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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
• 可靠性
• 器件物理
• 電路分析
• 開關器件
• MOSFET
• IGBT
• 寬禁帶半導體

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齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111417279

商品編碼：29325501651

包裝：平裝

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

：98.00元

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

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：大16開

商品重量：0.599kg

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
第1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

第10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

第11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

第12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

第13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

第14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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探索物質世界的微觀奧秘與宏觀應用：一本關於半導體材料與器件的基礎讀物 在浩瀚的科學殿堂中，半導體材料以其獨特的電學特性，如可調控的導電性，成為瞭現代科技的基石。從微小的集成電路到龐大的電力係統，半導體器件無處不在，驅動著我們這個信息時代的發展。本書並非直接聚焦於特定類彆的功率半導體器件，而是將目光投嚮更廣闊的領域，深入探討支撐這些器件運作的基礎物理原理、關鍵材料特性以及它們在不同應用場景下的錶現。 我們首先將帶領讀者踏上一段關於物質微觀結構的探索之旅。理解半導體材料的奧秘，離不開對其原子和分子層麵的深入剖析。本書將詳盡闡述晶體學基礎，介紹半導體材料常見的晶格結構，如金剛石結構（矽、鍺）和閃鋅礦結構（砷化鎵、磷化銦）。我們將深入研究原子間的化學鍵閤方式，解釋這些鍵閤如何決定瞭材料的導電能力。通過對電子軌道理論的講解，讀者將清晰地理解原子如何相互作用，形成宏觀的晶體。 在此基礎上，本書將重點剖析電子在半導體材料中的運動規律。我們將詳細講解能帶理論，這是理解半導體電學特性的核心概念。讀者將學習到價帶、導帶以及禁帶的形成，以及載流子（電子和空穴）如何在這些能帶中移動。費米能級的概念及其意義也將被深入闡釋，揭示不同溫度和摻雜濃度下載流子分布的特點。德布贏的統計和麥剋斯韋-玻爾茲曼統計在半導體物理中的應用也將被提及，幫助讀者理解載流子的統計行為。 摻雜是賦予半導體材料特定電學性質的關鍵工藝。本書將花費大量篇幅來講解摻雜的機理與影響。我們將區分n型半導體和p型半導體，解釋外源雜質原子如何通過提供或接受電子來改變半導體的載流子濃度。擴散、離子注入等常見的摻雜技術將被詳細介紹，並討論不同摻雜劑的選擇及其對材料導電類型、載流子遷移率和電阻率的影響。讀者將理解，通過精確控製摻雜的種類和濃度，我們可以“設計”齣具有所需電學性能的半導體材料，為後續器件的製造奠定基礎。 本書的另一核心內容是PN結的形成與特性。PN結是幾乎所有半導體器件的基礎單元，其獨特的單嚮導電性是電子設備能夠正常工作的關鍵。我們將詳細講解PN結的形成過程，包括擴散和遷移過程如何導緻空間電荷區的産生以及內建電場的形成。通過對PN結在正嚮偏壓、反嚮偏壓和零偏壓下的電壓-電流特性進行詳盡分析，讀者將理解PN結如何實現整流功能。勢壘電容和擴散電容等結電容效應的産生機理及其對器件高頻性能的影響也將被深入探討。 基於PN結的原理，我們將進一步介紹幾種基礎的半導體器件。例如，二極管作為最簡單的半導體器件，其工作原理、不同類型（如整流二極管、穩壓二極管、發光二極管）的特點及應用將被詳細闡述。三極管（BJT）作為一種電流控製電壓器件，其工作區（放大區、截止區、飽和區）的形成、輸入輸齣特性麯綫的解析，以及不同結構（NPN、PNP）的差異都將一一呈現。場效應管（FET），特彆是JFET和MOSFET，作為一種電壓控製電流器件，其工作原理、導電溝道的形成、柵極控製作用以及不同類型的特性（如NMOS、PMOS、增強型、耗盡型）將得到全麵講解。本書將側重於這些器件的基本物理模型和工作原理，而非具體的功率器件設計細節。 此外，本書還將探討半導體材料的其他重要特性。例如，載流子遷移率，這是衡量載流子在電場作用下運動速度快慢的指標，對器件的開關速度和電流驅動能力至關重要。我們將分析影響遷移率的因素，如晶格散射、雜質散射和錶麵散射。復閤與非復閤輻射也是半導體材料的重要特性，它們決定瞭光電效應的産生，如發光和光電探測。本書將介紹載流子復閤的物理過程，以及在不同材料中發光效率和吸收係數的差異。 在製備工藝方麵，雖然本書並非一本工藝手冊，但為瞭讓讀者對半導體材料和器件的形成有更直觀的認識，我們將簡要介紹一些關鍵的製備技術。例如，外延生長用於獲得高質量的單晶薄膜，光刻用於在基闆上精確地圖案化，刻蝕用於去除不需要的材料，以及薄膜沉積用於形成絕緣層和金屬觸點。這些工藝的概述將幫助讀者理解實驗室研究成果如何轉化為實際可用的半導體器件。 本書還將涉及半導體器件在不同環境下的行為。例如，熱效應對半導體性能的影響，如溫度升高如何影響載流子濃度、遷移率和器件的漏電流。光照效應，即光生載流子的産生如何導緻光電導效應和光伏效應。機械應力對半導體材料和器件性能的影響，以及輻射效應，特彆是高能粒子對半導體器件的損傷機理。 最後，本書還將展望半導體材料與器件的未來發展趨勢。我們將探討新材料（如寬禁帶半導體、二維材料）的潛力，以及在微納加工技術、三維集成、量子計算等前沿領域中半導體技術扮演的角色。本書旨在為讀者建立一個紮實的理論基礎，使其能夠理解當前半導體技術的發展現狀，並對未來的創新方嚮有所洞察。 總而言之，本書是一本緻力於深入講解半導體材料的微觀物理原理、核心電學特性以及基礎半導體器件工作機理的讀物。它並非聚焦於特定的功率半導體器件型號，而是從更根本的層麵，幫助讀者理解是什麼使得半導體材料如此神奇，以及它們是如何構建起現代電子世界的。通過對晶體學、能帶理論、PN結、基本器件原理以及材料特性的全麵介紹，本書將為對半導體科學和技術感興趣的讀者提供一個堅實而係統的認知框架。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我是在一次技術交流會上偶然聽一位資深工程師推薦瞭這本書，他當時的原話是：“如果你想真正理解為什麼你的電力電子設計會齣現某些問題，或者如何纔能設計齣更可靠、更高效的功率變換電路，這本書絕對是必讀的。”這句話激起瞭我的好奇心。我平時的工作主要集中在高頻開關電源的設計，雖然接觸功率器件很多年，但總覺得對它們內部的物理機製，以及為何會失效，存在著一種“經驗主義”的依賴。這本書的標題——“原理、特性和可靠性”，正好切中瞭我的痛點。我渴望能夠從更根本的層麵去理解這些器件，瞭解它們的工作極限，以及如何通過設計來避免潛在的失效模式。從他的描述中，我能感受到這本書不僅僅是提供技術參數，更是一種深入的洞察力，能夠幫助工程師培養一種“治本”的能力，而不是僅僅依靠“頭痛醫頭，腳跟醫腳”的方式來解決問題。

評分☆☆☆☆☆

這本《功率半導體器件——原理、特性和可靠性》真的是讓我大開眼界！我本身是做嵌入式開發的，對硬件這塊一直有種“隔岸觀火”的感覺，總覺得那些芯片、元件的原理深不可測。但讀瞭這本書，我發現事情並沒有那麼遙不可及。書中以一種非常清晰、循序漸進的方式，將復雜的功率半導體器件原理剖析開來。我特彆喜歡它在講解mosfet和igbt時，不隻是給齣一堆公式和圖錶，而是花瞭大量篇幅去解釋這些公式背後的物理過程，以及這些過程是如何影響器件的實際性能的。比如，它講到載流子輸運和開關損耗時，會用類比的方式來解釋，讓我這個非半導體專業的人也能抓住核心概念。而且，書中還穿插瞭大量的實例分析，比如在電動汽車、太陽能逆變器等應用場景下，不同功率器件的選擇和設計考慮，這讓我能立刻將理論知識與實際項目聯係起來，不再隻是紙上談兵。對於我這種想拓展技術棧的開發者來說，這本書無疑是一座寶藏，為我打開瞭通往更深層次硬件理解的大門。

評分☆☆☆☆☆

我是一名電子工程專業的在校大學生，目前正在學習電力電子技術這門課程。課堂上老師講解瞭很多關於功率半導體的基礎知識，比如二極管、三極管、MOSFET、IGBT等等，但總覺得有些概念還是很模糊，尤其是涉及到它們的內建結構和工作機製的時候，課本上的圖示和文字描述有時候會顯得比較抽象。我聽說《功率半導體器件——原理、特性和可靠性》這本書對這些內容有非常詳盡的講解，而且據說還結閤瞭很多實際的應用案例，這對於我這種需要結閤理論和實踐來學習的學生來說，非常有吸引力。我希望通過閱讀這本書，能夠更清晰地理解這些器件在不同工作狀態下的電流、電壓關係，以及它們各自的優缺點，為我後續的學習和畢業設計打下堅實的基礎。我尤其關注可靠性這一塊，因為在實際工程中，器件的穩定性和壽命往往是決定産品成功與否的關鍵因素。

評分☆☆☆☆☆

我最近一直在尋找一本能夠係統性地介紹功率半導體器件的書，尤其是在新能源汽車領域，對IGBT和SiC器件的需求越來越大。市麵上相關的書籍不少，但很多要麼過於理論化，要麼不夠全麵。朋友推薦瞭《功率半導體器件——原理、特性和可靠性》，我聽說這本書的作者在業內非常有經驗，並且對器件的物理原理有著深刻的理解。我比較看重的是它在“特性”和“可靠性”方麵的講解。比如，對於同一型號的器件，在不同的溫度、電流、電壓條件下，其性能會有怎樣的差異？如何纔能在設計中確保器件的長期可靠運行，避免過早失效？這些都是我在實際工作中經常會遇到的難題。這本書似乎能夠提供一套完整的解決方案，不僅僅是告訴你怎麼用，更是告訴你為什麼這麼用，以及如何用得更好。對於我來說，這纔是真正有價值的技術書籍。

評分☆☆☆☆☆

這本書的齣版信息確實很吸引人，標注瞭“正版現貨”，這對於我這種習慣於購買實體書，並且對書籍的版權和質量比較看重的人來說，是一個重要的考量因素。我一直認為，技術書籍的閱讀體驗，尤其是涉及大量圖錶和公式的，實體書比電子版要好很多，可以隨時翻閱，做筆記，而且不會有屏幕疲勞的問題。這本書的封麵設計也比較簡潔專業，給人一種值得信賴的感覺。拿到手後，紙張的質量和印刷的清晰度都讓我非常滿意，圖片和圖錶的細節都得到瞭很好的展現，這對於理解復雜的器件結構和工作原理至關重要。在內容上，它似乎不僅僅停留在理論層麵，還強調瞭“特性和可靠性”，這恰恰是我在實際工作中經常會遇到的瓶頸。很多時候，我們選擇瞭一個器件，但對其在不同工作條件下的實際錶現，或者說它的“極限”在哪裏，並不十分清楚，而這本書恰好彌補瞭這方麵的知識空白。