功率半導體器件基礎PDF電子書免費下載

　　本書系統介紹了電力電子領域廣泛應用的各類功率半導體器件。由淺入深地介紹了器件的基本結構、物 理機理、設計原則及應用可靠性，內容以硅功率半導體器件為主，同時也涵蓋了新興的碳化硅功率器件。全書 首先從基本半導體理論開始，依次介紹了各類常用的功率半導體器件，采用物理模型分析及數值模擬驗證結 合的方式，輔助大量詳實的圖表數據，幫助讀者全面透徹理解功率半導體器件的特性。

　　如今，半導體業務超過2000億美元，約占電力半導體器件和智能電力集成電路收入的10%。功率半導體器件是電力電子系統中的關鍵器件。據估計，世界上至少50%的電力由電力設備控制。隨著電子產品在消費、工業、醫療和運輸領域的廣泛應用，電力設備對經濟產生了重大影響，因為它們決定著系統的成本和效率。半導體功率器件自20世紀50年代由固態器件取代真空管后，以硅為基材，占據了主導地位。這些發展被稱為第二次電子革命。

　　雙極型功率器件，如雙極型晶體管和晶閘管，最早是在20世紀50年代發展起來的，由于半導體器件與真空管相比有許多優點，因此不斷需要提高這些器件的功率額定值。它們的額定功率和開關頻率隨著對操作物理的理解、大直徑高電阻率硅片的可用性以及更先進的光刻技術的引入而增加。在接下來的20年里，雙極器件的技術達到了高度成熟。到20世紀70年代，雙極型功率晶體管的電流處理能力達到數百安培，電壓阻斷能力超過500伏。更值得注意的是，這項技術的發展能夠從整個直徑為4英寸、額定電壓超過5000伏的硅晶片上制造出一個單獨的功率晶閘管。

　　我參與電力半導體器件的工作始于1974年，當時我受雇于通用電氣公司的公司研發中心，成立了一個新的小組來研究這項技術。當時，我剛剛在倫斯勒理工學院完成了博士學位，研究了一種新的方法來生長復合半導體的外延層，雖然我想在加入半導體行業后探索這種方法，但我不能保證我的研究能順利進行。由于對這項未經證實的增長技術缺乏興趣，在任何主要的研究實驗室重新擔任職位。具有諷刺意味的是，我和甘迪教授一起開創的OMCVD外延生長過程現在已經成為用于激光、LED和微波晶體管等應用的高質量復合半導體層生長最常用的方法。

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　　我在通用電氣公司的第一項任務是開發用于配電業務的高壓晶閘管的改進工藝。由于晶閘管用于高壓直流輸電和電力機車驅動，因此重點是提高額定電壓和電流處理能力。利用中子嬗變摻雜技術在大直徑晶圓上制備高電阻率n型硅并提高其均勻性的能力在這一時期引起了人們的興趣。我很幸運地為退火中子輻照期間對硅晶格造成的損傷做出了一些關鍵貢獻，使這個過程在商業上可行。單個設備中的電流為0 A。

　　現代社會越來越依賴于用于舒適、交通和醫療保健的電器，這推動了發電、配電和電力管理技術的巨大進步。這些進步歸功于對調節電流的動力裝置性能的提高。在20世紀50年代固態器件取代真空管之后，工業界依賴硅雙極器件，如雙極功率晶體管和晶閘管。盡管這些設備的額定值迅速增長以滿足更廣泛的系統需求，但它們在笨重的控制和保護電路方面的基本限制導致了龐大而昂貴的解決方案。數字電子學的MOS技術的出現也使得在20世紀70年代為功率開關應用創造了一種新的設備。這些硅功率MOSFET在工作電壓相對較低（低于100 V）的高頻應用中得到了廣泛的應用。20世紀80年代，MOS和雙極物理的結合使另一類器件的誕生成為可能。這類器件中最成功的創新是絕緣柵雙極晶體管?；颍?a target='_blank' class='arckwlink_none'>IGBT）：高功率密度、簡單的接口和堅固的IGBT使其成為所有中高功率應用的首選技術，也許高壓直流輸電系統除外。即使是傳統功率晶閘管的最后一個堡壘，也受到集成MOS門控結構的威脅。功率設備是在廣泛功率級和頻率范圍內運行的系統所必需的。在圖1.1中，功率設備的應用顯示為工作頻率的函數。高功率系統，如高壓直流配電系統和機車驅動系統，需要控制在相對較低頻率下運行的兆瓦功率。隨著工作頻率的增加，器件的功率額定值降低，典型的微波器件處理功率約為100W。所有這些應用都由硅器件提供。晶閘管適用于低頻、大功率應用，IGBT適用于中頻和功率應用，功率MOSFET適用于高頻應用。