碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 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。

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,本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。

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本书的作者ＴｓｕｎｅｎｏｂｕＫｉｍｏｔｏ是京都大学电子科学与工程系的一名教授，长期

从事碳化硅材料、表征、器件工艺以及功率器件等方面的研究，是日本碳化硅界的

领军人物，在碳化硅的外延生长、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） 物理和高电压器件等方面均有建树。

而另一位作

者，美国普渡大学电气与计算机工程学院的ＪａｍｅｓＡＣｏｏｐｅｒ则是一位半导体界的元

老级人物，他在ＭＯＳ器件、ＩＣ及包括硅和碳化硅在内的功率器件方面都有研究和

建树，特别是碳化硅基ＵＭＯＳＦＥＴ、肖特基二极管、ＵＭＯＳＦＥＴ、横向ＤＭＯＳＦＥＴ、

ＢＪＴ和ＩＧＢＴ等的开发做出了突出贡献。

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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，SiC SBD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 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、 新的理解、尚未解决的问题和未来的挑战。

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James Murphy先生和Clarissa Lim女士的指导和耐心表示感谢。 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。