IGBT理论与设计 mobi 下载 网盘 caj lrf pdf txt 阿里云

本书首先对不同类型的IGBT工作原理进行了介绍，然后从IGBT的结构出发，给出了IGBT中MOS结构和双极型结构的工作原理，接下来详细说明了它们如何影响IGBT的正向传导特性，详细研究了IGBT模型，包括静态、动态和电热行为，讨论了IGBT中的闩锁效应，以及预防闩锁的详细处理方法。借助计算机辅助设计工具深入研究了IGBT单元的设计技术，从结构、掺杂分布、沟道长度、跨导和正向压降、导通和开关损耗、单元布图和间距，以及缓冲层优化，直至场环和场板终端设计。本书还介绍了***功率IGBT的工艺技术，对功率IGBT模块和相关的技术进行了讨论。对新的IGBT技术也进行了介绍。本书*后介绍了IGBT在电动机驱动，汽车点火控制、电源、焊接、感应加热等领域中的应用情况。本书涵盖内容广泛，讲述由浅入深。在各章中提供了大量实例以及附加问题，更加适合课堂教学，同时，每章后给出的参考文献将为研究人员提供关于IGBT一些有用的指导。

本书既可以满足电力电子技术和微电子技术***率器件相关课程的学生需求，也可以满足专业工程师和技术人员进行IGBT研究的需求。

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***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MO***ET结构70

313MO***ET-双极型晶体管比较73

32MOS结构分析和阈值电压74

33MO***ET的电流-电压特性、跨导和漏极电阻82

34DMO***ET和UMO***ET的导通电阻模型84

341DMO***ET模型84

342UMO***ET模型86

35MO***ET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8MO***ET的热行为93

39DMO***ET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- DMO***ET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-DMO***ET模型扩展的IGBT双极型晶体管-DMO***ET模型164

521正向传导特性164

522IGBT中MO***ET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-DMO***ET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

Vinod Kumar Khanna于1952年出生在印度Lucknow。他目前是印度Pilani中央电子工程研究所固态器件部门的科学家。1988年在Kurukshetra大学获得了物理学博士学位。在过去的几十年里，他在功率半导体器件、工艺设计和器件***方面做了大量的研究工作。他的研究工作主要集中在高压大电流整流器、高压电视偏转晶体管、达林顿功率晶体管、逆变级晶闸管，以及功率DMO***ET和IGBT。

Khanna博士在国际期刊和会议上发表了30多篇研究论文，并撰写了两本专著。他于1986年在科罗拉多州丹佛市的IEEE-IAS年会上发表了论文，并于1999年担任德国Darmstadt技术大学客座科学家。他是印度IETE的会士以及半导体协会和印度物理协会的终身会员。

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编辑推荐

本书是IGBT方面的经典著作，由执笔，作为功率器件教材，内容涵盖IGBT基本原理、设计方法、工艺技术、模块相关、技术趋势、应用情况，是一本全面、深入的实用指南

前言

前 言

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）代表了商用产品中 为先进的一种新型功率半导体器件，该器件具有MOS栅控的高输入阻抗与双极型电流传导的低正向压降。它减小和降低了控制电路的尺寸和复杂性，从而大大降低了系统成本。如今，它在不间断电源、工业电动机驱动器、家用和汽车电子等***率和中频领域有着广泛的应用。近年来，作为一种功率调节器件，没有哪个单一器件能够像IGBT一样彻底改变功率器件的情况，在家用、消费和工业领域对普通人的生活产生影响。

尽管这种器件自从它的概念形成以来就越来越受到人们的关注，但目前还没有一本书完全致力于IGBT的物理和技术，缺乏对半导体器件的物理和技术的全面论述。现有书籍涉及半导体器件物理学、功率半导体器件、晶闸管物理学、场效应和双极型晶体管物理学、MOS物理学和相关器件技术。在工业和消费电子中IGBT的广泛应用，使得有必要出版一本全面论述该主题的新书，对IGBT的巨大兴趣促使作者执笔撰写本书。

正如书名所表明的那样，本书主要关注IGBT。然而，不言而喻，IGBT代表了PIN二极管、双极型晶体管、双极型晶闸管和功率DMO***ET特性的有趣组合。所以本书不仅给读者提供了IGBT的相关内容，而且也使读者理解上述各器件结构如何协同工作而产生IGBT特性。因此本书的扩展性主题涵盖了MOS和双极方面的有用资料，大大提高了本书的实用性。本书详细说明了IGBT的正向传导特性是受PIN二极管的电导率调制以及MO***ET沟道长度控制的。 IGBT的闩锁由双极型晶体管的电流增益和再生晶闸管行为控制。较小的沟道长度得到较低正向压降器件，但容易受到内部寄生双极型晶闸管的闩锁影响；控制IGBT的正向阻断能力需要仔细关注平面浮动场环的终端设计；反向阻断电压由芯片切割过程中的倒角决定。同样，IGBT的关断时间由载流子寿命决定，也就是PIN二极管的反向恢复波形。所以，如果从更广的角度来看，学习IGBT需要对这些组成器件有很深入的了解。因此，虽然本书关注的是一个单个器件，但其余器件会自动成为整体的一部分。MOS-双极型组合器件的时代已经来临，本书旨在向读者介绍这种新的混合技术。

本书是按教材的格式编写的，以满足电力电子工程和微电子工程***率器件课程的需求。本书的目标受众还包括工程师和科学家。今天的学生是明天的专业人士，本书精心组合了为学生设计的教程和为从业者提供的专业设计。通过在章节中提供的大量实例，以及在每章末尾附加的练习题，希望通过适当选择课程材料，使本书更加适合课堂教学。每章结尾部分的参考文献将为研究人员提供一个关于IGBT的实用指南。因此，本书可以满足广泛的读者群体，包括学生、专业人士和研究人员的需求。

本书对IGBT提供了一个全面、深入和先进的讨论，涵盖了广泛的主题。第1章介绍功率半导体器件的状况，MOS-双极型组合器件的需求以及IGBT的诞生；以简单的方式描述IGBT的工作原理；介绍了IGBT等效电路，并讨论了SPICE模型；还简要介绍了IGBT的封装和操作注意事项、栅极驱动电路和保护技术。

第2章总结了IGBT的基本类型、工作特点、性能特征、局限性、规格和应用；讨论了横向和垂直IGBT结构；对非穿通和穿通类型的IGBT进行了解释，描述了它们掺杂分布和工作的差异；对IGBT的不同工作模式，例如正向传导和阻断模式进行了讨论；对带电阻和电感负载的IGBT导通和关断进行了分析；概述了软开关概念；指出了温度和核辐射对IGBT特性的影响；讨论了沟槽栅极和自钳位IGBT的工作原理。

第3章介绍了MOS结构的基本原理，包括热平衡能带图、平带电压、阈值电压、电容效应、功率DMO***ET结构、导通电阻元件、安全工作区、辐射和热效应对器件特性的影响、DMO***ET几何拓扑结构等，这些对于理解IGBT工作的物理原理是非常重要的。

第4章介绍了双极型器件的理论，如PN结二极管、PIN整流器、双极结型晶体管、晶闸管和结型场效应晶体管。通过本章的阅读，读者将能够理解双极型器件工作的基本原理。

从第5章开始，开始研究IGBT模型，包括静态、动态和电热行为；讨论了IGBT的PIN整流器-DMO***ET和双极型晶体管-DMO***ET模型，以及导通态载流子分布、二维效应、器件-电路相互作用建模、IGBT电路瞬态分析等模型。

由于闩锁是IGBT的一个严重问题，所以第6章详细讨论了这个问题，概述闩锁的形成原因并给出了IGBT结构的防闩锁技术；对静态和动态闩锁进行了解释，然后给出了预防闩锁的详细处理方法。

由于IGBT是由数百万个基本单元构成的，因此第7章使用计算机辅助设计工具深入研究了IGBT单元的设计技术。讨论从半导体的选择和垂直结构设计开始；接着是发射区和基区的掺杂分布和沟道长度，跨导和正向压降，导通和开关损耗之间的折中，单元布图设计和单元间距；然后对N型缓冲层进行结构优化； 后是场环和场板终端设计，以及其他使得表面电场 小化和击穿电压增强的结边缘终端技术。

第8章介绍了***功率IGBT的工艺技术；讨论了实现IGBT的各个工艺步骤，主要步骤包括起始的硅片制备、外延生长、多晶硅淀积、栅氧形成、扩散和离子注入、掩膜制作和光刻、干法刻蚀和等离子体工艺、槽刻蚀、金属化、封装，以及电子辐照对寿命的影响，并对工艺模拟进行了回顾。

第9章讨论了功率IGBT模块和相关的技术；关于逻辑电路和功率器件集成的讨论之后是隔离技术的总结；介绍了模块中不同类型的保护措施和其他附件；对扁平封装模块和模块的材料技术也进行了研究。

第10 章对未来IGBT技术进行了回顾以及展望，调研了新的设计理念和IGBT结构并对这个迅速发展的领域的未来趋势进行了预测；考虑的结构包括非自对准槽IGBT、动态N型缓冲IGBT、具有反向阻断能力和抗高温闩锁的横向IGBT、具有高闩锁电流能力的自对准侧壁注入N+发射极的横向IGBT、具有更大FBSOA区域的LIGBT、具有集成电流传感器的横向IGBT、介质隔离的快速LIGBT、在薄SOI衬底上的横向IGBT、衬底中的横向IGBT、横向沟槽栅极双极型晶体管、槽平面IGBT、相同基区技术中的簇IGBT、双栅极注入增强型栅极晶体管等。

后，第11章介绍了IGBT在电动机驱动器、汽车点火控制、电源、焊接、感应加热等领域中的应用情况；对不同类型的转换器，如DC-DC转换器、DC-AC转换器和AC-DC转换器进行了数学分析；对软开关转换器也进行了讨论，同时讨论了SABER和SPICE电路模型和设计方法。

作者殷切希望本书的上述内容对于该领域的高年级本科生/研究生和研究人员有所帮助。本书可作为关于这个主题的教科书和参考书。如果本书能有助于解决读者的问题，那将是作者的努力所得到的 好回报。

虽然作者已尽 的努力来确保表述内容的准确性，但并不一定能确保没有任何错误，诚挚地欢迎读者提出意见和建议。原 书 致 谢

我由衷地感谢系主任、资深科学家和我在CEERI，Pilani的同事们对我的努力的鼓励。我还要感谢小组组长和前功率器件小组的成员，在我们多年的合作中，我与他们分享了许多对功率器件物理层面和技术层面的见解。我很感激Darmstadt技术大学的Arnold Kostka教授和BMaj先生指导我进入仿真领域。

很荣幸有机会和编辑Christina Kuhnen女士合作，我感谢她对我写书过程中出现的问题做出迅速的处理和回复，否则本书就不可能按时出版。我感谢审稿人提出的建设性批评意见，他们还指出许多错误和遗漏，从而使本书的形式和内容得以进一步完善。

任何一本新书都要归功于它的先驱者以及研究论文、报告和评论文章。我很感激这些文献的作者们，他们中的许多人在每章末尾的参考文献中都有列出。感兴趣的读者可阅读参考文献中所引用的优秀文献，以获得对相关专业主题内容的深入了解。

感谢PKKhanna博士和Vijay Khanna先生精神上的支持。

后，我感谢我的女儿和妻子，感谢她们的爱、耐心和理解，感谢她们在这历时两年多的写作过程中，容忍我长时间的写作工作。衷心感谢以上所有人，也感谢那些在这项工作中直接或间接帮助过我的人，以及那些我可能忘记提及的人。