电力半导体新器件及其制造技术
《电力半导体新器件及其制造技术》是2015年机械工业出版社出版的图书，作者是王彩琳。
电力半导体新器件及其制造技术基本信息
| 书 名 | 电力半导体新器件及其制造技术 | 作 者 | 王彩琳 |
|---|---|---|---|
| ISBN | 9787111475729 | 定 价 | 99.00 |
| 出版社 | 机械工业出版社 | 出版时间 | 2015-06 |
| 装 帧 | 平装 | 开 本 | 16 |
| 丛书名 | 电力电子新技术系列图书 | ||
前言
第1章绪论1
1.1电力半导体器件概述1
1.1.1与电力电子技术关系1
1.1.2定义与分类3
1.2发展概况6
1.2.1电力半导体器件的发展6
1.2.2制造技术的发展10
参考文献13
第2章功率二极管14
2.1普通功率二极管14
2.1.1结构类型14
2.1.2工作原理与I-U特性15
2.1.3静态与动态特性17
2.2快速软恢复二极管24
2.2.1结构类型25
2.2.2软恢复的机理及控制28
2.3功率肖特基二极管35
2.3.1结构类型与制作工艺36
2.3.2工作原理与I-U特性38
2.3.3静态特性39
2.4功率二极管的设计43
2.4.1普通功率二极管的设计43
2.4.2快速软恢复二极管的设计45
2.4.3功率肖特基二极管的设计47
2.5功率二极管的应用与失效分析48
2.5.1安全工作区及其限制因素48
2.5.2失效分析51
2.5.3特点与应用范围53
参考文献54
第3章晶闸管及其集成器件57
3.1普通晶闸管结构57
3.1.1结构类型57
3.1.2工作原理与特性60
3.1.3静态与动态特性65
3.2门极关断晶闸管（GTO）76
3.2.1结构概述76
3.2.2工作原理与特性79
3.2.3静态与动态特性82
3.2.4硬驱动技术86
3.3集成门极换流晶闸管（IGCT）88
3.3.1结构特点88
3.3.2工作原理与I-U特性92
3.3.3静态与动态特性97
3.3.4关键技术及其原理100
3.3.5驱动电路与特性参数111
3.4其他集成器件116
3.4.1发射极关断晶闸管（ETO）116
3.4.2MOS关断晶闸管（MTO）119
3.5晶闸管的设计122
3.5.1设计方法概述122
3.5.2超高压晶闸管的设计125
3.5.3大电流GTO的设计128
3.5.4IGCT的设计131
3.6晶闸管的应用可靠性与失效分析136
3.6.1普通晶闸管的失效分析136
3.6.2GTO的可靠性与失效分析138
3.6.3IGCT的可靠性与失效分析142
3.6.4晶闸管的特点与应用范围149
参考文献150
第4章功率MOSFET155
4.1功率MOSFET的结构类型及特点155
4.1.1基本结构156
4.1.2横向结构158
4.2功率MOSFET的工作原理与特性159
4.2.1等效电路159
4.2.2工作原理与特性参数160
4.2.3静态与动态特性167
4.3超结MOSFET180
4.3.1基本结构及等效电路181
4.3.2派生结构182
4.3.3静态与动态特性185
4.4功率MOSFET的设计190
4.4.1纵向结构的设计190
4.4.2横向结构的设计191
4.5功率MOSFET的应用可靠性与失效分析194
4.5.1应用可靠性194
4.5.2失效分析196
4.5.3特点与应用范围201
参考文献201
第5章绝缘栅双极型晶体管（IGBT）205
5.1普通IGBT205
5.1.1结构特点与典型工艺205
5.1.2工作原理与I-U特性211
5.1.3静态与动态特性218
5.2注入增强型IGBT234
5.2.1结构特点与典型工艺234
5.2.2工作原理与注入增强效应238
5.2.3静态与动态特性242
5.3集成化IGBT245
5.3.1逆阻IGBT245
5.3.2双向IGBT247
5.3.3逆导IGBT249
5.3.4双模式IGBT253
5.3.5超结IGBT254
5.4IGBT的设计257
5.4.1纵向结构的设计257
5.4.2横向结构的设计260
5.4.3防闩锁的设计264
5.5IGBT的应用可靠性与失效分析266
5.5.1可靠性266
5.5.2失效分析273
5.5.3应用与发展趋势280
参考文献282
第6章功率集成技术287
6.1功率集成技术简介287
6.1.1功率集成概念287
6.1.2功率集成形式287
6.1.3功率集成意义288
6.2功率集成电路289
6.2.1概述289
6.2.2电场调制技术290
6.2.3横向高压器件292
6.2.4隔离技术308
6.2.5设计技术314
6.2.6发展与应用范围318
6.3功率模块320
6.3.1概述320
6.3.2基本构成321
6.3.3封装技术325
6.3.4特能与可靠性333
6.3.5失效分析与安全性339
6.3.6发展趋势341
参考文献342
第7章电力半导体器件的结终端技术347
7.1常见的结终端技术347
7.1.1平面结终端技术347
7.1.2台面结终端技术352
7.1.3结终端特性的表征357
7.1.4结终端的制作工艺358
7.2常用结终端结构359
7.2.1功率二极管的结终端结构360
7.2.2MOS型浅结器件的结终端结构361
7.2.3晶闸管的结终端结构363
7.2.4HVIC的结终端结构365
7.3结终端结构的设计366
7.3.1概述366
7.3.2浅结器件复合结终端的设计369
7.3.3深结器件复合结终端的设计372
参考文献376
第8章电力半导体器件的制造技术380
8.1概述380
8.1.1发展概况380
8.1.2主要制造技术内容381
8.2衬底材料制备技术382
8.2.1硅衬底382
8.2.2SOI衬底384
8.3基本制造工艺385
8.3.1热氧化385
8.3.2热扩散388
8.3.3离子注入398
8.3.4光刻与刻蚀403
8.3.5化学气相淀积410
8.3.6物理气相淀积413
8.3.7背面减薄工艺414
8.3.8PIC典型工艺415
8.4寿命控制技术417
8.4.1少子寿命417
8.4.2吸杂技术419
8.4.3辐照技术421
8.4.4应用举例426
8.5硅-硅直接键合技术429
8.5.1技术特点429
8.5.2键合的机理与方法430
8.5.3应用举例432
8.6封装技术438
8.6.1中小功率器件的封装438
8.6.2大功率器件的封装441
参考文献443
第9章电力半导体器件的应用共性技术449
9.1电力半导体器件的驱动电路449
9.1.1概述449
9.1.2电流驱动450
9.1.3电压驱动453
9.2电力半导体器件的串并联技术455
9.2.1概述455
9.2.2功率二极管的串并联456
9.2.3普通晶闸管的串并联458
9.2.4GTO的串并联460
9.2.5IGCT的串并联462
9.2.6IGBT模块的串并联465
9.3电力半导体器件的过应力保护469
9.3.1概述469
9.3.2保护元器件473
9.3.3吸收电路476
9.3.4保护电路477
9.3.5软开关技术485
9.4电力半导体器件的热传输与热分析486
9.4.1功耗486
9.4.2热传输与热阻488
9.4.3热分析493
9.5电力半导体器件的合理使用496
9.5.1可靠性496
9.5.2有效保护497
9.5.3降额使用498
参考文献498
第10章电力半导体器件的数值
分析与仿真技术500
10.1数值分析方法500
10.1.1概述500
10.1.2电特性仿真502
10.1.3热特性仿真504
10.2MEDICI软件使用实例506
10.2.1使用方法506
10.2.2仿真实例508
10.3ISE软件使用实例519
10.3.1DIOS模块519
10.3.2MDRAW模块523
10.3.3DESSIS模块533
10.4ANSYS软件使用实例542
10.4.1软件介绍543
10.4.2分析实例544
参考文献554 2100433B
电力半导体新器件及其制造技术造价信息
本书介绍了电力半导体器件的结构、原理、特性、设计、制造工艺、可靠性与失效机理、应用共性技术及数值模拟方法。内容涉及功率二极管、晶闸管及其集成器件（包括GTO、IGCT、ETO及MTO）、功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及电力半导体器件的功率集成技术、结终端技术、制造技术、共性应用技术、数值分析与仿真技术。重点对功率二极管的快软恢复控制、GTO的门极硬驱动、IGCT的透明阳极和波状基区、功率MOSFET的超结及IGBT的电子注入增强（IE）等新技术进行了详细介绍。
本书可作为电子科学与技术、电力电子与电气传动等学科的本科生、研究生专业课程的参考书，也可供从事电力半导体器件制造及应用的工程技术人员和有关科技管理人员参考。
电力半导体新器件及其制造技术常见问题
-
半导体元器件（semiconductor device）通常，这些半导体材料是硅、锗或砷化镓，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。为了与集成电路相区别，有时也称为分立器件。绝大部分二端...
-
二极管的基本特性就是单向导电性。检修测量时通过两个方向的截止和导通情况来判断是否损坏。二极管的主要参数有反向电压、持续正向电流、正向导通电压、耗散功率和反向恢复时间（决定适用工作频率）。不同型号的二极...
-
离散是指分立器件，即由电阻电容电感组成的功能性产品，lEC中半导体分4大分支:集成电路，传感器，分立器件，封装。
电力半导体新器件及其制造技术文献
特大功率电力半导体器件性能产能提升和碳化硅器件研发项目(送审
特大功率电力半导体器件性能产能提升和碳化硅器件研发项目 (送审 碱调解中和处理，然后进入生化处理系统进行处理，然后排入城市 污水管网食堂餐饮污水先经隔油池处理， 再与生活污水一起经化粪池 处理，然后排入城市污水管网，最后排入 Xi 安第二污水处理厂。排 水水质符合 DB61/224-XXXX 下一级环境保护行政主管部门的审查意 见 :公章经办人 :256年 1月日+ 44 批准意见 :公章经办人 :4月 45 西部企业环境技术有限公司评价证书类别 :乙级环评报告 -11 月 30 日。 -- XXXX 建设项目环境影响报告表 项目名称 : 超高功率半导体器件性能和生产率的提高和 碳化硅开发项目 建设单位 (盖章 ):Xi 安派瑞功率半导体转换器技术有 限公司 编制日期 :11月 30日，XXXX 国家环保总局 《建设项目环境影响报告表》编制说明 《建设项目环境影响报告表》由具有
半导体变流技术的发展,立足于电力半导体器件的发展。继电子离子器件之后,电力半导体器件是以美国1956年生产硅整流管〔RS)、1958年生产晶闸管(CSR)为起始点逐渐发展起来的。经过了40多年的发展,在器件制造技术上不断提高,己经历了以晶闸管为代表的分立器件,以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、功率MOSFET、绝缘栅双极性晶体管(IBT为代表的功率集成器件(PI,以及以智能化功率集成电路(SPIC)、高压功率集成电路H(VIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID、PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件,从而实现了真正意义上的可控硅。在器件的控制模式上,从电流型控制模式发展到电压型控制模式,不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率,而且大大提高了器件导通与关断的转换速度,从而使器件的工作频率由工频一中频~高频不断提高。在器件结构上,从分立器件,发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块,继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速,今天己经开发出具有智能化功能的模块(PIM)。
以SPIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段,使电力电子技术与微电子技术更紧密地结合在了一起,是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化的功率集成电路。它实现了器件与电路的集成,强电与弱电、功率流与信息流的集成,成为机和电之间的智能化接口,机电一体化的基础单元,预计PIC的发展将会使电力电子技术实现第二次革命,进入全新的智能化时代。这一阶段还处在初期发展中。
变流技术的发展与应用范围
电力电子技术根据用电场合而改变电能的应用方式即所谓"变流"。变流技术发展到今天,其按其实现的功能大致分为5个方面:
1)整流:实现AC/DC变换;
2)逆变:实现DC/AC变换;
3)变频:实现AC/AC(AC/DC/AC)变换;
4)斩波:实现DC/DC(AC/DC/DC)变换;
5)静止式固态断路器:实现无触点的开关、断路器的功能,控制电能的通
断。
变流技术的发展变流技术的发展,已经历了三个阶段。
1.第一阶段
第一阶段是基于电子管、离子管(闸流管、汞弧变流器、高压汞弧阀)的发展与应用,当时把这一学科称作工业电子学(nIdustrialElectornics)o这一阶段的研究工作,主要是集中在整流、逆变和变频技术的开发上。变流技术的应用领域主要是直流传动,直流牵引,电化、电冶、中频、高频淬火、加热,高压直流输电等。由于直流传动,直流牵引,电化电冶在变流技术应用中占有压倒的优势,因此,那时将直流传动、牵引、电化称作变流行业的三大支柱。其实从变流技术的分类来看,它属于整流变换,是变流技术的一小部分。
2.第二阶段
第二阶段是基于硅整流管和晶闸管,而主要是晶闸管的发展与应用。电力电子学(PowerElectornics)在我国始于20世纪60年代初,并取代了工业电子学。由于变流技术的基本理论-整流、逆变、变频技术的研究,可以说在第一阶段已经完成,这已不是第二阶段的研究主题。这一阶段主要是针对硅整流管、晶闸管取代电子管、离子管以后出现的新问题(如硅整流管、晶闸管的阻断电压不高,通态电流不大,耐受过电压、过电流冲击能力不强,应用中稍有异常状况出现,便会造成器件永久性损坏)开展的应用研究,诸如触发电路的研究、器件并联均流措施的研究、器件串联均压措施的研究、器件换相过程中防止开通过电流、关断过电压的缓冲(阻尼)电路的研究、变流装置过电压保护、过电流保护、过热保护的研究,以及器件的热容量与变流系统故障时系统短路电流及快速熔断器短路容量的保护配合研究等。随着器件制造水平的不断提高,变流装置保护措施的不断完善,使得硅整流管、晶闸管在变流装置中的应用技术日趋成熟。
3.第三阶段
第三阶段是基于全控型电力半导体器件的发展与应用,是半导体电力变流器向高频化发展的阶段,也是变流装置的控制方式由移相控制(PhaseshiftContor)l向时间比率控制(TimeRatioConiorl一TRC)发展的阶段。时下将采用上述二种控制方式的变流装置(电源)简单地称作相控电源和开关电源的说法是不确切的,这是因为在半导体电力变流器中,承担功率变换的电力电子器件就是作为无触点开关来应用的,无论是相控电源还是时间比率控制电源都是工_作在开关状态,因此,称为移相控制电源和时间比率控制电源的比较确切。
第三阶段的发展是随着全控型器件的发展而逐渐展开的。首先以GTO、G1'R等双极型全控器件的应用为代表,使逆变、变频、斩波变换电路的结构大为简化,使变换的频率可以提高到20kHz左右,为电气设备的高频化、小型化、高效、节能、节材奠定了基础。但是由于GTO、GTR是电流型控制器件,控制电路功率大,且变换频率也不能很高。随着变换频率的不断提高,PWM电路的缺点便逐渐暴露了出来。由于P枷电路属硬开关电路,一方面使电路中的变换器件工作时所承受的电压应力及电流应力大,同时变换过程中高的dy/dt、di/dt又会产生严重的电磁干扰,使电气电子设备电磁兼容的问题突出;另一方面器件开通与关断损耗的问题逐渐棘手,严重制约了变换频率的进一步提高。于是建立在谐振、准谐振原理之上的软开关电路,即所谓的零电压开关(ZVS)与零电流开关(CzS)电路问世。它是利用谐振进行换相的一种新型变流电路,实现了器件在零电压下的导通和零电流下的关断,从而大大降低了器件的开关损耗,这样一来,TCR技术+软开关技术使得变换频率进一步得到提高。
（1）高速BiCMOS器件制作技术
1）以CMOS为基础的BiCMOS工艺
BiCMOS技术是将单、双极两种工艺合适地融合在一起的技术，但这绝不是简单、机械地掺和在一起，很多工艺可以一块儿或设法结合在一起做。BiCMOS工艺主要有两种：一是以CMOS为基础的BiCMOS工艺，这种工艺对保证CMOS器件的性能较为有利；二是以双极工艺为基础的BiCMOS工艺，这种工艺比较张扬BJT器件的性能。图1是以CMOS为基础的0.8μm BiCMOS器件的纵向剖面图。
BiCMOS－C型是只使用少数双极性晶体管来驱动长线一输出缓存器，而BiCMOS－E型则主要是以ECL技术为主，用CMOS晶体管做为大型存储部件。这两种类型的BiCMOS由于需要将双极性晶
双极-CMOS集成电路(BiCMOS)体管和MOSFET（金属氧化半导体场效应晶体管）集成于同一芯片，生产工艺复杂，比制造同种复杂程序的CMOS器件花费要高，它的成功与否将取决于CMOS、GaAs在其各自应用领域取得成功的程度。BiCMOS－E性能不及GaAs与纯ECL技术，因此在高档应用场合性能不能与GaAs与纯ECL相抗衡。另一方面，BiCMOS的价格又不如CMOS便宜，因此，BiCMOS－C必须争取在价格上接近于CMOS，而在性能上又要能赶上GaAs技术。
由图1可见，以外延双阱CMOS工艺为基础，在N阱内增加了N 埋层和集电极接触深N 注入（图中左边BJT），以减少BJT器件的集电极串联电阻阻值，降低饱和管压降；用P 区（或N 区）注入制作基区；发射区采取多晶硅掺杂形式，与MOS器件的栅区掺杂形式一致，制作多晶硅BJT器件。因此这种高速BiCMOS制造工艺原则上不需要增加其它的重要工序。
2）以双极工艺为基础的BiCMOS工艺
在国外，先进的双极工艺一旦被开发出来，就被用于BiCMOS工艺。以双极工艺为基础的BiCMOS工艺即为一例，这种工艺的BiCMOS既顾全了CMOS器件，使其与纯CMOS工艺中的器件相比性能毫不逊色；同时又兼顾了BJT器件，使其与新的纯双极工艺中的器件不相上下。
这种工艺是在双阱CMOS工艺中加上精心设计的4张版图来制作BJT器件的。该BiCMOS工艺中BJT器件的外基区和PMOS管的源、漏区同时形成，BJT器件的发射区可与NMOS管的源、漏区同时形成。所制作的BiCMOS器件纵向剖面图如图2所示。
双极-CMOS集成电路(BiCMOS)
（2）高速BiCMOS电路制作工艺和微细加工技术的特殊考虑
1）双阱结构中的阱结构尺寸及其埋层
对BiCMOS电路来说，需要仔细研究CMOS阱和BJT器件的集电极的工艺要求。一个主要的工艺设计折衷方案涉及到外延层和阱的轮廓特性。对于BJT器件，一方面集电极-发射极之间的反向击穿电压U（BR）CEO、集电极电阻和电容，以及生产工艺的可控制性决定了外延层的最低厚度；另一方面，如果外延层太厚，特征频率fT就会下降而集电极电阻RC值就会增大。对于MOS器件，在制作PMOS器件时使用N 埋层就要求外延层必须足够厚，以避免过大的结电容和PMOS器件的背偏置体效应（back-bias body effect）。
双阱结构中的N阱不仅影响PMOS器件，而且也可作为NPN型BJT器件的集电极。因此，除了应充分保证CMOS器件的性能以外，N阱掺杂既要足够重以防止Kirk效应（Kirk effect），同时又应足够轻，以增高BJT器件的U（BR）CEO。
2）外延层与自掺杂
在两种类型的埋层上生成轻掺杂的薄外延层，对外延沉积工艺来说是一种挑战。必须使在垂直和水平方向的两种类型杂质的自掺杂尽量地小，以避免在阱中需要过量的反掺杂。
3）利用杂质离子注入降低MOS器件阈值电压
在PMOS器件的沟道区通过硼离子注入调节，降低其阈值电压；制作NMOS器件沟道区时注入磷离子，不仅可使NMOS器件的阈值电压分散性大为减小，而且还可减小N阱同P型衬垫的掺杂浓度比值。这一技术意味着N阱区掺杂浓度可以降低，因而NMOS器件的阈值电压大为减小，结果使通信用BiCMOS电路可在低电源电压（3.3V）下工作。
4）用硅栅自对准工艺减小交叠电容
制作MOS器件时采用硅栅自对准（在栅下源、漏区极少扩展）工艺，使栅-源和栅-漏扩散区的重叠大大减小，栅-源及栅-漏交叠电容相应地大为减小。这样做有利于硅栅双阱BiCMOS电路的工作速度得以提高。此外，硅栅自对准工艺也可明显减小设计同样沟长的MOS器件所需要的版图尺寸，因而芯片的集成度得到了提高（大约提高30%）。
5）用高电阻率P型硅衬垫来提高工作速度
BiCMOS器件应采用高电阻率P型硅衬垫，这样既与CMOS、射极耦合逻辑电路（ECL）和砷化硅（GaAs）工艺有良好的兼容性，又降低了NMOS器件的结电容，有利于提高通信和信息处理用BiCMOS电路的速度。
《光器件及其应用》首先阐述了光网络组成、光波导理论、光纤性能及特点、光源、光调制器、光放大器、光电检测器、光波长转换器、光开关等原理、性能和应用，其次叙述了这些光器件在构建各种光纤通信网络中的具体应用实例，然后描述了光器件在全光网络中扮演的关键作用，最后简要地介绍了光器件的仿真研究方法。
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