碳化硅技术基本原理:生长、表征、器件和应用 机械工业出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书是一本有关碳化硅材料、器件工艺、器件和应用方面的书籍，其主题包括碳化硅的物理特性、晶体和外延生长、电学和光学性能的表征、扩展缺陷和点缺陷，器件工艺、功率整流器和开关器件的设计理念，单／双极型器件的物理和特征、击穿现象、高频和高温器件，以及碳化硅器件的系统应用，涵盖了基本概念和新发展现状，并针对每个主题做深入的阐释，包括基本的物理特性、新的理解、尚未解决的问题和未来的挑战。

译者序

原书前言

原书作者简介

第1章 导论1

1.1 电子学的进展1

1.2 碳化硅的特性和简史3

1.2.1 早期历史3

1.2.2 SiC晶体生长的革新4

1.2.3 SiC功率器件的前景和展示5

1.3 本书提纲6 参考文献7

第2章 碳化硅的物理性质10

第3章 碳化硅晶体生长36

第4章 碳化硅外延生长70

第5章 碳化硅的缺陷及表征技术117

第6章 碳化硅器件工艺177

第7章 单极型和双极型功率二极管262

第8章 单极型功率开关器件286

第9章 双极型功率开关器件336

9.1 双极结型晶体管（BJT） 336

9.1.1 内部电流337

9.1.2 增益参数338

9.1.3 端电流340

9.1.4 电流－电压关系341

9.1.5 集电区中的大电流效应：饱和和准饱和343

9.1.6 基区中的大电流效应：Rittner效应347

9.1.7 集电区的大电流效应：二次击穿和基区扩散效应351

9.1.8 共发射极电流增益：温度特性353

9.1.9 共发射极电流增益：复合效应353

9.1.10 阻断电压355

9.2 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 356

9.2.1 电流－电压关系357

9.2.2 阻断电压367

9.2.3 开关特性368

9.2.4 器件参数的温度特性373

9.3 晶闸管375

9.3.1 正向导通模式377

9.3.2 正向阻断模式和触发381

9.3.3 开通过程386

9.3.4 dV／dt触发388

9.3.5 dI／dt的389

9.3.6 关断过程390

9.3.7 反向阻断模式397

参考文献397

第10章 功率器件的优化和比较398

第11章 碳化硅器件在电力系统中的应用425

第12章 专用碳化硅器件及应用466

附录490

附录A 4H－SiC中的不接近杂质电离490

参考文献494

附录B 双曲函数的性质494

附录C 常见SiC多型体主要物理性质497

C.1 性质497

C.2 主要物理性质的温度和／或掺杂特性498

参考文献499

木本恒畅，日本京都大学电子科学与工程系的教授。他的主要科研活动包括SiC的外延生长、光学和电学特性表征、缺陷电子学、离子注入、金属-氧化物-半导体（MOS）物理和高电压器件。此外，他也参与了在纳米级的硅、锗器件、非易失存储器中用新型材料，以及基于氮化镓（GaN）的电子器件方面的研究。

詹姆士A.库珀，美国普渡大学电气与计算机工程学院的一位半导体界的元

老级人物。

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编辑推荐

本书作者在碳化硅研发领域有着总共45年以上的经历，是当今碳化硅研发和功率半导体领域中的领军人物。通过两位专家的执笔，全景般展示了碳化硅领域的知识和进展。目前，随着碳化硅基功率器件进入实用化阶段，本书的翻译出版对于大量已经进入和正在进入该行业，急需了解掌握该行业但不谙英语的专业人士是一本难得的专业书籍。本书可以作为从事碳化硅电力电子材料、功率器件及其应用方面专业技术人员的参考书，也可以作为高等学校微电子学与固体物理学专业高年级本科生、研究生的教学用书或参考书。同时,该书对于在诸如电力供应、换流器-逆变器设计、电动汽车、高温电子学、传感器和智能电网技术等方面的设计工程师、应用工程师和产品经理也是有益的。

前言

作为各类电力电子系统中的关键部件，功率半导体器件受到越来越多的关注。    功率器件的主要应用包括电源、电机控制、可再生能源、交通、通信、供热、机器人技术及电力传输和分配等方面。半导体功率器件在这些系统中的应用可以显著节省能源，加强化石燃料的节约，并减少环境污染。    随着一些新兴市场的出现，包括光伏电池和燃料电池的电能变换器、电动汽车（ＥＶ）和混合动力电动汽车（ＨＥＶ）用电能变换器和逆变器，以及智能电力设备配电网的控制，电力电子在过去的十年里再次引发全新的关注。目前，半导体功率器件是未来全球节能和电能管理的关键推动力之一。    在过去的几十年里，硅功率器件得到了显著的提升。然而，这些器件正在接近由硅的基本材料特性所限定的性能极限，进一步性能的提升只有通过迁移到更强大的半导体材料。碳化硅（ＳｉＣ） 是一种有着优异物理和电气性能的宽禁带半导体，适合作为未来的高电压、低损耗电力电子的基础。    ＳｉＣ是一种Ⅳ －Ⅳ族化合物半导体，有着２３～３３ｅＶ的禁带宽度（取决于晶体结构，或多型体），它拥有１０倍于Ｓｉ的击穿电场强度、３倍于Ｓｉ的热导率，使得ＳｉＣ对于大功率和高温器件具有特别的吸引力。例如，在给定阻断电压下，ＳｉＣ功率器件的通态电阻比Ｓｉ器件的要低好几个数量级，这会大大提高电能变换效率。    ＳｉＣ的宽禁带特性和高热稳定性使得某些类型的ＳｉＣ器件可以在结温达３００℃或者更高的温度下无限期工作而不会产生可测量的性能退化。在宽禁带半导体中，ＳｉＣ是比较特殊的，因为它可以容易地在超过５个数量级的范围进行ｐ型或者ｎ型掺杂；另外，ＳｉＣ是专享的化合物半导体，其自然氧化物是ＳｉＯ２，是和硅的自然氧化物一样的绝缘体，这使得用ＳｉＣ制造整个基于ＭＯＳ（金属－氧化物－半导体） 家族的电子器件成为可能。    自２０世纪８０年代以来，有关ＳｉＣ材料和器件技术的开发得到了持续的投入。    基于２０世纪８０年代和９０年代的多项技术突破，ＳｉＣ肖特基势垒二极管（ＳＢＤ）的商业化产品于２００１年成功面世，并且在过去的若干年里，ＳｉＣＳＢＤ的市场得到了迅速发展。ＳＢＤ被应用于各种类型的电力系统中，包括开关电源、光伏变换器及空调、电梯和地铁的电机控制。ＳｉＣ功率开关器件的商业化生产开始于２００６～２０１０年间，主要有ＪＦＥＴ（结型场效应晶体管） 和ＭＯＳＦＥＴ（金属－氧化物－半导体场效应晶体管）。这些器件得到了市场广泛接受，现在，很多行业已经开始利用这些ＳｉＣ功率开关器件所带来的好处。作为一个例子，根据ＳｉＣ元器件应用的程度，一个电源或逆变器的体积和重量可以减少４～１０倍。除了尺寸和重量方面的减少外，使用ＳｉＣ元器件还可以使功耗也得到了大幅降低，从而使电力变换系统的效率得到显著提高。    近年来，ＳｉＣ专业社团在学术界和工业界发展迅猛，越来越多的公司在致力于发展ＳｉＣ晶圆和／或器件的生产制造能力，相关的年轻科学家和工程师的数量也在与日俱增。然而，现在几乎没有教科书在从材料到器件再到应用这样宽的范围内涵盖ＳｉＣ技术，因此，这些科学家、工程师和研究生会是本书的潜在读者。作者也希望本书对这些读者来说是及时的和有益的，并使得他们可以迅速获得在此领域内实践所需的基本知识。由于本书同时包涵了基础和高级概念，需要读者有一定的半导体物理及器件基础，不过，对于材料科学或者电气工程专业的研究生来说，阅读本书将不会有困难。    本书所涉及的主要内容包括ＳｉＣ的物理特性、晶体和外延生长、电学和光学性能的表征、扩展缺陷和点缺陷、器件工艺、功率整流器和开关器件的设计理念、单／双极型器件的物理和特征、击穿现象、高频和高温器件以及ＳｉＣ器件的系统应用，涵盖了基本概念和近期新发展现状。特别是，我们力图对每个主题做深入的阐释，包括基本的物理特性、近期新的理解、尚未解决的问题和未来的挑战。    最后，本书作者致谢这一领域的一些同事和先驱，特别感谢ＷＪＣｈｏｙｋｅ教授（匹兹堡大学）、ＨＭａｔｓｕｎａｍｉ荣誉教授（京都大学）、ＧＰｅｎｓｌ博士（埃尔兰根－纽伦堡大学，已故）、ＥＪａｎｚéｎ教授（林雪平大学）和ＪＷＰａｌｍｏｕｒ博士（科锐公司），感谢他们对本领域和我们对本领域的认识的宝贵贡献；我们也对Ｗｉｌｅｙ出版社的ＪａｍｅｓＭｕｒｐｈｙ先生和ＣｌａｒｉｓｓａＬｉｍ女士的指导和耐心表示感谢。最后，我们要感谢我们的家人在写作本书时给予的体贴支持和鼓励，没有他们的支持和理解，就不会有本书的出版。    木本恒畅詹姆士Ａ.库珀