功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)PDF電子書免費下載

　　本書系統(tǒng)介紹了電力電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的各類功率半導(dǎo)體器件。由淺入深地介紹了器件的基本結(jié)構(gòu)、物 理機理、設(shè)計原則及應(yīng)用可靠性，內(nèi)容以硅功率半導(dǎo)體器件為主，同時也涵蓋了新興的碳化硅功率器件。全書 首先從基本半導(dǎo)體理論開始，依次介紹了各類常用的功率半導(dǎo)體器件，采用物理模型分析及數(shù)值模擬驗證結(jié) 合的方式，輔助大量詳實的圖表數(shù)據(jù)，幫助讀者全面透徹理解功率半導(dǎo)體器件的特性。

　　如今，半導(dǎo)體業(yè)務(wù)超過2000億美元，約占電力半導(dǎo)體器件和智能電力集成電路收入的10%。功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。據(jù)估計，世界上至少50%的電力由電力設(shè)備控制。隨著電子產(chǎn)品在消費、工業(yè)、醫(yī)療和運輸領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，電力設(shè)備對經(jīng)濟產(chǎn)生了重大影響，因為它們決定著系統(tǒng)的成本和效率。半導(dǎo)體功率器件自20世紀50年代由固態(tài)器件取代真空管后，以硅為基材，占據(jù)了主導(dǎo)地位。這些發(fā)展被稱為第二次電子革命。

　　雙極型功率器件，如雙極型晶體管和晶閘管，最早是在20世紀50年代發(fā)展起來的，由于半導(dǎo)體器件與真空管相比有許多優(yōu)點，因此不斷需要提高這些器件的功率額定值。它們的額定功率和開關(guān)頻率隨著對操作物理的理解、大直徑高電阻率硅片的可用性以及更先進的光刻技術(shù)的引入而增加。在接下來的20年里，雙極器件的技術(shù)達到了高度成熟。到20世紀70年代，雙極型功率晶體管的電流處理能力達到數(shù)百安培，電壓阻斷能力超過500伏。更值得注意的是，這項技術(shù)的發(fā)展能夠從整個直徑為4英寸、額定電壓超過5000伏的硅晶片上制造出一個單獨的功率晶閘管。

　　我參與電力半導(dǎo)體器件的工作始于1974年，當時我受雇于通用電氣公司的公司研發(fā)中心，成立了一個新的小組來研究這項技術(shù)。當時，我剛剛在倫斯勒理工學(xué)院完成了博士學(xué)位，研究了一種新的方法來生長復(fù)合半導(dǎo)體的外延層，雖然我想在加入半導(dǎo)體行業(yè)后探索這種方法，但我不能保證我的研究能順利進行。由于對這項未經(jīng)證實的增長技術(shù)缺乏興趣，在任何主要的研究實驗室重新?lián)温毼?。具有諷刺意味的是，我和甘迪教授一起開創(chuàng)的OMCVD外延生長過程現(xiàn)在已經(jīng)成為用于激光、LED和微波晶體管等應(yīng)用的高質(zhì)量復(fù)合半導(dǎo)體層生長最常用的方法。

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　　我在通用電氣公司的第一項任務(wù)是開發(fā)用于配電業(yè)務(wù)的高壓晶閘管的改進工藝。由于晶閘管用于高壓直流輸電和電力機車驅(qū)動，因此重點是提高額定電壓和電流處理能力。利用中子嬗變摻雜技術(shù)在大直徑晶圓上制備高電阻率n型硅并提高其均勻性的能力在這一時期引起了人們的興趣。我很幸運地為退火中子輻照期間對硅晶格造成的損傷做出了一些關(guān)鍵貢獻，使這個過程在商業(yè)上可行。單個設(shè)備中的電流為0 A。

　　現(xiàn)代社會越來越依賴于用于舒適、交通和醫(yī)療保健的電器，這推動了發(fā)電、配電和電力管理技術(shù)的巨大進步。這些進步歸功于對調(diào)節(jié)電流的動力裝置性能的提高。在20世紀50年代固態(tài)器件取代真空管之后，工業(yè)界依賴硅雙極器件，如雙極功率晶體管和晶閘管。盡管這些設(shè)備的額定值迅速增長以滿足更廣泛的系統(tǒng)需求，但它們在笨重的控制和保護電路方面的基本限制導(dǎo)致了龐大而昂貴的解決方案。數(shù)字電子學(xué)的MOS技術(shù)的出現(xiàn)也使得在20世紀70年代為功率開關(guān)應(yīng)用創(chuàng)造了一種新的設(shè)備。這些硅功率MOSFET在工作電壓相對較低（低于100 V）的高頻應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀80年代，MOS和雙極物理的結(jié)合使另一類器件的誕生成為可能。這類器件中最成功的創(chuàng)新是絕緣柵雙極晶體管。或（IGBT）：高功率密度、簡單的接口和堅固的IGBT使其成為所有中高功率應(yīng)用的首選技術(shù)，也許高壓直流輸電系統(tǒng)除外。即使是傳統(tǒng)功率晶閘管的最后一個堡壘，也受到集成MOS門控結(jié)構(gòu)的威脅。功率設(shè)備是在廣泛功率級和頻率范圍內(nèi)運行的系統(tǒng)所必需的。在圖1.1中，功率設(shè)備的應(yīng)用顯示為工作頻率的函數(shù)。高功率系統(tǒng)，如高壓直流配電系統(tǒng)和機車驅(qū)動系統(tǒng)，需要控制在相對較低頻率下運行的兆瓦功率。隨著工作頻率的增加，器件的功率額定值降低，典型的微波器件處理功率約為100W。所有這些應(yīng)用都由硅器件提供。晶閘管適用于低頻、大功率應(yīng)用，IGBT適用于中頻和功率應(yīng)用，功率MOSFET適用于高頻應(yīng)用。