功率半導體器件原理及設計

王彩琳，西安理工大學教授。從事電子科學與技術及微電子科學與工程專業本科生的課堂教學與實踐教學工作，主講本科生的《電力半導體器件》和《半導體工藝原理》等理論課，指導本科生的《微電子技術綜合實踐 》及《畢業設計》）等實踐課。主講研究生的《器件可靠性與失效分析》、《功率集成》等課程。2013年獲得陜西省教學成果獎二等獎1項，成果名稱“以培養學生綜合實踐能力為核心的微電子技術方向教學體系的構建”；2015年主持的“半導體工藝原理”分別獲得陜西省質量工程資源共享課和校級精品課程。 主持並完成多項 自然基金面上項目、 和省市級重點科研項目等20余項，作為主要完成者參與其他科研項目20余項。與企業合作開展工程技術研究，為多家企業提供技術咨詢服務。主要完成 “八五”科技攻關項目，於1997年獲機械工業部教育司科技進步一等獎和西安市科學技術進步三等獎各1項。

第一章　緒論　1
1.1 功率半導體器件概述　1
1.1.1 功率半導體器件的歸屬　1
1.1.2 功率半導體器件與電力電子技術的關係　2
1.2 功率半導體器件的特徵與分類　3
1.2.1 定義與特徵　3
1.2.2 分類與特點　3
1.3 功率半導體器件的發展概況　5
1.3.1 發展歷程與趨勢　5
1.3.2 封裝技術的發展　7
1.3.3 應用技術的發展　8
思考與練習題　10
參考文獻　10

第二章　功率半導體器件基礎　11
2.1 半導體材料物理基礎　11
2.1.1 半導體能帶與載流子濃度　11
2.1.2 電阻率及其影響因素　15
2.1.3 非平衡載流子的產生與復合　19
2.1.4 載流子的擴散與漂移　22
2.2 半導體器件物理基礎　24
2.2.1 PN 接面及其基本性質　24
2.2.2 NN⁺ 與 PP⁺ 接面的基本特性　30
2.2.3 NPN 與 PNP 結構及其基本特性　30
2.2.4 MOS 結構及其基本特性　33
2.2.5 MS 結構及其基本特性　34
2.3 半導體製程技術基礎　37
2.3.1 摻雜技術　37
2.3.2 薄膜成長技術　41
2.3.3 微影與蝕刻技術　48
2.3.4 背面減薄與劃片技術　53
2.3.5 載流子壽命控制技術　54
本章小結　56
思考與練習題　57
參考文獻　57

第三章　功率二極體　58
3.1 PIN 二極體　58
3.1.1 基本結構與製作工藝　58
3.1.2 工作原理與 I-U 特性　59
3.1.3 靜態與動態特性　60
3.1.4 安全工作區與使用可靠性　68
3.2 功率蕭特基二極體　70
3.2.1 結構分類與製作工藝　70
3.2.2 工作原理與 I-U 特性　71
3.2.3 靜態與動態特性分析　72
3.3 功率二極體的設計　74
3.3.1 設計方法概述　74
3.3.2 整流二極體設計　75
3.3.3 快速恢復二極體設計　76
3.3.4 快速軟恢復二極體設計　77
3.3.5 功率蕭特基二極體設計　78
3.4 碳化矽二極體　79
3.4.1 4H-SiC PIN 二極體　79
3.4.2 碳化矽蕭特基二極體　80
3.4.3 碳化矽二極體設計　82
3.5 特點與適用範圍　85
本章小結　85
思考與練習題　86
參考文獻　86

第四章　功率雙極型電晶體　88
4.1 功率雙極型電晶體的結構與工作原理　88
4.1.1 基本結構與製作工藝　88
4.1.2 工作原理與 I-U 特性　89
4.2 靜態與動態特性　91
4.2.1 擊穿特性　91
4.2.2 導通特性　93
4.2.3 開關特性　98
4.2.4 溫度特性　99
4.3 安全工作區與使用可靠性　100
4.3.1 安全工作區　100
4.3.2 二次擊穿　101
4.3.3 開關過程中的電流集中　102
4.3.4 動態雪崩　103
4.4 達靈頓電晶體的結構　104
4.4.1 二級達靈頓電晶體結構　104
4.4.2 三級達靈頓電晶體結構　105
4.5 功率雙極型電晶體的設計　105
4.5.1 縱向結構設計　105
4.5.2 橫向結構設計　106
4.5.3 接面終端結構設計　108
4.6 碳化矽雙極型電晶體　108
4.6.1 結構與製程　108
4.6.2 工作原理與特性　109
4.6.3 發展概況　109
4.7 主要特點與適用範圍　110
本章小結　110
思考與練習題　111
參考文獻　111

第五章　功率 MOSFET　112
5.1 一般功率 MOSFET　112
5.1.1 結構類型與製作工藝　112
5.1.2 工作原理與 I-U 特性　114
5.1.3 靜態與動態特性　120
5.2 超接面 MOSFET　133
5.2.1 超接面的定義與特徵　133
5.2.2 基本結構與等效電路　133
5.2.3 靜態與動態特性　134
5.3 安全工作區與使用可靠性　137
5.3.1 安全工作區　137
5.3.2 使用可靠性　137
5.4 功率 MOSFET 的設計　140
5.4.1 平面閘 MOSFET 設計　140
5.4.2 溝槽閘 MOSFET 設計　142
5.4.3 SJ MOS 設計　144
5.5 碳化矽 MOSFET　145
5.5.1 4H-SiC MOSFET 結構與製程　145
5.5.2 工作原理與特性　145
5.5.3 設計方法　146
5.6 發展與適用範圍　146
5.6.1 矽 MOSFET 的發展與應用　146
5.6.2 碳化矽 MOSFET 的發展與應用　147
本章小結　147
思考與練習題　148
參考文獻　149

第六章　絕緣閘雙極型電晶體（IGBT）　151
6.1 一般 IGBT　151
6.1.1 基本結構與典型製程　151
6.1.2 工作原理與 I-U 特性　154
6.1.3 靜態與動態特性　159
6.1.4 電子註入增強效應　166
6.2 IGBT 派生器件　168
6.2.1 逆阻 IGBT　168
6.2.2 逆導 IGBT　169
6.2.3 雙向 IGBT　171
6.2.4 超接面 IGBT　172
6.3 安全工作區與使用可靠性　173
6.3.1 安全工作區　173
6.3.2 閂鎖效應　175
6.3.3 雪崩效應　178
6.3.4 短路特性　179
6.4 IGBT 結構設計　182
6.4.1 縱向結構設計　182
6.4.2 橫向結構設計　183
6.4.3 終端結構設計　185
6.5 碳化矽 IGBT　185
6.5.1 4H-SiC IGBT 結構與製程　185
6.5.2 工作原理與特性　186
6.5.3 設計方法　186
6.6 發展與適用範圍　187
本章小結　188
思考與練習題　188
參考文獻　189

第七章　一般晶閘管及其派生器件　192
7.1 一般晶閘管　192
7.1.1 基本結構與製作工藝　192
7.1.2 工作原理與 I-U 特性　193
7.1.3 靜態與動態特性　197
7.2 晶閘管的派生器件　206
7.2.1 雙向晶閘管　206
7.2.2 逆導晶閘管　207
7.3 安全工作區與使用可靠性　208
7.3.1 安全工作區　208
7.3.2 使用可靠性　209
7.4 晶閘管的設計　210
7.4.1 設計方法概述　210
7.4.2 有源區結構設計　212
7.4.3 終端結構設計　215
7.5 碳化矽晶閘管　216
7.5.1 4H-SiC 晶閘管結構與製程　216
7.5.2 工作原理與特性　217
7.5.3 超高壓 4H-SiC 晶閘管設計　218
7.6 特點與適用範圍　218
本章小結　219
思考與練習題　219
參考文獻　220

第八章　閘極關斷晶閘管及其派生器件　221
8.1 閘極關斷晶閘管（GTO）　221
8.1.1 基本結構與製作工藝　221
8.1.2 工作原理與特性參數　222
8.1.3 特性分析　224
8.1.4 閘極硬驅動技術　228
8.2 GTO 派生器件　229
8.2.1 逆導 GTO　229
8.2.2 雙閘極 GTO　230
8.2.3 發射極關斷晶閘管　230
8.2.4 MOS 關斷晶閘管　232
8.3 GTO 的安全工作區與可靠性　233
8.3.1 安全工作區　233
8.3.2 可靠性　234
8.4 GTO 的設計　236
8.4.1 縱向結構設計　236
8.4.2 閘極－陰極結構設計　237
8.5 碳化矽 GTO 晶閘管　238
8.5.1 4H-SiC GTO 結構　238
8.5.2 原理與特性　239
8.5.3 設計方法　239
8.6 特點與適用範圍　239
本章小結　240
思考與練習題　240
參考文獻　241

第九章　整合閘極換流晶閘管（IGCT）　242
9.1 傳統 IGCT　242
9.1.1 結構類型與製作工藝　242
9.1.2 工作原理與特性　243
9.1.3 靜態與動態特性分析　246
9.2 GCT 派生結構　248
9.2.1 逆阻 GCT　248
9.2.2 逆導 GCT　249
9.2.3 雙模式 GCT　250
9.2.4 雙晶片 GCT　251
9.3 驅動電路與特性參數　251
9.3.1 驅動電路原理　252
9.3.2 測試電路　252
9.3.3 特性參數　252
9.4 IGCT 晶片設計　254
9.4.1 縱向結構設計　254
9.4.2 橫向結構設計　256
9.4.3 終端結構設計　257
9.5 碳化矽 GCT　257
9.6 特點與適用範圍　258
本章小結　258
思考與練習題　258
參考文獻　259

第十章　MOS 控制晶閘管及其派生器件　261
10.1 MOS 控制晶閘管　261
10.1.1 結構類型與製作工藝　261
10.1.2 工作原理與特性　262
10.1.3 靜態與動態特性分析　264
10.1.4 元胞設計　267
10.2 基區電阻控制晶閘管　268
10.2.1 結構特點與製作工藝　268
10.2.2 工作原理與特性　268
10.2.3 靜態與動態特性分析　270
10.2.4 元胞設計　271
10.3 發射極開關晶閘管　272
10.3.1 結構類型與製作工藝　272
10.3.2 工作原理與特性　273
10.3.3 靜態與動態特性分析　276
10.3.4 元胞設計　280
10.4 MCT 及其派生器件比較　280
10.4.1 特性比較　280
10.4.2 安全工作區比較　281
10.5 特點與適用範圍　282
本章小結　283
思考與練習題　283
參考文獻　284

第十一章　功率整合技術　285
11.1 功率整合概述　285
11.1.1 功率整合的定義與特點　285
11.1.2 功率整合電路　286
11.1.3 功率模組　286
11.1.4 壓接式整合封裝技術　287
11.2 橫向高壓器件　289
11.2.1 LDMOS 結構、原理與特性　289
11.2.2 電場調制技術　290
11.2.3 RESURF LDMOS 結構、原理與特性　291
11.2.4 LIGBT 結構與原理　294
11.2.5 LMCT 結構與原理　296
11.2.6 器件性能評估　297
11.3 單晶片整合技術　298
11.3.1 隔離技術　298
11.3.2 接面終端技術　299
11.3.3 設計技術　300
11.3.4 製程技術　302
11.3.5 發展與適用範圍　303
11.4 功率模組　304
11.4.1 功率模組的構成　304
11.4.2 模組封裝技術　306
11.4.3 模組特性與可靠性　307
11.4.4 智慧功率模組　312
11.4.5 發展與適用範圍　314
本章小結　316
思考與練習題　316
參考文獻　317