作者简介
赵善麒，江苏宏微科技股份有限公司董事长、总裁，研究员，享受特殊津贴，是中国电工技术学会电力电子学会常务理事、中国电源学会理事和中国电工技术学会电气节能专委会理事。他是国内首位电力半导体器件博士，1994年赴法国里昂国立科学学院从事博士后研究，曾在香港科技大学和美国从事多年研究工作。2006年，他在常州创办江苏宏微科技股份有限公司，公司设有江苏省“企业院士工作站”，并已承担10余项科研项目、3项省级科研项目，获得37项国家专利、3项国际专利、2项软件著作权，拥有7项省高新技术产品。宏微科技被认定为科技部“国家重点高新技术企业” “国家高技术产业化示范基地”“江苏省高新技术企业”，是江苏省科技成果转化专项资金项目承担单位。他入选“千人计划”和我省头一批“双创计划”，并先后被江苏省委、省政府评为“江苏省劳动模范”、十大“江苏留学回国先进个人”，被江苏省侨办评为“江苏十佳创业新侨”。
目录
电力电子新技术系列图书序言
前言
第1章器件结构和工作原理1
1.1器件结构1
1.1.1基本特征与元胞结构 1
1.1.2纵向结构 3
1.1.3横向结构8
1.2工作原理与I-U特性11
1.2.1等效电路与模型11
1.2.2工作原理12
1.2.3物理效应14
1.2.4 I-U特性16
参考文献24
第2章器件特性分析26
2.1IGBT的静态特性26
2.1.1通态特性26
2.1.2阻断特性27
2.2IGBT的动态特性31
2.2.1开通特性31
2.2.2关断特性34
2.2.3频率特性40
2.3安全工作区44
2.3.1FBSOA44
2.3.2RBSOA44
2.3.3SCSOA45
参考文献46
第3章器件设计48
3.1关键电参数的设计48
3.1.1关键参数48
3.1.2需要协调的参数49
3.2有源区结构设计50
胞结构50
3.2.2栅极结构51
3.2.3栅极参数设计52
3.3终端结构设计54
3.3.1场限环终端设计54
3.3.2场板终端设计56
3.3.3横向变掺杂终端设计57
3.3.4深槽终端设计58
3.4纵向结构设计59
3.4.1漂移区设计59
3.4.2缓冲层设计60
3.4.3集电区设计62
3.4.4增强层设计63
参考文献65
第4章器件制造工艺67
4.1衬底材料选择67
4.1.1硅单晶材料67
4.1.2硅外延片69
4.2制作工艺流程69
4.2.1平面栅结构的制作69
4.2.2沟槽栅结构的制作73
4.3基本工艺77
4.3.1热氧化77
4.3.2掺杂79
4.3.3光刻85
4.3.4刻蚀88
4.3.5化学气相淀积92
4.3.6物理气相淀积94
4.3.7减薄与划片工艺95
4.4工艺质量与参数检测98
4.4.1工艺质量检测98
4.4.2工艺参数检测99
参考文献103
第5章器件仿真105
5.1半导体计算机仿真的基本概念105
5.1.1工艺仿真105
5.1.2器件仿真106
5.1.3电路仿真107
5.2器件仿真方法、软件及流程107
5.2.1器件仿真方法（TCAD）107
5.2.2器件仿真与工艺仿真软件108
5.2.3器件仿真流程111
5.3器件物理模型选取111
5.3.1流体力学能量输运模型111
5.3.2量子学模型113
5.3.3迁移率模型114
5.3.4载流子复合模型116
5.3.5雪崩产生模型118
5.4器件物理结构与网格划分119
5.5器件电特性仿真121
5.61200V/100A IGBT设计实例123
胞设计123
5.6.2终端设计128
5.6.3器件工艺设计131
参考文献144
第6章器件封装147
6.1封装技术概述147
6.2封装基本结构和类型149
6.3封装关键材料及工艺152
6.3.1绝缘基板及其金属化153
6.3.2底板材料160
6.3.3黏结材料162
6.3.4电气互联材料167
6.3.5密封材料168
6.3.6塑料外壳材料170
6.3.7功率半导体芯片170
6.4IGBT模块封装设计171
6.4.1热设计172
6.4.2功能单元174
6.4.3仿真技术应用175
6.5典型封装技术与工艺183
6.5.1焊接过程184
6.5.2清洗185
6.5.3键合188
6.5.4灌胶保护189
6.5.5测试190
6.6IGBT模块封装技术的新进展190
6.6.1低温烧结技术190
6.6.2压接技术191
6.6.3双面散热技术192
6.6.4引线技术192
6.6.5端子连接技术193
6.6.6SiC器件封装194
参考文献194
第7章器件测试195
7.1静态参数195
7.1.1集电极-发射极电压UCES195
7.1.2栅极-发射极电压UGES196
7.1.3最大集电极连续电流IC197
7.1.4最大集电极峰值电流ICM197
7.1.5集电极截止电流ICES198
7.1.6栅极漏电流IGES199
7.1.7集电极 发射极饱和电压 UCEsat199
7.1.8栅极-发射极阈值电压 UGE(th)200
7.2动态参数200
7.2.1输入电容Cies201
7.2.2输出电容Coes202
7.2.3反向传输电容Cres203
7.2.4栅极电荷QG203
7.2.5栅极内阻rg204
7.2.6开通期间的各时间间隔和开通能量205
7.2.7关断期间的各时间间隔和关断能量206
7.3热阻208
7.3.1IGBT的热阻定义208
7.3.2结-壳热阻Rth(j-c)和结壳瞬态热阻抗Zth(j-c)208
7.4安全工作区211
7.4.1最大反偏安全工作区RBSOA211
7.4.2最大短路安全工作区SCSOA213
7.4.3最大正偏安全工作区FBSOA215
7.5UIS测试217
7.6可靠性参数测试218
7.6.1高温阻断试验（HTRB）220
7.6.2高温栅极偏置(HTGB）220
7.6.3高温高湿反偏（H3TRB）221
7.6.4间歇工作寿命（PC）222
7.6.5温度循环（TC）223
参考文献224
第8章器件可靠性和失效分析225
8.1器件可靠性225
8.1.1闩锁电流225
8.1.2雪崩耐量231
8.1.3抗短路能力235
8.1.4抗辐射能力238
8.2器件失效分析242
8.2.1过电压失效243
8.2.2过电流与过热失效246
8.2.3机械应力失效分析250
8.2.4辐射失效分析252
参考文献254
第9章器件应用256
9.1IGBT应用系统介绍256
9.1.1IGBT损耗的计算257
9.1.2IGBT电压、电流等级选取258
9.2IGBT驱动电路与设计259
9.2.1IGBT的栅极驱动电路260
9.2.2栅极电阻选取260
9.2.3驱动电流262
9.2.4栅极保护262
9.2.5死区时间263
9.3IGBT保护电路263
9.3.1过电流保护电路264
9.3.2过电压保护电路265
9.3.3过热保护电路266
9.3.4典型的驱动电路示例267
9.4IGBT评估测试267
9.4.1双脉冲测试法267
9.4.2双脉冲测试设备268
参考文献273
第10章衍生器件及SiC-IGBT274
10.1双向IGBT274
10.1.1基本结构274
10.1.2器件特性276
10.1.3工艺实现方法278
10.2逆导IGBT279
10.2.1基本结构280
10.2.2器件特性280
10.2.3工艺实现方法283
10.3逆阻IGBT283
10.3.1基本结构283
10.3.2器
序言
1974年美国学者W. Newell提出了电力电子技术学科的定义，电力电子技术是由电气工程、电子科学与技术和控制理论三个学科交叉而形成的。电力电子技术是依靠电力半导体器件实现电能的高效率利用，以及对电机运动进行控制的一门学科。电力电子技术是现代社会的支撑科学技术，几乎应用于科技、生产、生活各个领域：电气化、汽车、飞机、自来水供水系统、电子技术、无线电与电视、农业机械化、计算机、电话、空调与制冷、高速公路、航天、互联网、成像技术、家电、保健科技、石化、激光与光纤、核能利用、新材料制造等。电力电子技术在推动科学技术和经济的发展中发挥着越来越重要的作用。进入21世纪，电力电子技术在节能减排方面发挥着重要的作用，它在新能源和智能电网、直流输电、电动汽车、高速铁路中发挥核心的作用。电力电子技术的应用从用电，已扩展至发电、输电、配电等领域。电力电子技术诞生近半个世纪以来，也给人们的生活带来了巨大的影响。
目前，电力电子技术仍以迅猛的速度发展着，电力半导体器件性能不断提高，并出现了碳化硅、氮化镓等宽禁带电力半导体器件，新的技术和应用不断涌现，其应用范围也在不断扩展。不论在全世界还是在我国，电力电子技术都已造就了一个很大的产业群。与之相应，从事电力电子技术领域的工程技术和科研人员的数量与日俱增。因此，组织出版有关电力电子新技术及其应用的系列图书，以供广大从事电力电子技术的工程师和高等学校教师和研究生在工程实践中使用和参考，促进电力电子技术及应用知识的普及。
在20世纪80年代，电力电子学会曾和机械工业出版社合作，出版过一套“电力电子技术丛书”，那套丛书对推动电力电子技术的发展起过积极的作用。最近，电力电子学会经过认真考虑，认为有必要以“电力电子新技术系列图书”的名义出版一系列著作。为此，成立了专门的编辑委员会，负责确定书目、组稿和审稿，向机械工业出版社推荐，仍由机械工业出版社出版。
本系列图书有如下特色：
本系列图书属专题论著性质，选题新颖，力求反映电力电子技术的新成就和新经验，以适应我国经济迅速发展的需要。
理论联系实际，以应用技术为主。
本系列图书组稿和评审过程严格，作者都是在电力电子技术第一线工作的专家，且有丰富的写作经验。内容力求深入浅出，条理清晰，语言通俗，文笔流畅，便于阅读学习。
本系列图书编委会中，既有一大批国内资深的电力电子专家，也有不少已崭露头角的青年学者，其组成人员在国内具有较强的代表性。
希望广大读者对本系列图书的编辑、出版和发行给予支持和帮助，并欢迎对其中的问题和错误给予批评指正。
电力电子新技术系列图书
编辑委员会
赵善麒，江苏宏微科技股份有限公司董事长、总裁，研究员，享受特殊津贴，是中国电工技术学会电力电子学会常务理事、中国电源学会理事和中国电工技术学会电气节能专委会理事。他是国内首位电力半导体器件博士，1994年赴法国里昂国立科学学院从事博士后研究，曾在香港科技大学和美国从事多年研究工作。2006年，他在常州创办江苏宏微科技股份有限公司，公司设有江苏省“企业院士工作站”，并已承担10余项科研项目、3项省级科研项目，获得37项国家专利、3项国际专利、2项软件著作权，拥有7项省高新技术产品。宏微科技被认定为科技部“国家重点高新技术企业” “国家高技术产业化示范基地”“江苏省高新技术企业”，是江苏省科技成果转化专项资金项目承担单位。他入选“千人计划”和我省头一批“双创计划”，并先后被江苏省委、省政府评为“江苏省劳动模范”、十大“江苏留学回国先进个人”，被江苏省侨办评为“江苏十佳创业新侨”。
目录
电力电子新技术系列图书序言
前言
第1章器件结构和工作原理1
1.1器件结构1
1.1.1基本特征与元胞结构 1
1.1.2纵向结构 3
1.1.3横向结构8
1.2工作原理与I-U特性11
1.2.1等效电路与模型11
1.2.2工作原理12
1.2.3物理效应14
1.2.4 I-U特性16
参考文献24
第2章器件特性分析26
2.1IGBT的静态特性26
2.1.1通态特性26
2.1.2阻断特性27
2.2IGBT的动态特性31
2.2.1开通特性31
2.2.2关断特性34
2.2.3频率特性40
2.3安全工作区44
2.3.1FBSOA44
2.3.2RBSOA44
2.3.3SCSOA45
参考文献46
第3章器件设计48
3.1关键电参数的设计48
3.1.1关键参数48
3.1.2需要协调的参数49
3.2有源区结构设计50
胞结构50
3.2.2栅极结构51
3.2.3栅极参数设计52
3.3终端结构设计54
3.3.1场限环终端设计54
3.3.2场板终端设计56
3.3.3横向变掺杂终端设计57
3.3.4深槽终端设计58
3.4纵向结构设计59
3.4.1漂移区设计59
3.4.2缓冲层设计60
3.4.3集电区设计62
3.4.4增强层设计63
参考文献65
第4章器件制造工艺67
4.1衬底材料选择67
4.1.1硅单晶材料67
4.1.2硅外延片69
4.2制作工艺流程69
4.2.1平面栅结构的制作69
4.2.2沟槽栅结构的制作73
4.3基本工艺77
4.3.1热氧化77
4.3.2掺杂79
4.3.3光刻85
4.3.4刻蚀88
4.3.5化学气相淀积92
4.3.6物理气相淀积94
4.3.7减薄与划片工艺95
4.4工艺质量与参数检测98
4.4.1工艺质量检测98
4.4.2工艺参数检测99
参考文献103
第5章器件仿真105
5.1半导体计算机仿真的基本概念105
5.1.1工艺仿真105
5.1.2器件仿真106
5.1.3电路仿真107
5.2器件仿真方法、软件及流程107
5.2.1器件仿真方法（TCAD）107
5.2.2器件仿真与工艺仿真软件108
5.2.3器件仿真流程111
5.3器件物理模型选取111
5.3.1流体力学能量输运模型111
5.3.2量子学模型113
5.3.3迁移率模型114
5.3.4载流子复合模型116
5.3.5雪崩产生模型118
5.4器件物理结构与网格划分119
5.5器件电特性仿真121
5.61200V/100A IGBT设计实例123
胞设计123
5.6.2终端设计128
5.6.3器件工艺设计131
参考文献144
第6章器件封装147
6.1封装技术概述147
6.2封装基本结构和类型149
6.3封装关键材料及工艺152
6.3.1绝缘基板及其金属化153
6.3.2底板材料160
6.3.3黏结材料162
6.3.4电气互联材料167
6.3.5密封材料168
6.3.6塑料外壳材料170
6.3.7功率半导体芯片170
6.4IGBT模块封装设计171
6.4.1热设计172
6.4.2功能单元174
6.4.3仿真技术应用175
6.5典型封装技术与工艺183
6.5.1焊接过程184
6.5.2清洗185
6.5.3键合188
6.5.4灌胶保护189
6.5.5测试190
6.6IGBT模块封装技术的新进展190
6.6.1低温烧结技术190
6.6.2压接技术191
6.6.3双面散热技术192
6.6.4引线技术192
6.6.5端子连接技术193
6.6.6SiC器件封装194
参考文献194
第7章器件测试195
7.1静态参数195
7.1.1集电极-发射极电压UCES195
7.1.2栅极-发射极电压UGES196
7.1.3最大集电极连续电流IC197
7.1.4最大集电极峰值电流ICM197
7.1.5集电极截止电流ICES198
7.1.6栅极漏电流IGES199
7.1.7集电极 发射极饱和电压 UCEsat199
7.1.8栅极-发射极阈值电压 UGE(th)200
7.2动态参数200
7.2.1输入电容Cies201
7.2.2输出电容Coes202
7.2.3反向传输电容Cres203
7.2.4栅极电荷QG203
7.2.5栅极内阻rg204
7.2.6开通期间的各时间间隔和开通能量205
7.2.7关断期间的各时间间隔和关断能量206
7.3热阻208
7.3.1IGBT的热阻定义208
7.3.2结-壳热阻Rth(j-c)和结壳瞬态热阻抗Zth(j-c)208
7.4安全工作区211
7.4.1最大反偏安全工作区RBSOA211
7.4.2最大短路安全工作区SCSOA213
7.4.3最大正偏安全工作区FBSOA215
7.5UIS测试217
7.6可靠性参数测试218
7.6.1高温阻断试验（HTRB）220
7.6.2高温栅极偏置(HTGB）220
7.6.3高温高湿反偏（H3TRB）221
7.6.4间歇工作寿命（PC）222
7.6.5温度循环（TC）223
参考文献224
第8章器件可靠性和失效分析225
8.1器件可靠性225
8.1.1闩锁电流225
8.1.2雪崩耐量231
8.1.3抗短路能力235
8.1.4抗辐射能力238
8.2器件失效分析242
8.2.1过电压失效243
8.2.2过电流与过热失效246
8.2.3机械应力失效分析250
8.2.4辐射失效分析252
参考文献254
第9章器件应用256
9.1IGBT应用系统介绍256
9.1.1IGBT损耗的计算257
9.1.2IGBT电压、电流等级选取258
9.2IGBT驱动电路与设计259
9.2.1IGBT的栅极驱动电路260
9.2.2栅极电阻选取260
9.2.3驱动电流262
9.2.4栅极保护262
9.2.5死区时间263
9.3IGBT保护电路263
9.3.1过电流保护电路264
9.3.2过电压保护电路265
9.3.3过热保护电路266
9.3.4典型的驱动电路示例267
9.4IGBT评估测试267
9.4.1双脉冲测试法267
9.4.2双脉冲测试设备268
参考文献273
第10章衍生器件及SiC-IGBT274
10.1双向IGBT274
10.1.1基本结构274
10.1.2器件特性276
10.1.3工艺实现方法278
10.2逆导IGBT279
10.2.1基本结构280
10.2.2器件特性280
10.2.3工艺实现方法283
10.3逆阻IGBT283
10.3.1基本结构283
10.3.2器
序言
1974年美国学者W. Newell提出了电力电子技术学科的定义，电力电子技术是由电气工程、电子科学与技术和控制理论三个学科交叉而形成的。电力电子技术是依靠电力半导体器件实现电能的高效率利用，以及对电机运动进行控制的一门学科。电力电子技术是现代社会的支撑科学技术，几乎应用于科技、生产、生活各个领域：电气化、汽车、飞机、自来水供水系统、电子技术、无线电与电视、农业机械化、计算机、电话、空调与制冷、高速公路、航天、互联网、成像技术、家电、保健科技、石化、激光与光纤、核能利用、新材料制造等。电力电子技术在推动科学技术和经济的发展中发挥着越来越重要的作用。进入21世纪，电力电子技术在节能减排方面发挥着重要的作用，它在新能源和智能电网、直流输电、电动汽车、高速铁路中发挥核心的作用。电力电子技术的应用从用电，已扩展至发电、输电、配电等领域。电力电子技术诞生近半个世纪以来，也给人们的生活带来了巨大的影响。
目前，电力电子技术仍以迅猛的速度发展着，电力半导体器件性能不断提高，并出现了碳化硅、氮化镓等宽禁带电力半导体器件，新的技术和应用不断涌现，其应用范围也在不断扩展。不论在全世界还是在我国，电力电子技术都已造就了一个很大的产业群。与之相应，从事电力电子技术领域的工程技术和科研人员的数量与日俱增。因此，组织出版有关电力电子新技术及其应用的系列图书，以供广大从事电力电子技术的工程师和高等学校教师和研究生在工程实践中使用和参考，促进电力电子技术及应用知识的普及。
在20世纪80年代，电力电子学会曾和机械工业出版社合作，出版过一套“电力电子技术丛书”，那套丛书对推动电力电子技术的发展起过积极的作用。最近，电力电子学会经过认真考虑，认为有必要以“电力电子新技术系列图书”的名义出版一系列著作。为此，成立了专门的编辑委员会，负责确定书目、组稿和审稿，向机械工业出版社推荐，仍由机械工业出版社出版。
本系列图书有如下特色：
本系列图书属专题论著性质，选题新颖，力求反映电力电子技术的新成就和新经验，以适应我国经济迅速发展的需要。
理论联系实际，以应用技术为主。
本系列图书组稿和评审过程严格，作者都是在电力电子技术第一线工作的专家，且有丰富的写作经验。内容力求深入浅出，条理清晰，语言通俗，文笔流畅，便于阅读学习。
本系列图书编委会中，既有一大批国内资深的电力电子专家，也有不少已崭露头角的青年学者，其组成人员在国内具有较强的代表性。
希望广大读者对本系列图书的编辑、出版和发行给予支持和帮助，并欢迎对其中的问题和错误给予批评指正。
电力电子新技术系列图书
编辑委员会
| ISBN | 7111604989,9787111604983 |
|---|---|
| 出版社 | 机械工业出版社 |
| 作者 | 赵善麒 |
| 尺寸 | 16 |