［式（457）和式（458）］150

附录48共基极电流增益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导通状态下IGBT漂移区的载流子分布158

513IGBT的正向压降 160

514导通状态下载流子分布的二维模型161

52通过PIN整流器-DMOSFET模型扩展的IGBT双极型晶体管-DMOSFET模型164

521正向传导特性164

522IGBT中MOSFET的正向压降168

523IGBT的有限集电极输出电阻169

53包含器件-电路相互作用的IGBT的双极型晶体管-DMOSFET模型171

531稳态正向传导状态171

532IGBT的动态模型及其开关行为174

533IGBT关断瞬态的状态方程176

534电感负载关断期间dV/dt的简化模型179

535IGBT的动态电热模型183

536电路分析模型参数的提取190

54小结190

练习题190

参考文献192

附录51式（58）的解194

附录52式（533）和式（534）的推导195

参考文献196

附录53式（535）的推导196

附录54式（538）的推导［式（535）的解］197

附录55式（540）~式（542）的推导198

附录56式（544）的推导199

附录57式（581）的推导和1-D线性元件等效导电网络的构建203

参考文献206

第6章IGBT中寄生晶闸管的闩锁207

61引言207

62静态闩锁209

63动态闩锁211

631具有电阻负载的对称IGBT的闩锁211

632具有电阻负载的非对称IGBT的闩锁214

633具有电感负载的对称IGBT的闩锁215

64闩锁的预防措施216

65沟槽栅极IGBT的闩锁电流密度231

66小结 232

练习题232

参考文献234

附录61式(615)的推导235

附录62式(620)的推导236

第7章IGBT单元的设计考虑238

71半导体材料选择和垂直结构设计238

711起始材料238

712击穿电压240

713击穿模型243

72基于分析计算和数值仿真的IGBT设计246

721设计方法和CAD仿真层次结构246

722设计软件248

723DESSIS-ISE中的物理模型248

724计算和仿真过程250

73N型缓冲层结构的优化258

74场环和场板终端设计260

741关键设计参数261

742场环的设计方法262

743带场限环PIN二极管击穿电压的数值仿真264

744环间距的迭代优化264

745通过使电场分布均匀化的准三维仿真来设计场环265

746表面电荷效应和场板附加结构265

75表面离子注入的终端结构267

76用于横向IGBT中击穿电压增强的减小的表面电场概念267

77小结269

练习题269

参考文献271

附录71倍增系数M272

附录72VBR方程273

附录73雪崩击穿电压VB274

参考文献275

附录74穿通电压VPT275

附录75BVCYL/BVPP公式275

参考文献278

第8章IGBT工艺设计与制造技术279

81工艺顺序定义279

811VDMOSFET IGBT制造279

812沟槽栅极IGBT制造286

82单工艺步骤291

821外延淀积291

822热氧化291

823热扩散周期293

824离子注入294

825光刻296

826多晶硅、氧化硅和氮化硅的化学气相淀积296

827反应等离子体刻蚀297

828金属化298

829电子辐照299

8210质子辐照300

8211He注入300

8212封装300

83工艺集成和仿真301

练习题306

参考文献307

附录81硅的热氧化309

参考文献311

附录82式(83)~式(85)的推导312

第9章功率IGBT模块316

91并联IGBT以及逻辑电路与功率器件的集成316

92功率模块技术319

921衬底和铜淀积319

922芯片安装322

923互连和封装322

93隔离技术323

931介质隔离323

932自隔离324

933PN结隔离325

94可集成的器件：双极型、CMOS、DMOS（BCD）和IGBT325

95功率IGBT驱动、温度感应和保护325

96IGBT模块封装中的寄生元件327

97扁平封装的IGBT模块328

98IGBT模块的理想特性和可靠性问题330

99模块的散热和冷却331

910大功率IGBT模块的材料要求332

911*新技术和趋势333

练习题335

参考文献336

第10章新型IGBT的设计理念、结构创新和新兴技术339

101在导通状态电压降和开关损耗之间的折中339

102在沟槽IGBT导通态载流子分布的并联和耦合PIN二极管-PNP型晶体管模型341

103性能优越的非自对准沟槽IGBT342

104动态N型缓冲IGBT344

105具有反向阻断能力的横向IGBT345

106抗高温闩锁的横向IGBT346

107具有高闩锁电流性能的自对准侧壁注入的N+发射极横向IGBT347

108更大FBSOA的LIGBT改进结构348

109集成电流传感器的横向IGBT348

1010介质隔离的快速LIGBT349

1011薄绝缘体上硅衬底上的横向IGBT350

1012改进闩锁特性的横向沟槽栅极双极型晶体管350

1013沟槽平面IGBT351

1014相同基区技术中的簇IGBT352

1015沟槽簇IGBT353

1016双栅极注入增强型栅极晶体管354

1017SiC IGBT356

1018小结和趋势357

练习题358

参考文献359

附录101集电结的电子电流360

附录102瞬态基区存储电荷Qbase(t)361

附录103存在可动载流子浓度时的耗尽宽度361

附录104调制的基区电阻Rb362

附录105由于IGBT中PIN二极管末端复合而导致的导通态压降363

附录106能量损耗364

附录107在TIGBT发射区端的N-基区的过剩载流子浓度Pw364

附录108IGBT的N-基区上的导通电压降368

第11章IGBT电路应用370

111DC-DC转换370

1111降压转换器370

1112升压转换器376

1113降压-升压转换器378

112DC-AC转换379

1121单相半桥逆变器379

1122单相全桥逆变器381

1123采用脉冲宽度调制的AC电压控制384

1124三相全桥逆变器386

113AC-DC转换387

114软开关转换器391

1141软开关DC-DC转换器391

1142软开关逆变器395

1143软开关的优点398

115IGBT电路仿真399

1151SPICE IGBT模型的参数提取过程399

1152基于物理的IGBT电路模型的参数提取400

1153IGBT的SABER建模401

116IGBT转换器的应用402

1161开关电源402

1162不间断电源404

1163DC电动机驱动406

1164AC电动机驱动406

1165汽车点火控制408

1166焊接409

1167感应加热410

117小结410

练习题411

参考文献413