功率半导体器件基础PDF电子书免费下载

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标签:晶体管(1664)IGBT(907)半导体(6598)MOSFET(1627)

  本书系统介绍了电力电子领域广泛应用的各类功率半导体器件。由浅入深地介绍了器件的基本结构、物 理机理、设计原则及应用可靠性,内容以硅功率半导体器件为主,同时也涵盖了新兴的碳化硅功率器件。全书 首先从基本半导体理论开始,依次介绍了各类常用的功率半导体器件,采用物理模型分析及数值模拟验证结 合的方式,辅助大量详实的图表数据,帮助读者全面透彻理解功率半导体器件的特性。

  如今,半导体业务超过2000亿美元,约占电力半导体器件和智能电力集成电路收入的10%。功率半导体器件是电力电子系统中的关键器件。据估计,世界上至少50%的电力由电力设备控制。随着电子产品在消费、工业、医疗和运输领域的广泛应用,电力设备对经济产生了重大影响,因为它们决定着系统的成本和效率。半导体功率器件自20世纪50年代由固态器件取代真空管后,以硅为基材,占据了主导地位。这些发展被称为第二次电子革命。

  双极型功率器件,如双极型晶体管晶闸管,最早是在20世纪50年代发展起来的,由于半导体器件与真空管相比有许多优点,因此不断需要提高这些器件的功率额定值。它们的额定功率和开关频率随着对操作物理的理解、大直径高电阻率硅片的可用性以及更先进的光刻技术的引入而增加。在接下来的20年里,双极器件的技术达到了高度成熟。到20世纪70年代,双极型功率晶体管的电流处理能力达到数百安培,电压阻断能力超过500伏。更值得注意的是,这项技术的发展能够从整个直径为4英寸、额定电压超过5000伏的硅晶片上制造出一个单独的功率晶闸管。

  我参与电力半导体器件的工作始于1974年,当时我受雇于通用电气公司的公司研发中心,成立了一个新的小组来研究这项技术。当时,我刚刚在伦斯勒理工学院完成了博士学位,研究了一种新的方法来生长复合半导体的外延层,虽然我想在加入半导体行业后探索这种方法,但我不能保证我的研究能顺利进行。由于对这项未经证实的增长技术缺乏兴趣,在任何主要的研究实验室重新担任职位。具有讽刺意味的是,我和甘迪教授一起开创的OMCVD外延生长过程现在已经成为用于激光LED和微波晶体管等应用的高质量复合半导体层生长最常用的方法。

  我在通用电气公司的第一项任务是开发用于配电业务的高压晶闸管的改进工艺。由于晶闸管用于高压直流输电和电力机车驱动,因此重点是提高额定电压和电流处理能力。利用中子嬗变掺杂技术在大直径晶圆上制备高电阻率n型硅并提高其均匀性的能力在这一时期引起了人们的兴趣。我很幸运地为退火中子辐照期间对硅晶格造成的损伤做出了一些关键贡献,使这个过程在商业上可行。单个设备中的电流为0 A。

  现代社会越来越依赖于用于舒适、交通和医疗保健的电器,这推动了发电、配电和电力管理技术的巨大进步。这些进步归功于对调节电流的动力装置性能的提高。在20世纪50年代固态器件取代真空管之后,工业界依赖硅双极器件,如双极功率晶体管和晶闸管。尽管这些设备的额定值迅速增长以满足更广泛的系统需求,但它们在笨重的控制和保护电路方面的基本限制导致了庞大而昂贵的解决方案。数字电子学的MOS技术的出现也使得在20世纪70年代为功率开关应用创造了一种新的设备。这些硅功率MOSFET在工作电压相对较低(低于100 V)的高频应用中得到了广泛的应用。20世纪80年代,MOS和双极物理的结合使另一类器件的诞生成为可能。这类器件中最成功的创新是绝缘栅双极晶体管。或(IGBT):高功率密度、简单的接口和坚固的IGBT使其成为所有中高功率应用的首选技术,也许高压直流输电系统除外。即使是传统功率晶闸管的最后一个堡垒,也受到集成MOS门控结构的威胁。功率设备是在广泛功率级和频率范围内运行的系统所必需的。在图1.1中,功率设备的应用显示为工作频率的函数。高功率系统,如高压直流配电系统和机车驱动系统,需要控制在相对较低频率下运行的兆瓦功率。随着工作频率的增加,器件的功率额定值降低,典型的微波器件处理功率约为100W。所有这些应用都由硅器件提供。晶闸管适用于低频、大功率应用,IGBT适用于中频和功率应用,功率MOSFET适用于高频应用。

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