绝缘栅双极型晶体管设计与工艺（IGBT）

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

3.2.1元胞结构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

5.6.1元胞设计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器件特性283

10.3.3工艺实现方法284

10.4超结IGBT284

10.4.1基本结构285

10.4.2器件特性285

10.4.3工艺实现方法287

10.5SiC-IGBT288

参考文献292