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本书首先对不同类型的IGBT工作原理进行了介绍，然后从IGBT的结构出发，给出了IGBT中MOS结构和双极型结构的工作原理，接下来详细说明了它们如何影响IGBT的正向传导特性，详细研究了IGBT模型，包括静态、动态和电热行为，讨论了IGBT中的闩锁效应，以及预防闩锁的详细处理方法。借助计算机辅助设计工具深入研究了IGBT单元的设计技术，从结构、掺杂分布、沟道长度、跨导和正向压降、导通和开关损耗、单元布图和间距，以及缓冲层优化，直至场环和场板终端设计。本书还介绍了制造功率IGBT的工艺技术，对功率IGBT模块和相关的技术进行了讨论。对新的IGBT技术也进行了介绍。本书*后介绍了IGBT在电动机驱动，汽车点火控制、电源、焊接、感应加热等领域中的应用情况。本书涵盖内容广泛，讲述由浅入深。在各章中提供了大量实例以及附加问题，更加适合课堂教学，同时，每章后给出的参考文献将为研究人员提供关于IGBT一些有用的指导。

本书既可以满足电力电子技术和微电子技术中功率器件相关课程的学生需求，也可以满足专业工程师和技术人员进行IGBT研究的需求。

译者序

原书前言

原书致谢

作者简介

第1章功率器件的演变和IGBT的出现1

11背景介绍1

12IGBT3

13IGBT的优缺点5

14IGBT的结构和制造8

15等效电路的表示9

16工作原理及电荷控制现象10

17电路建模11

18IGBT的封装选择15

19IGBT的操作注意事项15

110IGBT栅极驱动电路15

111IGBT的保护17

112小结18

练习题19

参考文献20

第2章IGBT基础和工作状态回顾24

21器件结构24

211横向IGBT和垂直IGBT24

212非穿通 IGBT和穿通 IGBT26

213互补器件31

22器件工作模式32

221反向阻断模式32

222正向阻断和传导模式33

23IGBT的静态特性35

231电流-电压特性35

232IGBT的转移特性37

24IGBT的开关行为37

241IGBT开启37

242具有电阻负载的IGBT开启38

243具有电感负载的IGBT开启40

244IGBT关断43

245带有电阻负载的IGBT关断45

246带有电感负载的IGBT关断47

247关断时间对集电极电压和电流的依赖性48

248NPT-IGBT和PT-IGBT的软开关性能49

249并联的考虑51

25安全工作区域52

251栅极电压振荡引起的不稳定性54

252可靠性测试54

26高温工作56

27辐射效应57

28沟槽栅极IGBT和注入增强型IGBT58

29自钳位 IGBT60

210IGBT的额定值和应用61

211小结64

练习题64

参考文献66

第3章IGBT中的MOS结构70

31一般考虑70

311MOS基本理论70

312功率MOSFET结构70

313MOSFET-双极型晶体管比较73

32MOS结构分析和阈值电压74

33MOSFET的电流-电压特性、跨导和漏极电阻82

34DMOSFET和UMOSFET的导通电阻模型84

341DMOSFET模型84

342UMOSFET模型86

35MOSFET等效电路和开关时间89

36安全工作区域91

37中子和伽马射线损伤效应92

38MOSFET的热行为93

39DMOSFET单元窗口和拓扑设计94

310小结95

练习题95

参考文献96

附录31式（32a）和式（32b）的推导97

附录32式（37）的推导98

附录33推导在强反型转变点的半导体体电势ψB和表面电荷Qs的公式100

附录34式（333）~式（336）的推导 101

附录35式（339）的推导103

附录36式（349）的推导104

第4章IGBT中的双极型结构106

41PN结二极管106

411内建电势0107

412耗尽层宽度xd和电容Cj111

413击穿电压VB112

414电流-电压(id-va)方程115

415反向恢复特性117

42PIN整流器118

43双极结型晶体管123

431静态特性和电流增益123

432功率晶体管开关126

433晶体管开关时间127

434安全工作区128

44晶闸管129

441晶闸管的工作状态129

442晶闸管的di/dt性能和反向栅极电流脉冲导致的关断失效131

443晶闸管的dv/dt额定值132

444晶闸管开启和关断时间133

45结型场效应晶体管134

46小结135

练习题135

参考文献136

附录41漂移和扩散电流密度137

附录42爱因斯坦方程139

附录43连续性方程及其解139

附录44连续性方程式（441）的解142

附录45式（450）的推导143

附录46电流密度式（455）和式（456）的推导147

附录47晶体管的端电流［式（457）和式（458）］150

附录48共基极电流增益αT［式（463）］153

第5章IGBT的物理建模156

51IGBT的PIN整流器- DMOSFET模型156

511基本模型公式156

512导通状态下IGBT漂移区的载流子分布158

513IGBT的正向压降 160

514导通状态下载流子分布的二维模型161

52通过PIN整流器-DMOSFET模型扩展的IGBT双极型晶体管-DMOSFET模型164

521正向传导特性164

522IGBT中MOSFET的正向压降168

523IGBT的有限集电极输出电阻169

53包含器件-电路相互作用的IGBT的双极型晶体管-DMOSFET模型171

531稳态正向传导状态171

532IGBT的动态模型及其开关行为174

533IGBT关断瞬态的状态方程176

534电感负载关断期间dV/dt的简化模型179

535IGBT的动态电热模型183

536电路分析模型参数的提取190

54小结190

练习题190

参考文献192

附录51式（58）的解194

附录52式（533）和式（534）的推导195

参考文献196

附录53式（535）的推导196

附录54式（538）的推导［式（535）的解］197

附录55式（540）~式（542）的推导198

附录56式（544）的推导199

附录57式（581）的推导和1-D线性元件等效导电网络的构建203

参考文献206

第6章IGBT中寄生晶闸管的闩锁207

61引言207

62静态闩锁209

63动态闩锁211

631具有电阻负载的对称IGBT的闩锁211

632具有电阻负载的非对称IGBT的闩锁214

633具有电感负载的对称IGBT的闩锁215

64闩锁的预防措施216

65沟槽栅极IGBT的闩锁电流密度231

66小结 232

练习题232

参考文献234

附录61式(615)的推导235

附录62式(620)的推导236

第7章IGBT单元的设计考虑238

71半导体材料选择和垂直结构设计238

711起始材料238

712

Vinod Kumar Khanna于1952年出生在印度Lucknow。他目前是印度Pilani中央电子工程研究所固态器件部门的科学家。1988年在Kurukshetra大学获得了物理学博士学位。在过去的几十年里，他在功率半导体器件、工艺设计和器件制造方面做了大量的研究工作。他的研究工作主要集中在高压大电流整流器、高压电视偏转晶体管、达林顿功率晶体管、逆变级晶闸管，以及功率DMOSFET和IGBT。

Khanna博士在国际期刊和会议上发表了30多篇研究论文，并撰写了两本专著。他于1986年在科罗拉多州丹佛市的IEEE-IAS年会上发表了论文，并于1999年担任德国Darmstadt技术大学客座科学家。他是印度IETE的会士以及半导体协会和印度物理协会的终身会员。

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编辑推荐

本书是IGBT方面的经典著作，由执笔，作为功率器件教材，内容涵盖IGBT基本原理、设计方法、工艺技术、模块相关、技术趋势、应用情况，是一本全面、深入的实用指南

前言

前 言

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）代表了商用产品中 为先进的一种新型功率半导体器件，该器件具有MOS栅控的高输入阻抗与双极型电流传导的低正向压降。它减小和降低了控制电路的尺寸和复杂性，从而大大降低了系统成本。如今，它在不间断电源、工业电动机驱动器、家用和汽车电子等中功率和中频领域有着广泛的应用。近年来，作为一种功率调节器件，没有哪个单一器件能够像IGBT一样彻底改变功率器件的情况，在家用、消费和工业领域对普通人的生活产生影响。

尽管这种器件自从它的概念形成以来就越来越受到人们的关注，但目前还没有一本书完全致力于IGBT的物理和技术，缺乏对半导体器件的物理和技术的全面论述。现有书籍涉及半导体器件物理学、功率半导体器件、晶闸管物理学、场效应和双极型晶体管物理学、MOS物理学和相关器件技术。在工业和消费电子中IGBT的广泛应用，使得有必要出版一本全面论述该主题的新书，对IGBT的巨大兴趣促使作者执笔撰写本书。

正如书名所表明的那样，本书主要关注IGBT。然而，不言而喻，IGBT代表了PIN二极管、双极型晶体管、双极型晶闸管和功率DMOSFET特性的有趣组合。所以本书不仅给读者提供了IGBT的相关内容，而且也使读者理解上述各器件结构如何协同工作而产生IGBT特性。因此本书的扩展性主题涵盖了MOS和双极方面的有用资料，大大提高了本书的实用性。本书详细说明了IGBT的正向传导特性是受PIN二极管的电导率调制以及MOSFET沟道长度控制的。 IGBT的闩锁由双极型晶体管的电流增益和再生晶闸管行为控制。较小的沟道长度得到较低正向压降器件，但容易受到内部寄生双极型晶闸管的闩锁影响；控制IGBT的正向阻断能力需要仔细关注平面浮动场环的终端设计；反向阻断电压由芯片切割过程中的倒角决定。同样，IGBT的关断时间由载流子寿命决定，也就是PIN二极管的反向恢复波形。所以，如果从更广的角度来看，学习IGBT需要对这些组成器件有很深入的了解。因此，虽然本书关注的是一个单个器件，但其余器件会自动成为整体的一部分。MOS-双极型组合器件的时代已经来临，本书旨在向读者介绍这种新的混合技术。

本书是按教材的格式编写的，以满足电力电子工程和微电子工程中功率器件课程的需求。本书的目标受众还包括工程师和科学家。今天的学生是明天的专业人士，本书精心组合了为学生设计的教程和为从业者提供的专业设计。通过在章节中提供的大量实例，以及在每章末尾附加的练习题，希望通过适当选择课程材料，使本书更加适合课堂教学。每章结尾部分的参考文献将为研究人员提供一个关于IGBT的实用指南。因此，本书可以满足广泛的读者群体，包括学生、专业人士和研究人员的需求。

本书对IGBT提供了一个全面、深入和先进的讨论，涵盖了广泛的主题。第1章介绍功率半导体器件的状况，MOS-双极型组合器件的需求以及IGBT的诞生；以简单的方式描述IGBT的工作原理；介绍了IGBT等效电路，并讨论了SPICE模型；还简要介绍了IGBT的封装和操作注意事项、栅极驱动电路和保护技术。

第2章总结了IGBT的基本类型、工作特点、性能特征、局限性、规格和应用；讨论了横向和垂直IGBT结构；对非穿通和穿通类型的IGBT进行了解释，描述了它们掺杂分布和工作的差异；对IGBT的不同工作模式，例如正向传导和阻断模式进行了讨论；对带电阻和电感负载的IGBT导通和关断进行了分析；概述了软开关概念；指出了温度和核辐射对IGBT特性的影响；讨论了沟槽栅极和自钳位IGBT的工作原理。

第3章介绍了MOS结构的基本原理，包括热平衡能带图、平带电压、阈值电压、电容效应、功率DMOSFET结构、导通电阻元件、安全工作区、辐射和热效应对器件特性的影响、DMOSFET几何拓扑结构等，这些对于理解IGBT工作的物理原理是非常重要的。

第4章介绍了双极型器件的理论，如PN结二极管、PIN整流器、双极结型晶体管、晶闸管和结型场效应晶体管。通过本章的阅读，读者将能够理解双极型器件工作的基本原理。

从第5章开始，开始研究IGBT模型，包括静态、动态和电热行为；讨论了IGBT的PIN整流器-DMOSFET和双极型晶体管-DMOSFET模型，以及导通态载流子分布、二维效应、器件-电路相互作用建模、IGBT电路瞬态分析等模型。

由于闩锁是IGBT的一个严重问题，所以第6章详细讨论了这个问题，概述闩锁的形成原因并给出了IGBT结构的防闩锁技术；对静态和动态闩锁进行了解释，然后给出了预防闩锁的详细处理方法。

由于IGBT是由数百万个基本单元构成的，因此第7章使用计算机辅助设计工具深入研究了IGBT单元的设计技术。讨论从半导体的选择和垂直结构设计开始；接着是发射区和基区的掺杂分布和沟道长度，跨导和正向压降，导通和开关损耗之间的折中，单元布图设计和单元间距；然后对N型缓冲层进行结构优化； 后是场环和场板终端设计，以及其他使得表面电场 小化和击穿电压增强的结边缘终端技术。

第8章介绍了制造功率IGBT的工艺技术；讨论了实现IGBT的各个工艺步骤，主要步骤包括起始的硅片制备、外延生长、多晶硅淀积、栅氧形成、扩散和离子注入、掩膜制作和光刻、干法刻蚀和等离子体工艺、槽刻蚀、金属化、封装，以及电子辐照对寿命的影响，并对工艺模拟进行了回顾。

第9章讨论了功率IGBT模块和相关的技术；关于逻辑电路和功率器件集成的讨论之后是隔离技术的总结；介绍了模块中不同类型的保护措施和其他附件；对扁平封装模块和模块的材料技术也进行了研究。

第10 章对未来IGBT技术进行了回顾以及展望，调研了新的设计理念和IGBT结构并对这个迅速发展的领域的未来趋势进行了预测；考虑的结构包括非自对准槽IGBT、动态N型缓冲IGBT、具有反向阻断能力和抗高温闩锁的横向IGBT、具有高闩锁电流能力的自对准侧壁注入N+发射极的横向IGBT、具有更大FBSOA区域的LIGBT、具有集成电流传感器的横向IGBT、介质隔离的快速LIGBT、在薄SOI衬底上的横向IGBT、衬底中的横向IGBT、横向沟槽栅极双极型晶体管、槽平面IGBT、相同基区技术中的簇IGBT、双栅极注入增强型栅极晶体管等。

后，第11章介绍了IGBT在电动机驱动器、汽车点火控制、电源、焊接、感应加热等领域中的应用情况；对不同类型的转换器，如DC-DC转换器、DC-AC转换器和AC-DC转换器进行了数学分析；对软开关转换器也进行了讨论，同时讨论了SABER和SPICE电路模型和设计方法。

作者殷切希望本书的上述内容对于该领域的高年级本科生/研究生和研究人员有所帮助。本书可作为关于这个主题的教科书和参考书。如果本书能有助于解决读者的问题，那将是作者的努力所得到的 好回报。

虽然作者已尽 的努力来确保表述内容的准确性，但并不一定能确保没有任何错误，诚挚地欢迎读者提出意见和建议。原 书 致 谢

我由衷地感谢系主任、资深科学家和我在CEERI，Pilani的同事们对我的努力的鼓励。我还要感谢小组组长和前功率器件小组的成员，在我们多年的合作中，我与他们分享了许多对功率器件物理层面和技术层面的见解。我很感激Darmstadt技术大学的Arnold Kostka教授和BMaj先生指导我进入仿真领域。

很荣幸有机会和编辑Christina Kuhnen女士合作，我感谢她对我写书过程中出现的问题做出迅速的处理和回复，否则本书就不可能按时出版。我感谢审稿人提出的建设性批评意见，他们还指出许多错误和遗漏，从而使本书的形式和内容得以进一步完善。

任何一本新书都要归功于它的先驱者以及研究论文、报告和评论文章。我很感激这些文献的作者们，他们中的许多人在每章末尾的参考文献中都有列出。感兴趣的读者可阅读参考文献中所引用的优秀文献，以获得对相关专业主题内容的深入了解。

感谢PKKhanna博士和Vijay Khanna先生精神上的支持。

后，我感谢我的女儿和妻子，感谢她们的爱、耐心和理解，感谢她们在这历时两年多的写作过程中，容忍我长时间的写作工作。衷心感谢以上所有人，也感谢那些在这项工作中直接或间接帮助过我的人，以及那些我可能忘记提及的人。