絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)設(shè)計(jì)與工藝
定 價(jià):98 元
叢書名:“十三五”國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目電力電子新技術(shù)系列圖書
- 作者:趙善麒
- 出版時(shí)間:2018/10/1
- ISBN:9787111604983
- 出 版 社:機(jī)械工業(yè)出版社
- 中圖法分類:TN386.2
- 頁碼:
- 紙張:膠版紙
- 版次:
- 開本:16開
IGBT是新型高頻電力電子技術(shù)的CPU,是目前國家重點(diǎn)支持的核心器件,被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。本書共分10章,包括器件結(jié)構(gòu)和工作原理、器件特性分析、器件設(shè)計(jì)、器件制造工藝、器件仿真、器件封裝、器件測試、器件可靠性和失效分析、器件應(yīng)用和衍生器件及SiC-IGBT。
本書面向電氣、自動(dòng)化、新能源等領(lǐng)域從事電力電子技術(shù)的廣大工程技術(shù)人員和研究生,既滿足從事器件設(shè)計(jì)、制造、封裝、測試專業(yè)人員的知識和技術(shù)需求,也兼顧器件應(yīng)用專業(yè)人員對器件深入了解以滿足更好應(yīng)用IGBT的愿望。
絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是在金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET) 和雙極結(jié)型晶體管 (Bipolar Junction Transistor,BJT) 的基礎(chǔ)上,結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來的一種新型復(fù)合電力半導(dǎo)體器件。經(jīng)過穿通型(Punch-Through,PT)IGBT、非穿通型 (Non-Punch-Through,NPT)IGBT和場阻止型(FieldStop,F(xiàn)S)IGBT等器件縱向結(jié)構(gòu)的進(jìn)化,從平面柵(Planar-Gate)IGBT、到溝槽柵(Trench-Gate)IGBT的柵結(jié)構(gòu)演變,已成為高電壓、大電流、高頻電力電子裝置中應(yīng)用最為廣泛的電力半導(dǎo)體器件。其應(yīng)用遍布于工控領(lǐng)域,如電機(jī)調(diào)速、各種開關(guān)電源、UPS、靜電感應(yīng)加熱等;家用電器,如變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)、變頻冰箱、電磁爐等;新能源領(lǐng)域,如太陽能逆變器、風(fēng)能變流器、電動(dòng)汽車、電能質(zhì)量管理等;軌道交通,如動(dòng)車、地鐵的牽引系統(tǒng)、車廂的變流裝備、車載空調(diào)等;還有,智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng);城市照明與亮化工程;醫(yī)療器械和半導(dǎo)體裝置;航天航空與軍事等。使用IGBT,可以將原有電力電子裝備的電能消耗降低10%~40%,根據(jù)Baliga教授引用的數(shù)據(jù),1990~2010年的20年間,如果50%的電機(jī)采用IGBT調(diào)速控制技術(shù),全球累計(jì)節(jié)約電能41.9萬億kW•h。同時(shí),減少20.91萬億kg的二氧化碳排放。我國生產(chǎn)和利用的電機(jī)普遍低于三級能效標(biāo)準(zhǔn),如果要達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn),需要采用IGBT調(diào)速控制技術(shù)將電機(jī)整體能效提升5%~8%,屆時(shí),每年可節(jié)約電能2000億kW•h左右,相當(dāng)于兩個(gè)三峽電站的年發(fā)電量,減少約1800億kg的二氧化碳排放?梢,IGBT已經(jīng)成為節(jié)能減排的核心器件,是電力電子裝備中綠色的芯。目前我國IGBT的市場規(guī)模在2016年已經(jīng)超過了100億,約占全球市場的三分之一。未來幾年在電動(dòng)汽車、光伏及智能制造的牽引下,IGBT的需求量將以超過15%的年復(fù)合增長率增長。但具有中國“芯”的IGBT器件,市場占有率不高,產(chǎn)品系列化不全。國產(chǎn)IGBT器件要有大發(fā)展,需要從設(shè)計(jì)方法、芯片制造工藝、封裝、測試及可靠性技術(shù)方面下功夫,需要扎扎實(shí)實(shí)地做好大量的基礎(chǔ)工作。
作為“電力電子新技術(shù)系列圖書”中的一冊,本書系統(tǒng)地介紹了IGBT器件基本結(jié)構(gòu)和工作原理、靜動(dòng)態(tài)特性、仿真設(shè)計(jì)、制造工藝、測試技術(shù)及可靠性與失效分析等內(nèi)容,并給出了一些典型應(yīng)用實(shí)例。本書還簡要介紹了IGBT的衍生器件和碳化硅IGBT的最新發(fā)展。
本書可以作為電子信息科學(xué)與技術(shù)及電力電子技術(shù)等相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的參考書,也可為IGBT應(yīng)用工程師提供器件方面的專業(yè)知識。
本書的整體架構(gòu)和寫作大綱是由江蘇宏微科技股份有限公司趙善麒博士提出并撰寫,并參與了部分章節(jié)的撰寫和審核。西安工程大學(xué)高勇教授和西安理工大學(xué)王彩琳教授分別撰寫了主要章節(jié)并對全書進(jìn)行了審核。參與本書撰寫工作的還有西安工程大學(xué)馮松博士、江蘇宏微科技股份有限公司姚天保高級工程師、劉清軍高級工程師、西安理工大學(xué)楊媛教授、江蘇力行電力電子科技有限公司錢昶博士以及魏進(jìn)博士。江蘇宏微科技股份有限公司井亞會碩士參與了本書的整理和校對工作。另外西安交通大學(xué)楊旭教授對本書應(yīng)用章節(jié)也提出了寶貴的意見,在此表示感謝!雖經(jīng)過幾輪修改,但水平有限,書中錯(cuò)誤和不當(dāng)之處敬請讀者和同行批評指正。
本書的編寫提綱得到了“電力電子新技術(shù)系列圖書”編委會的指導(dǎo),作者在此向他們深表謝意!
作者
趙善麒,江蘇宏微科技股份有限公司董事長、總裁,研究員,享受國務(wù)院特殊津貼,是中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會常務(wù)理事、中國電源學(xué)會理事和中國電工技術(shù)學(xué)會電氣節(jié)能專委會理事。他是國內(nèi)首位電力半導(dǎo)體器件博士,1994年赴法國里昂國立科學(xué)學(xué)院從事博士后研究,曾在香港科技大學(xué)和美國從事多年研究工作。2006年,他在常州創(chuàng)辦江蘇宏微科技股份有限公司,公司設(shè)有江蘇省“企業(yè)院士工作站”,并已承擔(dān)10余項(xiàng)科研項(xiàng)目、3項(xiàng)省級科研項(xiàng)目,獲得37項(xiàng)國家專利、3項(xiàng)國際專利、2項(xiàng)軟件著作權(quán),擁有7項(xiàng)省高新技術(shù)產(chǎn)品。宏微科技被認(rèn)定為科技部“國家重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)” “國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范基地”“江蘇省高新技術(shù)企業(yè)”,是江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目承擔(dān)單位。他入選中組部“千人計(jì)劃”和我省首批“雙創(chuàng)計(jì)劃”,并先后被江蘇省委、省政府評為“江蘇省勞動(dòng)模范”、十大“江蘇留學(xué)回國先進(jìn)個(gè)人”,被江蘇省僑辦評為“江蘇十佳創(chuàng)業(yè)新僑”。
電力電子新技術(shù)系列圖書序言
前言
第1章器件結(jié)構(gòu)和工作原理1
1.1器件結(jié)構(gòu)1
1.1.1基本特征與元胞結(jié)構(gòu) 1
1.1.2縱向結(jié)構(gòu) 3
1.1.3橫向結(jié)構(gòu)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(yīng)14
1.2.4 I-U特性16
參考文獻(xiàn)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(dòng)態(tài)特性31
2.2.1開通特性31
2.2.2關(guān)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(xiàn)46
第3章器件設(shè)計(jì)48
3.1關(guān)鍵電參數(shù)的設(shè)計(jì)48
3.1.1關(guān)鍵參數(shù)48
3.1.2需要協(xié)調(diào)的參數(shù)49
3.2有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)50
3.2.1元胞結(jié)構(gòu)50
3.2.2柵極結(jié)構(gòu)51
3.2.3柵極參數(shù)設(shè)計(jì)52
3.3終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)54
3.3.1場限環(huán)終端設(shè)計(jì)54
3.3.2場板終端設(shè)計(jì)56
3.3.3橫向變摻雜終端設(shè)計(jì)57
3.3.4深槽終端設(shè)計(jì)58
3.4縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)59
3.4.1漂移區(qū)設(shè)計(jì)59
3.4.2緩沖層設(shè)計(jì)60
3.4.3集電區(qū)設(shè)計(jì)62
3.4.4增強(qiáng)層設(shè)計(jì)63
參考文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)的制作69
4.2.2溝槽柵結(jié)構(gòu)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(xué)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(zhì)量與參數(shù)檢測98
4.4.1工藝質(zhì)量檢測98
4.4.2工藝參數(shù)檢測99
參考文獻(xiàn)103
第5章器件仿真105
5.1半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)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(xué)能量輸運(yùn)模型111
5.3.2量子學(xué)模型113
5.3.3遷移率模型114
5.3.4載流子復(fù)合模型116
5.3.5雪崩產(chǎn)生模型118
5.4器件物理結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分119
5.5器件電特性仿真121
5.61200V/100A IGBT設(shè)計(jì)實(shí)例123
5.6.1元胞設(shè)計(jì)123
5.6.2終端設(shè)計(jì)128
5.6.3器件工藝設(shè)計(jì)131
參考文獻(xiàn)144
第6章器件封裝147
6.1封裝技術(shù)概述147
6.2封裝基本結(jié)構(gòu)和類型149
6.3封裝關(guān)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(jié)材料162
6.3.4電氣互聯(lián)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(dǎo)體芯片170
6.4IGBT模塊封裝設(shè)計(jì)171
6.4.1熱設(shè)計(jì)172
6.4.2功能單元174
6.4.3仿真技術(shù)應(yīng)用175
6.5典型封裝技術(shù)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(hù)189
6.5.5測試190
6.6IGBT模塊封裝技術(shù)的新進(jìn)展190
6.6.1低溫?zé)Y(jié)技術(shù)190
6.6.2壓接技術(shù)191
6.6.3雙面散熱技術(shù)192
6.6.4引線技術(shù)192
6.6.5端子連接技術(shù)193
6.66SiC器件封裝194
參考文獻(xiàn)194
第7章器件測試195
7.1靜態(tài)參數(shù)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(dòng)態(tài)參數(shù)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(nèi)阻rg204
7.2.6開通期間的各時(shí)間間隔和開通能量205
7.2.7關(guān)斷期間的各時(shí)間間隔和關(guān)斷能量206
7.3熱阻208
7.3.1IGBT的熱阻定義208
7.3.2結(jié)-殼熱阻Rth(j-c)和結(jié)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(shù)測試218
7.6.1高溫阻斷試驗(yàn)(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(xiàn)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(jī)械應(yīng)力失效分析250
8.2.4輻射失效分析252
參考文獻(xiàn)254
第9章器件應(yīng)用256
9.1IGBT應(yīng)用系統(tǒng)介紹256
9.1.1IGBT損耗的計(jì)算257
9.1.2IGBT電壓、電流等級選取258
9.2IGBT驅(qū)動(dòng)電路與設(shè)計(jì)259
9.2.1IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路260
9.2.2柵極電阻選取260
9.2.3驅(qū)動(dòng)電流262
9.2.4柵極保護(hù)262
9.2.5死區(qū)時(shí)間263
9.3IGBT保護(hù)電路263
9.3.1過電流保護(hù)電路264
9.3.2過電壓保護(hù)電路265
9.3.3過熱保護(hù)電路266
9.3.4典型的驅(qū)動(dòng)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(shè)備268
參考文獻(xiàn)273
第10章衍生器件及SiC-IGBT274
10.1雙向IGBT274
10.1.1基本結(jié)構(gòu)274
10.1.2器件特性276
10.1.3工藝實(shí)現(xiàn)方法278
10.2逆導(dǎo)IGBT279
10.2.1基本結(jié)構(gòu)280
10.2.2器件特性280
10.2.3工藝實(shí)現(xiàn)方法283
10.3逆阻IGBT283
10.3.1基本結(jié)構(gòu)283
10.3.2器