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31结势垒控制肖特基（JBS）整流器的结构22 32正向导通模型24 321硅JBS整流器：正向导通模型A24 322硅JBS整流器：正向导通模型B26 323硅JBS整流器：正向导通模型C27 324硅JBS整流器：示例29 325碳化硅JBS整流器：正向导通模型34 33JBS整流器结构：反向漏电流模型38 331硅JBS整流器：反向漏电流模型38 332碳化硅JBS整流器：反向漏电流模型47 34折中曲线57 35总结59 参考文献59 第4章沟槽肖特基势垒控制肖特基整流器61 41沟槽肖特基势垒控制肖特基（TSBS）整流器的结构61 42正向导通模型63 421硅TSBS整流器：示例65 422碳化硅TSBS整流器：示例71 43TSBS整流器结构：反向漏电流模型75 431硅TSBS整流器：反向漏电流模型75 432碳化硅TSBS整流器：反向漏电流模型83 44折中曲线91 45总结93 参考文献94 第5章沟槽MOS势垒控制肖特基整流器95 51沟槽MOS势垒控制肖特基（TMBS）整流器结构95 52正向导通模型98 521硅TMBS整流器：示例100 522碳化硅TMBS整流器：示例104 53TMBS整流器结构：反向漏电流模型107 531硅TMBS整流器：反向漏电流模型107 532碳化硅TMBS整流器：反向漏电流模型118 54折中曲线121 55总结122 参考文献123 第6章P-i-N整流器124 61一维结构124 611大注入电流125 612端区的反注入131 613正向导通特性133 62碳化硅P-i-N整流器136 63反向阻断138 64开关特性140 65P-i-N整流器的折中曲线156 66总结157 参考文献158 第7章MPS整流器159 71器件物理160 711低正向偏压条件161 712大注入状态163 713通态压降166 714正向导通特性171 715N 端区的反注入172 72碳化硅MPS整流器186 73反向阻断200 731硅MPS整流器：反向漏电流模型200 732碳化硅MPS整流器：反向漏电流模型206 74开关特性212 741存储电荷212 742反向恢复213 743碳化硅MPS整流器：反向恢复225 75MPS整流器折中曲线231 76总结232 参考文献233 第8章SSD整流器234 81器件物理234 811大注入条件236 812通态压降239 813正向导通特性242 814N 端区的反注入243 82反向阻断251 83开关特性259 831存储电荷259 832反向恢复260 84SSD整流器折中曲线265 85碳化硅SSD整流器265 86总结267 参考文献268 第9章应用综述269 91直流-直流降压变换器应用270 92典型电动机控制的应用272 93总结280 参考文献281 作者简介282 內容試閱： 目前全球半导体产业已经超过2000亿美元，其中大约10%来自于功率半导体器件和智能功率集成电路。功率半导体器件是所有电力电子系统的关键部件。估计全世界至少50%的用电量是由功率半导体器件控制的，其广泛应用于家用电子产品、工业、医药和运输行业中。功率半导体器件对经济的发展起着重要的作用，因为它们决定了系统的成本和效率。自20世纪50年代固态器件代替了原有的真空管以来，以硅为基础材料的功率半导体器件就起着重要的作用，这些发展已经被称为第二次电子革命。 在20世纪50年代，人们首先研发了双极型晶体管和晶闸管等双极型功率器件。与真空管相比，半导体器件具有很多优点，所以对这些功率器件功率等级的要求不断提高。随着对工作机理理解的深入，更大直径和更高电阻率单晶片生产能力的提高及更先进的光刻技术引入，器件功率等级和开关频率不断提高。在未来20年，这些双极型器件的生产技术将更加成熟。20世纪70年代，双极型功率晶体管的电流处理能力已达到数百安培，阻断电压超过500V。更显著的成绩是，耐压等级超过5kV、直径为4in的晶闸管生产技术的开发。  20世纪70年代，IR公司首先推出了功率MOSFET产品。由于其输入阻抗高和开关速度快的特点，最初被认为可以替代所有双极型功率器件，但它仅适用于低压（ 100kHz）领域，而不适用于高压领域。其原因是功率MOSFET的通态电阻随阻断电压的增加而迅速增加，导致通态功耗增加，使整机系统效率降低，即使使用更加昂贵的芯片也于事无补。 高压硅功率MOSFET的大通态压降和硅功率双极型晶体管的大驱动电流促进了绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的研发［1］。第一只商业化的IGBT诞生于20世纪80年代，逐渐成为民用、工业、运输、军事，甚至医药等中等功率电子系统中的主要器件。 为了与高性能的开关器件同步发展，功率整流器的性能急需提高。20世纪80年代［2］，电力系统在更高频率下运行的能力受限于功率整流器较差的开关特性。因此，本书所讨论的先进整流器理念就是大力提高整流器的开关特性。这些先进的整流器理念既要致力于提高低压应用的硅单极型器件的特性，也要致力于提高高压应用的硅双极型器件的特性。所提出的先进理念已经有效应用于反向阻断电压高达5kV的双极型整流器中。最近提出的微网格结构的功率整流器，其反向阻断电压高达15~20kV，已经应用于高频固体变压器中。本书所讨论的先进理念也适用于碳化硅器件。 由于这些发展，预计对功率半导体器件设计和制造技术方面专业技术人员的需求量将越来越大。本书补充了我最近出版的教科书，这些教科书由于篇幅有限只涉及基本的功率整流器［3］。为了方便读者，本书中直接引用了教材中的肖特基整流器和P-i-N整流器章节的一些内容。与教科书的情况一样，描述先进整流器的解析表达式也是通过半导体泊松方程、连续性方程和热传导方程进行推导的。本书中讨论的所有功率整流器的电学特性都使用这些解析表达式进行了计算机计算，如每节中提供的典型示例所示。为了证实这些解析公式的有效性，本书的大部分章节都包含了二维数值模拟的结果。模拟结果还进一步阐明了物理机制，并指出相关的二维效应。由于功率器件迫切需要使用宽带隙半导体材料，所以本书对碳化硅器件也进行了分析。 第1章对功率器件的潜在应用进行了介绍。定义了理想功率整流器的电学特性，并与典型器件的电学特性进行了比较。第2章参考教科书详细分析了肖特基整流器，分析了由热电子发射产生的通态电流和镜像力势垒降低对反向漏电流的影响。该章还讨论了优化功耗时，这些现象对势垒高度选择的影响。隧道电流对碳化硅肖特基整流器影响较为严重，因此隧道电流的影响也包含在该章中。 后面的几章对各种先进的功率整流器进行了分析。在这些章节中分别讨论了单极型器件结势垒控制肖特基（Junction Barrier Controlled Schottky,JBS）整流器沟槽肖特基势垒控制肖特基（Trench Shottky Barrier Controlled Schottky,TSBS）整流器和沟槽MOS势垒控制肖特基（Trench MOS Barrier Controlled Schottky,TMBS）整流器。JBS整流器对于减小肖特基功率整流器中的反向漏电流具有重要作用，同时可以保持低的通态压降。这个理念也适用于肖特基整流器与功率MOSFET相结合的结构［4］。TSBS结构特别适用于减少碳化硅肖特基整流器中的漏电流。TMBS结构提供了另一种可以减小硅肖特基整流器中漏电流的方法。由于在氧化物中会产生强电场，所以这个理念不适合应用于碳化硅器件中。 以上理念适用于单极型器件。当反向阻断电压变高时（对于高于200V的硅器件和高于5kV的碳化硅器件），使用双极型功率整流器，可以减小通态压降。第6章参考教科书中的相关内容，分析了高压P-i-N整流器的物理特性。对小注入和大注入条件下的通态电流进行了理论分析，并分析了其对关断过程中反向恢复现象的影响。端区载流子复合的影响也包括在其中。 为了研发小反向恢复电荷的高压硅功率整流器，在20世纪80年代提出了P-i-N和肖特基二极管合并的结构［5］。尽管第一次合并的P-i-N和肖特基（Merging the P-i-N and Schottky,MPS）整流器的特性兼具两者中最差的特性，进而受到了怀疑，但现在该结构还是被半导体工业所接受，因为它具有可用于电机控制应用的两者（P-i-N和肖特基整流器）的最佳特性。第7章详细分析了MPS整流器，利用解析方程对通态载流子分布、通态压降以及反向恢复特性进行了分析。本书还将MPS结构扩展到了碳化硅功率整流器中，其中需要合理地选择肖特基接触宽度和势垒高度。改善功率整流器的反向恢复特性还可以采用静电屏蔽二极管（Static Shielding Diode,SSD）结构［6］在该结构中，P-i-N整流器结构的高掺杂的P 区域仅限制于元胞区域的一部分，阳极其余区域为轻掺杂P-区域。P-区的低注入效率抑制了少数载流子（空穴）的注入，导致阳极附近的空穴浓度降低。当P-区中的掺杂浓度变小时，SSD结构的特性接近MPS整流器结构的特性。随着该区域的掺杂浓度增加，SSD结构的特性接近P-i-N整流器结构的特性。第8章分析了SSD结构的硅和碳化硅整流器。 在参考文献中还提出了几种其他的功率整流器结构。降低P 阳极区域掺杂浓度能够减小P-i-N整流器结构中存储的电荷已经得到了证实。然而，这会导致在浪涌电流下通态压降的大幅增加。SPEED结构的功率整流器与SSD结构相类似，不同的是轻掺杂P区深度更深。这种结构的反向恢复特性不如SSD和MPS结构。由于某些原因，交流功率整流器结构未包括在本书中。 我希望本书能对学术界的研究人员和工程设计师有所帮助。同时它也可以用于固体器件相关知识的教学中，作为对我之前教材的补充。 在现代电源电路中，通常使用开关器件来调节流向负载的功率流，使用功率整流器控制电流的方向。从第一只晶闸管诞生以来，功率半导体器件的研究人员投入了大量的精力进行开关器件的研发，新型开关器件不断涌现，而对功率整流器的研究相对落后。随着高性能功率开关器件的出现（如功率MOSFET、IGBT、IGCT等），功率整流器的性能成为限制功率电路性能的主要因素。例如，较大的功率整流器的反向恢复电流不仅使本身功耗增大，还使开关器件的功耗增大，影响电路整体的性能。因此，开发高质量功率整流器势在必行。本书从减少电路功耗的角度，提出了先进的功率整流器理念和技术。 传统的功率整流器包括肖特基整流器和P-i-N整流器，两者各有其优势和劣势。肖特基整流器为单极型器件，其优势表现在开关速度快，无开关功耗；劣势是反向漏电流大，导通电阻随阻断电压的提高迅速增加。为了抑制反向漏电流增大的现象，本书提出了结势垒控制肖特基（JBS）整流器、沟槽肖特基势垒控制肖特基（TSBS）整流器、沟槽MOS势垒控制肖特基（TMBS）整流器等先进的单极型器件结构。尽管这些结构可以减小反向漏电流，但不适合制作高压整流器。P-i-N整流器具有单极型器件不具备的优势。即使具有高反向阻断电压的硅P-i-N整流器，其通态压降也仅为1~2V。P-i-N整流器的主要缺点是反向恢复电流大，开关速度慢。较大的反向恢复电流在整流器和功率开关中产生较大的功耗。减少反向恢复电流的方法之一是降低漂移区的寿命，但同时伴随着通态压降的增加。MPS整流器和静电屏蔽二极管（SSD）等新型双极型二极管理念被提出。两者可有效改善P-i－N整流器的反向恢复特性。这些先进的整流器理念能有效改善传统功率整流器的特性，不仅降低了功率整流器本身的功耗，还降低了开关器件的功耗，提高了电源管理的转换效率。 Baliga教授是国际上公认的功率半导体器件领域的领军人物。他是IGBT的发明人，是肖特基与pn结混合理论的创始人，创造出了新一族功率整流器。在本书中，他在传统功率整流器的基础上提出了先进的功率整流器理念，解决了功率整流器发展的瓶颈问题。书中有理论分析，有数学模型，还有大量的模拟（请读者注意，书中的模拟示例中的图单独进行编码，且模拟示例部分均加有底灰，以区别于正文）予以佐证，对半导体领域相关专业的研究生、专业技术人员都极具参考价值。 本书由沈阳工业大学功率半导体器件研究小组和扬杰科技电子股份有限公司合作完成。初稿的第1章和第2章由关艳霞翻译；第3章和第7章由扬杰公司的张晓勇翻译；第4章和第5章由廉宇盟翻译；第6章由闫娜翻译；第8章由王南南翻译；第9章由扬杰公司的王芹翻译。关艳霞和潘福泉对全书进行了审校。另外，沈阳工业大学的王志忠、刘婷和刘勇也在翻译过程中做了很多工作。机械工业出版社的朱林编辑在定稿过程中提出了许多宝贵意见，在此表示感谢！感谢机械工业出版社的徐明煜编辑在前期给予的帮助。鉴于译者水平有限，在翻译过程中难免有疏漏之处，恳请广大读者不吝赐教。

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