絕緣柵雙極型晶體管設計與工藝（IGBT）

電力電子新技術系列圖書序言

前言

第1章器件結構和工作原理1

1.1器件結構1

1.1.1基本特征與元胞結構 1

1.1.2縱向結構 3

1.1.3橫向結構8

1.2工作原理與I-U特性11

1.2.1等效電路與模型11

1.2.2工作原理12

1.2.3物理效應14

1.2.4 I-U特性16

參考文獻24

第2章器件特性分析26

2.1IGBT的靜態(tài)特性26

2.1.1通態(tài)特性26

2.1.2阻斷特性27

2.2IGBT的動態(tài)特性31

2.2.1開通特性31

2.2.2關斷特性34

2.2.3頻率特性40

2.3安全工作區(qū)44

2.3.1FBSOA44

2.3.2RBSOA44

2.3.3SCSOA45

參考文獻46

第3章器件設計48

3.1關鍵電參數的設計48

3.1.1關鍵參數48

3.1.2需要協調的參數49

3.2有源區(qū)結構設計50

3.2.1元胞結構50

3.2.2柵極結構51

3.2.3柵極參數設計52

3.3終端結構設計54

3.3.1場限環(huán)終端設計54

3.3.2場板終端設計56

3.3.3橫向變摻雜終端設計57

3.3.4深槽終端設計58

3.4縱向結構設計59

3.4.1漂移區(qū)設計59

3.4.2緩沖層設計60

3.4.3集電區(qū)設計62

3.4.4增強層設計63

參考文獻65

第4章器件制造工藝67

4.1襯底材料選擇67

4.1.1硅單晶材料67

4.1.2硅外延片69

4.2制作工藝流程69

4.2.1平面柵結構的制作69

4.2.2溝槽柵結構的制作73

4.3基本工藝77

4.3.1熱氧化77

4.3.2摻雜79

4.3.3光刻85

4.3.4刻蝕88

4.3.5化學氣相淀積92

4.3.6物理氣相淀積94

4.3.7減薄與劃片工藝95

4.4工藝質量與參數檢測98

4.4.1工藝質量檢測98

4.4.2工藝參數檢測99

參考文獻103

第5章器件仿真105

5.1半導體計算機仿真的基本概念105

5.1.1工藝仿真105

5.1.2器件仿真106

5.1.3電路仿真107

5.2器件仿真方法、軟件及流程107

5.2.1器件仿真方法（TCAD）107

5.2.2器件仿真與工藝仿真軟件108

5.2.3器件仿真流程111

5.3器件物理模型選取111

5.3.1流體力學能量輸運模型111

5.3.2量子學模型113

5.3.3遷移率模型114

5.3.4載流子復合模型116

5.3.5雪崩產生模型118

5.4器件物理結構與網格劃分119

5.5器件電特性仿真121

5.61200V/100A IGBT設計實例123

5.6.1元胞設計123

5.6.2終端設計128

5.6.3器件工藝設計131

參考文獻144

第6章器件封裝147

6.1封裝技術概述147

6.2封裝基本結構和類型149

6.3封裝關鍵材料及工藝152

6.3.1絕緣基板及其金屬化153

6.3.2底板材料160

6.3.3黏結材料162

6.3.4電氣互聯材料167

6.3.5密封材料168

6.3.6塑料外殼材料170

6.3.7功率半導體芯片170

6.4IGBT模塊封裝設計171

6.4.1熱設計172

6.4.2功能單元174

6.4.3仿真技術應用175

6.5典型封裝技術與工藝183

6.5.1焊接過程184

6.5.2清洗185

6.5.3鍵合188

6.5.4灌膠保護189

6.5.5測試190

6.6IGBT模塊封裝技術的新進展190

6.6.1低溫燒結技術190

6.6.2壓接技術191

6.6.3雙面散熱技術192

6.6.4引線技術192

6.6.5端子連接技術193

6.66SiC器件封裝194

參考文獻194

第7章器件測試195

7.1靜態(tài)參數195

7.1.1集電極-發(fā)射極電壓UCES195

7.1.2柵極-發(fā)射極電壓UGES196

7.1.3最大集電極連續(xù)電流IC197

7.1.4最大集電極峰值電流ICM197

7.1.5集電極截止電流ICES198

7.1.6柵極漏電流IGES199

7.1.7集電極發(fā)射極飽和電壓 UCEsat199

7.1.8柵極-發(fā)射極閾值電壓 UGE(th)200

7.2動態(tài)參數200

7.2.1輸入電容Cies201

7.2.2輸出電容Coes202

7.2.3反向傳輸電容Cres203

7.2.4柵極電荷QG203

7.2.5柵極內阻rg204

7.2.6開通期間的各時間間隔和開通能量205

7.2.7關斷期間的各時間間隔和關斷能量206

7.3熱阻208

7.3.1IGBT的熱阻定義208

7.3.2結-殼熱阻Rth(j-c)和結殼瞬態(tài)熱阻抗Zth(j-c)208

7.4安全工作區(qū)211

7.4.1最大反偏安全工作區(qū)RBSOA211

7.4.2最大短路安全工作區(qū)SCSOA213

7.4.3最大正偏安全工作區(qū)FBSOA215

7.5UIS測試217

7.6可靠性參數測試218

7.6.1高溫阻斷試驗（HTRB）220

7.6.2高溫柵極偏置(HTGB）220

7.6.3高溫高濕反偏（H3TRB）221

7.6.4間歇工作壽命（PC）222

7.6.5溫度循環(huán)（TC）223

參考文獻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閂鎖電流225

8.1.2雪崩耐量231

8.1.3抗短路能力235

8.1.4抗輻射能力238

8.2器件失效分析242

8.2.1過電壓失效243

8.2.2過電流與過熱失效246

8.2.3機械應力失效分析250

8.2.4輻射失效分析252

參考文獻254

第9章器件應用256

9.1IGBT應用系統介紹256

9.1.1IGBT損耗的計算257

9.1.2IGBT電壓、電流等級選取258

9.2IGBT驅動電路與設計259

9.2.1IGBT的柵極驅動電路260

9.2.2柵極電阻選取260

9.2.3驅動電流262

9.2.4柵極保護262

9.2.5死區(qū)時間263

9.3IGBT保護電路263

9.3.1過電流保護電路264

9.3.2過電壓保護電路265

9.3.3過熱保護電路266

9.3.4典型的驅動電路示例267

9.4IGBT評估測試267

9.4.1雙脈沖測試法267

9.4.2雙脈沖測試設備268

參考文獻273

第10章衍生器件及SiC-IGBT274

10.1雙向IGBT274

10.1.1基本結構274

10.1.2器件特性276

10.1.3工藝實現方法278

10.2逆導IGBT279

10.2.1基本結構280

10.2.2器件特性280

10.2.3工藝實現方法283

10.3逆阻IGBT283

10.3.1基本結構283

10.3.2器件特性283

10.3.3工藝實現方法284

10.4超結IGBT284

10.4.1基本結構285

10.4.2器件特性285

10.4.3工藝實現方法287

10.5SiC-IGBT288

參考文獻292