第1章 緒論

1.1 理想和典型的功率開關模型

1.2 理想和典型的功率器件參數

1.3 單極功率器件

1.4 雙極功率器件

1.5 MOS雙極功率器件

1.6 單極功率器件的理想漂移區

1.7 電荷耦合結構：理想的特征導通電阻

1.8 小結

習題

參考文獻

第2章 材料特性和傳輸物理

2.1 基本特性

2.1.1 本征載流子濃度

2.1.2 帶隙變窄

2.1.3 內建電勢

2.1.4 零偏置耗盡寬度

2.1.5 踫撞電離繫數

2.1.6 載流子遷移率

2.2 電阻率

2.2.1 本征電阻率

2.2.2 非本征電阻率

2.2.3 中子嬗變摻雜

2.3 復合壽命

2.3.1 Shockleｙ?Read?Hall復合

2.3.2 小注入壽命

2.3.3 空間電荷產生壽命

2.3.4 復合能級優化

2.3.5 壽命控制

2.3.6 俄歇復合

2.4 歐姆接觸

2.5 小結

習題

參考文獻

第3章 擊穿電壓

3.1 雪崩擊穿

3.1.1 踫撞電離繫數的冪定律近似

3.1.2 倍增繫數

3.2 突變一維二極管

3.3 理想比通態電阻

3.4 突變穿通二極管

3.5 線性緩變結二極管

3.6 邊緣終端

3.6.1 平面結終端

3.6.2 帶浮空場環的平面結

3.6.3 帶多重浮空場環的平面結

3.6.4 帶場板的平面結

3.6.5 帶場板與場環的平面結

3.6.6 斜角邊緣終端

3.6.7 腐蝕終端

3.6.8 結終端擴展

3.7 基極開路晶體管擊穿

3.7.1 復合斜角終端

3.7.2 雙正斜角終端

3.8 表面鈍化

3.9 小結

習題

參考文獻

第4章 肖特基整流器

4.1 功率肖特基整流器結構

4.2 金屬半導體接觸

4.3 正向導通

4.4 反向阻斷

4.4.1 漏電流

4.4.2 肖特基勢壘降低

4.4.3 擊穿前雪崩倍增

4.4.4 碳化硅整流器

4.5 器件電容

4.6 散熱考慮

4.7 基本折中分析

4.8 器件工藝

4.9 勢壘高度調整

4.10邊緣終端

4.11小結

習題

參考文獻

第5章 P?i?N整流器

5.1 一維結構

5.1.1 復合電流

5.1.2 小注入電流

5.1.3 大注入電流

5.1.4 末端區的注入

5.1.5 載流子間的散射效應

5.1.6 俄歇復合效應

5.1.7 正向導通特性

5.2 碳化硅P?i?N整流器

5.3 反向阻斷

5.4 開關特性

5.4.1 正向恢復

5.4.2 反向恢復

5.5 帶緩衝層的P?i?N整流器結構

5.6 非穿通型P?i?N整流器結構

5.7 P?i?N整流器的折中曲線

5.8 小結

習題

參考文獻

第6章 功率MOS場效應晶體管

6.1 理想的特征導通電阻

6.2胞結構和工作原理

6.2.1 V?MOSFET結構

6.2.2 VD?MOSFET結構

6.2.3 U?MOSFET結構

6.3 器件基本特性

6.4 阻斷電壓

6.4.1 終端的影響

6.4.2 漸變摻雜分布的影響

6.4.3 寄生雙極型晶體管的影響

6.4胞節距的影響

6.4.5 柵形狀的影響

6.4胞表面布局的影響

6.5 正向導通特性

6.5.1 MOS界面物理特性

6.5.2 MOS表面電荷分析

6.5.3 耗盡寬度

6.5.4 閾值電壓

6.5.5 溝道電阻

6.6 功率MOSFET導通電阻

6.6.1 源接觸電阻

6.6.2 源區電阻

6.6.3 溝道電阻

6.6.4 積累電阻

6.6.5 JFET電阻

6.6.6 漂移區電阻

6.6.7 N+襯底電阻

6.6.8 漏接觸電阻

6.6.9 總導通電阻

6.7 功率VD?MOS胞優化

6.7.1 柵電極寬度的優化

6.7.2 擊穿電壓的影響

6.7.3 設計規則的影響

6.7胞布局的影響

6.8 功率U?MOSFET的導通電阻

6.8.1 源接觸電阻

6.8.2 源區電阻

6.8.3 溝道電阻

6.8.4 積累區電阻

6.8.5 漂移區電阻

6.8.6 N＋襯底電阻

6.8.7 漏極接觸電阻

6.8.8 總導通電阻

6.9 功率U?MOSFET胞優化

6.9.1 垂直P型基區的接觸孔結構

6.9.2 擊穿電壓影響

6.9.3 可靠性優化

6.10平方關繫的傳輸特性

6.11超線性傳輸特性

6.12輸出特性

6.13器件電容

6.13.1 基本MOS電容

6.13.2 功率VD?MOSFET結構的電容

6.13.3 功率U?MOSFET結構的電容

6.13.4 等效電路

6.14柵電荷

6.14.1 柵電荷提取

6.14.2 電壓與電流關繫

6.14.3 VD?MOSFET與U?MOSFET結構比較

6.14胞節距對VD?MOSFET結構與U?MOSFET結構的影響

6.15 高頻工作優化

6.15.1 輸入開關損耗

6.15.2 輸出開關損耗

6.15.3 柵信號延遲

6.16 開關特性

6.16.1 開啟瞬態

6.16.2 關斷瞬態

6.16.3 開關功率損耗

6.16.4 ［dV/dt］能力

6.17 安全工作區

6.17.1 雙極型晶體管二次擊穿

6.17.2 MOS二次擊穿

6.18 內部體二極管

6.18.1 反向恢復優化

6.18.2 寄生雙極型晶體管影響

6.19 高溫特性

6.19.1 閾值電壓

6.19.2 導通電阻

6.19.3 飽和區跨導

6.20 互補器件

6.20.1 P溝道結構

6.20.2 導通電阻

6.20.3 深槽結構

6.21 硅功率MOSFET制造工藝

6.21.1 平面VD?MOSFET工藝

6.21.2 槽形U?MOSFET工藝

6.22 碳化硅器件

6.22.1 巴利加對(Baliga?Pair)構造

6.22.2 平面功率MOSFET結構

6.22.3 屏蔽型平面功率MOSFET結構

6.22.4 屏蔽型槽柵功率MOSFET結構

6.23 小結

習題

參考文獻

第7章 雙極結型晶體管

7.1 功率雙極結型晶體管結構

7.2 基本工作原理

7.3 靜態阻斷特性

7.3.1 發射極開路擊穿電壓

7.3.2 基極開路擊穿電壓

7.3.3 基極發射極短路工作原理

7.4 電流增益

7.4.1 發射極注入效率

7.4.2 考慮耗盡區復合的發射極注入效率

7.4.3 基區大注入時發射極注入效率

7.4.4 基區輸運繫數

7.4.5 集電極電流密度很大時的基區擴展效應

7.5 發射極電流集邊效應

7.5.1 基極小注入

7.5.2 基極大注入

7.5.3 發射極圖形

7.6 輸出特性

7.7 導通特性

7.7.1 飽和區

7.7.2 準飽和區

7.8 開關特性

7.8.1 導通過程

7.8.2 關斷過程

7.9 安全工作區

7.9.1 正向二次擊穿

7.9.2 反向二次擊穿

7.9.3 安全工作區的界限

7.10達林頓結構

7.11小結

習題

參考文獻

第8章 晶閘管

8.1 功率晶閘管結構和工作特性

8.2 阻斷特性

8.2.1 反向阻斷能力

8.2.2 正向阻斷能力

8.2.3 陰極短路

8.2.4 陰極短路的幾何結構

8.3 導通特性

8.3.1 導通狀態

8.3.2 柵極觸發電流

8.3.3 維持電流

8.4 開關特性

8.4.1 開啟時間

8.4.2 柵極設計

8.4.3 放大柵極設計

8.4.4 耐\\[dV/dt\\]能力

8.4.5 關斷過程

8.5 光控晶閘管

8.5.1 耐\\[dI/dt\\]能力

8.5.2 柵極區域設計

8.5.3 光產生的電流密度

8.5.4 放大柵設計

8.6 自保護晶閘管

8.6.1 正向擊穿保護

8.6.2 \\[dV/dt\\]開啟保護

8.7 可關斷晶閘管

8.7.1 基本結構和工作原理

8.7.2 一維關斷準則

8.7.3 一維存儲時間分析

8.7.4 二維存儲時間模型

8.7.5 一維電壓上升時間模型

8.7.6 一維電流下降時間模型

8.7.7 開關能量損失

8.7.8 的關斷電流

8.7胞設計和版圖

8.8 三端雙向可控硅結構

8.8.1 基本結構和工作原理

8.8.2 柵觸發模型1

8.8.3 柵觸發模式2

8.8.4 耐\\[dV/dt\\]能力

8.9 小結

習題

參考文獻

第9章 絕緣柵雙極晶體管

9.1 基本器件結構

9.2 器件工作和輸出特性

9.3 器件等效電路

9.4 阻斷特性

9.4.1 對稱結構正向阻斷性能

9.4.2 對稱結構反向阻斷性能

9.4.3 對稱結構漏電流

9.4.4 非對稱結構正向阻斷性能

9.4.5 非對稱結構反向阻斷性能

9.4.6 非對稱結構漏電流

9.5 通態特性

9.5.1 通態模型

9.5.2 通態載流子分布：對稱結構

9.5.3 導通壓降：對稱結構

9.5.4 通態載流子分布：非對稱結構

9.5.5 導通壓降：非對稱結構

9.5.6 通態載流子分布：透明發射極結構

9.5.7 導通壓降：透明發射極結構

9.6 飽和電流模型

9.6.1 載流子分布：對稱結構

9.6.2 輸出特性：對稱結構

9.6.3 輸出電阻：對稱結構

9.6.4 載流子分布：非對稱結構

9.6.5 輸出特性：非對稱結構

9.6.6 輸出電阻：非對稱結構

……

譯 者 序功率半導體器件作為電力電子繫統中件， 自20世紀70年代發明以來， 一直是現代生活不可或缺的重件，
其應用領域從常見的家用消費類電子設備、汽車電子繫統， 智能電網，
到各類工業設備、動力機車、航天、船舶繫統。作為能源控制領域的核心器件， 估計世界上至少５０％的用電量是由功率器件所控制的，
特別是近年來在全球面臨能源短缺， 環境惡化等考驗時， 如何限度發揮功率半導體器件在能源控制領域的優異特性，
如何優化產品性能來滿足節能減排需求， 實現有限資源的充分利用，
無疑是電力電子領域相關從業人員必須重點關注、了解、解決的重要課題。而這就需要全面深入了解功率半導體器件的基本原理，
理解器件的物理模型及工作機理， 在掌握器件的工作特性後， 纔能真正利用科學技術力量解決與國民生產生活息息相關的重大問題，
不斷提高現代化生活質量。而這也正是科學技術研究工作的真正核心價值體現。本書作者巴利加教授是功率半導體領域公認的專家，
基於他在該領域超過30年的豐富從業經驗， 采用循序漸進的方式， 由淺入深地介紹了功率半導體器件的基本結構， 工作原理， 設計規則，
應用特性、可靠性等方面， 全書配有大量翔實的圖表數據和繪制精美的圖例， 並輔助理論模型公式及數值模擬結果對比，
使讀者在對各類功率半導體器件特性全面繫統認識的同時，
能逐漸深入了解器件工作的內部物理機理。特別是書中包含的大量實際器件的數值模擬結果， 源於作者多年研究工作的豐富積累，
能給讀者對器件工作特性描述以具體、 直觀的理解和感受， 而不是拘泥於復雜的模型公式記憶，
這也是同類教科書中所少有的。對於電力電子領域相關技術人員來說， 無論是從入門開始了解功率半導體器件特性，
還是打算深入研究分析器件的物理特性， 都能從本書中找到所需要的知識內容。因此，
無論是功率半導體領域相關專業研究生作為入門教材或專業研究人員作為案頭參考資料，
都是一本非常具有參考價值的指導書籍。作者前言中敘述了各章節的主要內容， 這裡不再贅述。為了使本書能和廣大讀者盡快見面，
中國科學院微電子研究所一室功率半導體器件相關研究人員參與了本書的翻譯工作。陸江副研究員負責了全書各章節的統一協調彙總。其中第1章和第2章由韓鄭生翻譯，
第3章和第4章由張彥飛翻譯， 第5章和第10章由吳海舟翻譯， 第6章由宋李梅與陸江翻譯， 第7章由李洵翻譯， 第8章由田曉麗翻譯，
第9章由盧爍今與韓鄭生翻譯。審校工作由孫寶剛副研究員協助完成。室主任韓鄭生研究員對全書翻譯工作給予大力支持，
親自參與了書中主要章節的翻譯工作並對全文內容修訂給出了寶貴意見。朱陽軍副研究員為本書翻譯工作提供了大力的支持和資源保障。工作人員褚為利、佘超群、王春林、周宏宇、李牧陽、王金紅參加了一些輔助翻譯工作。王立新副研究員也對本工作給予了支持。對於以上人員的辛勤工作及支持保障，
在此表示感謝。鋻於譯者水平有限， 在翻譯過程中難免有疏漏之處， 懇請廣大讀者不吝賜教。前 言目前半導體產業超過了200，
其中約10%的收入來自於功率半導體器件和智能功率集成電路。功率半導體器件是所有電力電子繫統件。估計世界上至少50%的用電量是由功率器件控制的。隨著電子學在消費、工業、醫療和交通部門的廣泛應用（因為功率器件決定著繫統的成本和效率），
所以它們在經濟方面有著重要的影響。在20世紀50年代固體器件初替代真空管後，
半導體功率器件在硅基材料上已經占有主導地位。這些發展已被稱為第二次電子學革命。初在20世紀50年代開發的雙極型功率器件，
如雙極型晶體管和晶閘管。因為與真空管比較， 半導體器件有許多優點， 對增加這些器件的額定功率有持續的需求。隨著對工作機理認識的深化，
更大直徑、高阻率硅晶圓的使用和更先進的光刻能力的引入， 它們的額定功率和開關頻率也大幅增加。在接下來的20年間，
雙極型器件技術達到了高度的成熟。到20世紀70年代， 雙極型功率晶體管已經可以處理幾百安培電流和大於500
V的電壓阻斷能力。更可觀的是， 開發出在整個4英寸1英寸=2.54 cm——編者注。硅晶圓上可制造單個功率晶閘管的工藝技術，
其額定電壓超過5000 V。在1974年， 我開始涉足功率半導體器件， 當時我受雇於通用電氣公司（General Electric
Company， GE）， 在公司的研發中心新組建的一個組， 從事這類工藝技術。那時，
我剛剛在Rensselaer理工學院完成博士論文，
論文是研究一種創新的化合物半導體外延層生長方法\\[1~4\\]。盡管加入半導體行業後我想探索這種方法，
由於缺乏對這種未證實的生長工藝的興趣， 我不能保住在任何重要研究實驗室的位置。具有諷刺意義的是，
我和Ghandhi教授率先開發的金屬有機物化學氣相澱積（ＭＯＣＶＤ此處原文ＯＭＣＶＤ，
有誤——譯者注。）外延生長工藝現在已成為通用的高質量化合物半導體層生長方法， 該方法應用於激光、
LED和微波晶體管。在ＧＥ我的份工作是開發改善高壓晶閘管的制造工藝，
晶閘管用在電力傳輸業。由於晶閘管應用於高壓直流（ＤＣ）傳輸和電力機車驅動，
重點是在提高額定電壓和電流處理能力方面。使用中子嬗變摻雜能力以產生大電阻N型硅，
同時改善大直徑晶圓的均勻性在當時變成熱點。我幸運地做出一些關鍵的貢獻， 對在中子輻照中引起硅晶格損傷進行退火，
使這種工藝可以商用化\\[５\\]。這樣可以使晶閘管的阻斷電壓（Bｌｏｃｋｉｎｇ Ｖｏｌｔａｇｅ）超過５０００ Ｖ，
同時在單個器件內能處理超過２０００ Ａ的電流。與此同時， 開發的雙極功型率晶體管在中等功率繫統中以提高開關頻率為目標。遺憾的是，
人們發現雙極型晶體管在大電流密度、 高壓工作時， 其電流增益低。針對這個問題流行的解決方法是使用達林頓（Ｄａｒｌｉｎｇｔｏｎ）結構，
該方法具有增加導通壓降的缺點， 其後果是增加功耗。除了控制大電流要用雙極型晶體管外， 由於二次擊穿失效模式，
它們還受到惡劣安全工作區的妨礙。這些問題為設計帶來麻煩， 若用緩衝器網絡， 將增加成本和降低電力控制繫統的效率。在２０世紀７０年代，
功率ＭＯＳ場效應晶體管產品首先由國際整流器公司（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）引入。由於其輸入阻抗高和開關速度快， 雖然初完全替代雙極型功率晶體管的呼聲很高， 針對低壓（小於１００
Ｖ）和高開關速度（大於１００ ｋＨｚ）應用， 功率ＭＯＳ場效應晶體管有成熟的市場，
但是在高壓領域競爭力不強。這是因為功率ＭＯＳ場效應晶體管的導通電阻隨著擊穿電壓增大而迅速增大。甚至當使用更大、 更貴的芯片，
其結果是大的電導損失， 降低整個繫統效率。認識到這些問題，
１９７９年我在功率器件領域提出兩個新推進。個是以ＭＯＳ和雙極器件物理合並為基礎，
創造出一類新的功率器件\\[６\\]。我在ＭＯＳ雙極器件中成功的創新是絕緣柵雙極晶體管（ＩＧＢＴ）。在２０世紀８０年代初期引入商業化不久，
ＩＧＢＴ被整個中功率電氣所采用。現在， 在消費、工業、醫療和其他有益於社會應用領域，
全球有十多家公司制造。ＩＧＢＴ成功與它的巨大增益、高輸入阻抗、寬的安全工作區和開關速度相關，
可以根據應用的工作頻率裁減。為增強功率器件性能，
在１９７９年我建議的第二個方法是用寬禁帶半導體代替硅。這種方法的基礎是我推導與半導體材料基本特性相關的單極功率器件漂移區的導通電阻的公式。從此該公式已被作為巴利加優值（Ｂａｌｉｇａ’ｓ
Fｉｇｕｒｅ ｏｆ Mｅｒｉｔ， ＢＦＯＭ）。除了期望擁有更高的載流子遷移率， 同時降低導通電阻外，
該公式預知導通電阻按照半導體材料擊穿電場強度的立方的倒數而降低。初開發寬禁帶半導體功率器件是在我指導下的位於紐約州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ的通用電氣公司研發中心承擔。目標是平衡在由ＢＦＯＭ預測的砷化鎵漂移區的導通電阻規範減小１３倍。聚集由１０位科學家組成的團隊來處理大電阻率外延層生長、小電阻率歐姆接觸的制造、低肖特基（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接觸漏電和砷化鎵表面鈍化的難題。這導致對砷化鎵擊穿強度\\[７\\]的進一步了解並成功制造出高性能肖特基整流管\\[８\\]和ＭＥＳＦＥＴ\\[９\\]。由ＢＦＯＭ提出的基礎分析理論在此期間得到了實驗驗證。隨後，
幾家公司將商業化的砷化鎵肖特基整流器產品投入市場。在２０世紀８０年代後期， 在北卡羅來納州立大學（Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ
Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
ＮＣＳＵ）用來自ＣＲＥＥ研究公司的商用晶圓開發了碳化硅生長技術。雖然沒有碳化硅踫撞電離繫數的數據，
關於二極管擊穿電壓的早期報告可以預估擊穿電場強度。使用在ＢＦＯＭ預測的這些數據在碳化硅單極器件漂移區導通電阻規範顯著降低１００～２００倍。在１９８８年，
我加入ＮＣＳＵ， 隨後建立了功率半導體器件研究中心（ＰＳＲＣ）（一個工業聯盟）以探索增強理想的功率器件性能為目標。項目開始年，
成功制造出具有４００ Ｖ擊穿電壓的碳化硅肖特基勢壘整流管， 導通壓降約１ Ｖ，
沒有反向恢復瞬變\\[１０\\]。通過改善這些二極管的邊緣， 擊穿電壓可以提高到１０００ Ｖ。用更低摻雜濃度的外延碳化硅材料，
在ＰＳＲＣ已經制造出超過２．５
ｋＶ擊穿電壓的碳化硅肖特基整流管\\[１１\\]。這些結果已經推動世界上許多其他團隊開發碳化硅功率整流管。在這點上，
我有在美國、日本、瑞士瑞典建立國家項目以資助碳化硅技術的特權。與此同時，
在ＰＳＲＣ使用電子束激發方法精確測量出在無缺陷區６Ｈ?ＳｉＣ和４Ｈ?ＳｉＣ踫撞電離繫數\\[１２\\]。使用這些繫數對ＳｉＣ預測超過１０００個ＢＦＯＭ，
為通過這種材料開發功率器件提供更大的動力。盡管高性能、高壓肖特基整流管制造已經相對順利，
適合碳化硅的ＭＯＳ場效應晶體管結構還有問題。現有的硅功率ＤＭＯＳ場效應