功率半導體器件（簡體書）

如果“芯片”是電子設備的大腦的話，那麼功率半導體器件以及所構成的系統就是電子設備的心臟，為大腦提供能源，二者缺一不可。
作為電力電子技術核心器件的功率半導體器件，自1956年第一只晶閘管誕生以來，得到了迅速的發展。如今的功率半導體器件種類繁多，相關文獻大量涌現，很多著作都非常具有代表性，其中，《功率半導體器件基礎》（美，BJBaliga著，韓鄭生等譯，2013年2月由電子工業出版社出版），內容全面、系統，既包含理論基礎，又包含各種功率半導體器件的工作原理，並有對理論模型的仿真驗證，但對於學時有限的讀者來說，篇幅過大。《電力半導體新器件及其製造技術》（王彩琳編著，2015年6月由機械工業出版社出版），內容新穎，對功率半導體器件製造技術進行了較詳細的介紹，非常適合專業人士閱讀學習。《功率半導體器件——原理、特性和可靠性》（德，JLutz著，卞抗譯，2013年6月由機械工業出版社出版），分析透徹，尤其是對功率半導體器件損壞機理的分析非常精彩，翻譯準確，但更適合有一定專業基礎的專業人士閱讀學習，對初學者有一定難度。《功率半導體器件與應用》（瑞士，SLinder著，肖曦、李虹等譯，2009年5月由機械工業出版社出版），語言簡練，篇幅雖然不大，但包含的內容很有實用性，更適合專業人士閱讀學習。為了方便初學讀者系統、全面地學習功率半導體器件的相關知識，需要一本全面系統介紹各種功率半導體器件工作原理，內容由淺入深，而且篇幅適中的圖書。
為適應這種需求，作者綜合了諸多相關文獻，結合多年的教學和科研工作經驗，完成了本書。書中包括以下幾個方面的內容：
1. 功率半導體器件的分類及發展歷程
功率半導體器件分為功率二極管和功率開關器件。功率二極管分單極型和雙極型兩大類。功率開關器件從結構上可分為晶閘管類開關器件和晶體管類開關器件，從時間上可分為傳統開關器件（以晶閘管及派生器件為主）和現代開關器件（以功率MOSFET和IGBT為主）。這一部分內容為讀者介紹了功率半導體器件這個“大家族”的主要成員，及各自的特點和發展歷程。
2.功率二極管
功率二極管分單極型和雙極型進行討論和分析。單極型二極管以傳統的單極型二極管——肖特基二極管為基礎，在此基礎上，介紹JBS等改進型的單極型二極管。雙極型二極管以傳統的雙極型二極管——PiN二極管為基礎，在此基礎上，介紹MPS等改進型雙極型二極管。
3.功率開關器件
功率開關器件分為傳統開關器件和現代開關器件。傳統開關器件以晶閘管為主，在此基礎上，介紹以GTO晶閘管為主的晶閘管派生器件。現代功率開關器件以功率MOSFET和IGBT為主。
4.功率半導體器件應用綜述
以脈衝寬度調制（PWM）為例說明如何根據器件的額定電壓和電路的開關頻率選擇適合應用的最佳器件。
本書特點：
1）功率二極管的內容更加豐富。隨著高性能功率開關器件的出現（如功率MOSFET和IGBT），功率二極管的性能成為限制功率電路性能的主要因素。本書在傳統的功率二極管（肖特基整流器和PiN整流器）的基礎上，增加了結勢壘控制肖特基（JBS）二極管、溝槽肖特基勢壘控制肖特基（TSBS）二極管、溝槽MOS勢壘控制肖特基（TMBS）二極管等先進的單極型二極管，以及MPS等新型雙極型二極管的內容。
2）增加了仿真案例。對器件特性進行仿真，將器件外部特性和器件內部微觀機制建立可視化的對應關係，不僅能夠佐證理論模型，還可以幫助讀者加深對所學理論的理解。
3）設置了設計案例。對於經典器件，如晶閘管，書中給出了實際設計案例，將所學理論內容，以設計案例的形式連接在一起，形成整體化的知識體系。
4）增加了應用綜述內容，這一內容的增加旨在讓讀者了解電路系統對功率器件特性的要求。沒有完美的器件，只有更合適的器件，不同的應用場合，需要不同的器件。
本書由關艷霞、劉斌、吳美樂和盧雪梅合作完成，第2章由劉斌編寫，第3章由吳美樂編寫，第6章由盧雪梅編寫，其他章節由關艷霞編寫。
在本書的編寫過程中，我們得到了已故潘福泉老師的無私幫助，尤其在晶閘管設計方面。潘老師將實際案例和理論設計相結合，對理論設計提出了修正建議，謹以此書對潘老師表示深切懷念。
本書在正式出版之前，已在沈陽工業大學作為校內教材使用多年，很多畢業生為此書提出了寶貴意見，在此表示深深的感謝。

前言
第1章緒論1
11電力電子器件和電力電子學1
12功率半導體器件的定義1
13功率半導體器件的種類2
14功率整流管3
141單極型功率二極管3
142雙極型功率二極管4
15功率半導體開關器件5
151晶閘管類功率半導體器件5
152雙極型功率晶體管7
153功率MOSFET7
154IGBT8
16硅功率集成電路9
17碳化硅功率開關11
18功率半導體器件的發展12
181功率半導體器件的發展歷程12
182功率半導體器件的發展趨勢12
參考文獻13
第2章單極型功率二極管14
21功率肖特基二極管14
211功率肖特基二極管的結構14
212正向導通狀態15
213反向阻斷特性18
22結勢壘控制肖特基（JBS）二極管20
221JBS二極管的結構20
222正向導通模型22
223反向漏電流模型30
23溝槽肖特基勢壘控制肖特基（TSBS）二極管43
24溝槽MOS勢壘控制肖特基（TMBS）二極管44
參考文獻46
第3章雙極型功率二極管47
31PiN二極管的結構與靜態特性47
311PiN二極管的結構47
312PiN二極管的反向耐壓特性48
313PiN二極管通態特性49
32碳化硅PiN二極管59
33PiN二極管的動態特性60
331PiN二極管的開關特性61
332PiN二極管的動態反向特性63
34PiN二極管反向恢復過程中電流的瞬變67
35現代PiN二極管的設計70
351有軸向載流子壽命分布的二極管70
352SPEED結構72
36MPS二極管73
361MPS二極管的工作原理74
362碳化硅MPS整流器91
363反向阻斷特性99
364開關特性107
參考文獻109
第4章晶閘管110
41概述110
411晶閘管基本結構和基本特性110
412基本工作原理112
42晶閘管的耐壓能力113
421PNPN結構的反向轉折電壓113
422PNPN結構的正向轉折電壓115
423晶閘管的高溫特性117
43晶閘管最佳阻斷參數的確定119
431最佳正、反向阻斷參數的確定119
432λ因子設計法121
433關於阻斷參數優化設計法的討論123
434P2區相關參數的估算124
435表面耐壓和表面造型126
44晶閘管的門極特性與門極參數的計算128
441晶閘管的觸發方式128
442門極參數131
443門極觸發電流、觸發電壓的計算132
444中心放大門極觸發電流、電壓的計算134
45晶閘管的通態特性137
451通態特徵分析137
452計算晶閘管正向壓降的模型138
453正向壓降的計算140
46晶閘管的動態特性144
461晶閘管的導通過程與特性144
462通態電流臨界上升率152
463斷態電壓臨界上升率155
464關斷特性157
47晶閘管的派生器件162
471快速晶閘管163
472雙向晶閘管164
473逆導晶閘管169
474門極關斷（GTO）晶閘管174
475門極換流晶閘管193
參考文獻194
第5章現代功率半導體器件195
51功率MOSFET195
511功率MOSFET的結構195
512功率MOSFET的基本特性197
513VDMOSFET的導通電阻198
514VDMOSFET元胞的優化203
515VDMOSFET阻斷電壓影響因素分析204
516功率MOSFET的開關特性205
52絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）210
521IGBT的基本結構210
522IGBT的工作原理與輸出特性212
523IGBT的阻斷特性213
524IGBT的通態特性215
525IGBT的開關特性220
526擎住效應226
參考文獻228
第6章功率半導體器件應用綜述229
61典型H橋拓撲230
62低直流總線電壓下的應用232
63中等直流總線電壓下的應用234
64高直流總線電壓下的應用235
參考文獻237