內容簡介

《集成功率器件設計及TCAD仿真》從電力電子到功率集成電路（PIC）、智能功率技術、器件等方麵給電源管理和半導體産業提供瞭一個完整的描述。《集成功率器件設計及TCAD仿真》不僅介紹瞭集成功率半導體器件，如橫嚮雙擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管（LDMOSFET）、橫嚮絕緣柵雙極型晶體管（LIGBT）和超結LDMOSFET的內部物理現象，還對電源管理係統進行瞭一個簡單的介紹。《集成功率器件設計及TCAD仿真》運用計算機輔助設計技術（TCAD）仿真實例講解集成功率半導體器件的設計，代替抽象的理論處理和令人生畏的方程，並且還探討瞭下一代功率器件，如氮化鎵高電子遷移率功率晶體管（GaN功率HEMT）。《集成功率器件設計及TCAD仿真》內容有助於填補功率器件工程和電源管理係統之間的空白。書中包括智能PIC的一個典型的工藝流程以及很難在其他同類書中找到的技術開發組織圖，通過對本書的閱讀，可以使學生和年輕的工程師在功率半導體器件領域領先一步。

目錄

譯者序
原書前言
作者簡介
第１章　電力電子，可以實現綠色的技術１
　１.１　電力電子介紹１
　１.２　電力電子的發展曆程３
　１.３　ＤＣ／ＤＣ變換器４
　１.４　綫性穩壓器４
　１.５　開關電容ＤＣ／ＤＣ變換器（電荷泵） ５
　１.６　開關模式ＤＣ／ＤＣ變換器６
　１.７　綫性穩壓器、電荷泵和開關調節器的比較８
　１.８　非隔離ＤＣ／ＤＣ開關變換器的拓撲結構８
　　１.８.１　Ｂｕｃｋ變換器９
　　１.８.２　Ｂｏｏｓｔ變換器１１
　　１.８.３　Ｂｕｃｋ－ｂｏｏｓｔ變換器１２
　　１.８.４　Ｃｕｋ變換器１４
　　１.８.５　非隔離式變換器額外的話題１４
　１.９　隔離的開關變換器拓撲結構１６
　　１.９.１　反激式變換器１６
　　１.９.２　正激式變換器１７
　　１.９.３　全橋變換器１８
　　１.９.４　半橋變換器１９
　　１.９.５　推挽變換器２０
　　１.９.６　隔離ＤＣ／ＤＣ變換器其他話題２０
　　１.９.７　隔離ＤＣ／ＤＣ變換器拓撲結構的比較２２
　１.１０　ＳＰＩＣＥ電路仿真２２
　１.１１　對於電池供電器件的電源管理係統２３
　１.１２　小結２４
第２章　功率變換器和電源管理芯片２５
　２.１　用於ＶＬＳＩ電源管理的動態電壓調節２５
　２.２　集成的ＤＣ／ＤＣ變換器２７
　　２.２.１　分段的輸齣級２９
　　２.２.２　一個輔助級的瞬態抑製３２
　２.３　小結３６
第３章　半導體産業和超摩爾定律３７
　３.１　半導體産業３７
　３.２　半導體産業的曆史３８
　　３.２.１　一個簡要的時間錶３８
　　３.２.２　八叛逆３８
　　３.２.３　半導體産業的曆史路綫圖３９
　３.３　半導體産業的食物鏈金字塔４０
　　３.３.１　第１層：晶圓和ＥＤＡ工具４１
　　３.３.２　第２層：器件工程４２
　　３.３.３　第３層：ＩＣ設計４２
　　３.３.４　第４層：製造、封裝和測試４３
　　３.３.５　第５層：係統和軟件４３
　　３.３.６　第６層：市場營銷４４
　３.４　半導體公司４５
　３.５　超摩爾定律４６
第４章　智能功率ＩＣ技術４９
　４.１　智能功率ＩＣ技術基礎４９
　４.２　智能功率ＩＣ技術：曆史展望５０
　４.３　智能功率ＩＣ技術：産業展望５２
　　４.３.１　智能功率ＩＣ技術的工程組５２
　　４.３.２　智能功率ＩＣ技術開發流程５５
　　４.３.３　計劃階段５６
　　４.３.４　工藝集成和器件設計５７
　　４.３.５　布圖、投片、製造和測試５８
　　４.３.６　可靠性和標準５９
　　４.３.７　目前智能功率技術的概述６０
　４.４　智能功率ＩＣ技術：技術展望６１
　　４.４.１　智能功率技術中的器件６２
　　４.４.２　智能功率ＩＣ技術的設計考慮６２
　　４.４.３　隔離方法６５
第５章　ＴＣＡＤ工藝仿真介紹６７
　５.１　概述６７
　５.２　網格設置和初始化６７
　５.３　離子注入６９
　　５.３.１分析模型７０
　　５.３.２　多層注入７１
目　　錄Ⅸ　
　　５.３.３　ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ模擬７１
　５.４　澱積７２
　５.５　氧化７３
　　５.５.１　乾氧氧化７３
　　５.５.２　濕氧氧化７４
　　５.５.３　氧化模型７４
　５.６　刻蝕７６
　５.７　擴散７７
　　５.７.１　擴散機製７８
　　５.７.２　擴散模型７９
　５.８　分凝８０
　５.９　工藝模擬器模型的校準８３
　５.１０　３Ｄ ＴＣＡＤ工藝仿真介紹８４
　５.１１　ＧＰＵ仿真８５
第６章　ＴＣＡＤ器件仿真介紹８７
　６.１　概述８７
　６.２　器件仿真基礎８７
　　６.２.１　漂移－擴散模型８７
　　６.２.２　離散化８８
　　６.２.３　Ｎｅｗｔｏｎ方法８９
　　６.２.４　初始猜測和自適應偏置步長８９
　　６.２.５　收斂問題９０
　　６.２.６　邊界條件９１
　　６.２.７　瞬態仿真９３
　　６.２.８　網格問題９３
　６.３　物理模型９３
　　６.３.１　載流子統計９４
　　６.３.２　雜質的不完全電離９４
　　６.３.３　重摻雜效應９４
　　６.３.４　ＳＲＨ和Ａｕｇｅｒ復閤９４
　　６.３.５　雪崩擊穿和碰撞電離９５
　　６.３.６　載流子遷移率１０１
　　６.３.７　熱和自加熱１０６
　　６.３.８　帶隙變窄效應１０７
　６.４　ＡＣ分析１０７
　　６.４.１　引言１０７
　　６.４.２　基本的公式１０８
　　６.４.３　在ＴＣＡＤ中的ＡＣ分析１１０
　Ⅹ 集成功率器件設計及ＴＣＡＤ仿真
　６.５　在ＴＣＡＤ仿真中的陷阱模型１１１
　　６.５.１　陷阱電荷的狀態１１１
　　６.５.２　陷阱動力學１１２
　６.６　量子隧穿１１５
　　６.６.１　功率器件中量子隧穿的重要性１１５
　　６.６.２　ＴＣＡＤ仿真的基本隧穿理論１１６
　　６.６.３　隧穿的非平衡Ｇｒｅｅｎ函數的介紹１１８
　６.７　器件仿真器模型的校準１１９
第７章　功率ＩＣ工藝流程的ＴＣＡＤ仿真１２０
　７.１　概述１２０
　７.２　一個模擬的功率ＩＣ工藝流程１２０
　　７.２.１　工藝流程步驟１２０
　　７.２.２　模擬的工藝流程的結構視圖１２１
　７.３　智能功率ＩＣ工藝流程模擬１２２
　　７.３.１　Ｐ＋襯底１２２
　　７.３.２　Ｎ型掩埋層１２３
　　７.３.３　外延層生長和深Ｎ連接１２５
　　７.３.４　高壓雙阱１２７
　　７.３.５　Ｎ－ＬＤＭＯＳ的Ｐ型體注入１２８
　　７.３.６　有源區麵積／淺溝槽隔離（ＳＴＩ） １２９
　　７.３.７　Ｎ阱和Ｐ阱１３４
　　７.３.８　低壓雙阱１３５
　　７.３.９　厚柵氧層和薄柵氧層１３６
　　７.３.１０　多晶柵１３９
　　７.３.１１　ＮＬＤＤ和ＰＬＤＤ １３９
　　７.３.１２　側牆１４１
　　７.３.１３　ＮＳＤ和ＰＳＤ １４２
　　７.３.１４　後端工序１４４
第８章　集成功率半導體器件的ＴＣＡＤ仿真１５０
　８.１　ＰＮ結二極管１５０
　　８.１.１　ＰＮ結基礎１５０
　　８.１.２　在平衡時的橫嚮ＰＮ結二極管１５１
　　８.１.３　正嚮導通（導通態） １５３
　　８.１.４　一個ＰＮ結二極管的反嚮偏置１５６
　　８.１.５　具有ＮＢＬ的橫嚮ＰＮ結二極管１５６
　　８.１.６　ＰＮ結二極管的擊穿電壓增強１５８
　　８.１.７　反嚮恢復１６６
　　８.１.８　Ｓｃｈｏｔｔｋｙ二極管１６９
目　　錄Ⅺ　
　　８.１.９　Ｚｅｎｅｒ二極管１７０
　　８.１.１０　ＰＮ結二極管的小信號模型１７３
　８.２　雙極結型晶體管１７４
　　８.２.１　ＮＰＮ型ＢＪＴ的基本工作原理１７５
　　８.２.２　ＮＰＮ型ＢＪＴ的擊穿１７８
　　８.２.３　ＢＪＴ的Ｉ－Ｖ麯綫族１８２
　　８.２.４　Ｋｉｒｋ效應１８２
　　８.２.５　ＢＪＴ熱失控和二次擊穿的仿真１８６
　　８.２.６　ＢＪＴ的小信號模型和截止頻率的仿真１８８
　８.３　ＬＤＭＯＳ １９１
　　８.３.１　擊穿電壓的提高１９１
　　８.３.２　ＬＤＭＯＳ中的寄生ＮＰＮＢＪＴ ２２０
　　８.３.３　ＬＤＭＯＳ的導通電阻２２２
　　８.３.４　ＬＤＭＯＳ的閾值電壓２２６
　　８.３.５　ＬＤＭＯＳ的輻照加固設計２２７
　　８.３.６　ＬＤＭＯＳ的Ｉ－Ｖ麯綫族２２８
　　８.３.７　ＬＤＭＯＳ的自加熱２３０
　　８.３.８　ＬＤＭＯＳ的寄生電容２３１
　　８.３.９　ＬＤＭＯＳ的柵電荷２３４
　　８.３.１０　ＬＤＭＯＳ非鉗位感應開關（ＵＩＳ） ２３５
　　８.３.１１　ＬＤＭＯＳ的簡潔模型２３６
第９章　集成的功率半導體器件的３ＤＴＣＡＤ模擬２３８
　９.１　３Ｄ器件的布局效應２３８
　９.２　ＬＩＧＢＴ的３Ｄ仿真２４１
　　９.２.１　關於ＬＩＧＢＴ ２４１
　　９.２.２　分段陽極ＬＩＧＢＴ ２４１
　　９.２.３　分段陽極ＬＩＧＢＴ３Ｄ工藝仿真２４４
　　９.２.４　分段陽極ＬＩＧＢＴ的３Ｄ器件仿真２４６
　９.３　超結ＬＤＭＯＳ ２５４
　　９.３.１　基本概念２５４
　　９.３.２　超結ＬＤＭＯＳ的結構２６１
　　９.３.３　超結ＬＤＭＯＳ的３Ｄ仿真２６１
　　９.３.４　超結ＬＤＭＯＳ的３Ｄ器件仿真２６４
　　９.３.５　一個具有相同的Ｎ漂移區摻雜的標準ＬＤＭＯＳ的３Ｄ仿真２６５
　　９.３.６　一個Ｎ漂移區摻雜降低的標準ＬＤＭＯＳ的３Ｄ仿真２６５
　　９.３.７　超結ＬＤＭＯＳ和標準ＬＤＭＯＳ的比較２６６
　９.４　超結功率ＦｉｎＦＥＴ ２６７
　　９.４.１　超結功率ＦｉｎＦＥＴ的工藝流程２６９
　Ⅻ 集成功率器件設計及ＴＣＡＤ仿真
　　９.４.２　超結功率ＦｉｎＦＥＴ的測量結果２７０
　　９.４.３　超結功率ＦｉｎＦＥＴ的３Ｄ仿真２７１
　９.５　大的互連仿真２７３
　　９.５.１　大的互連的３Ｄ工藝仿真２７５
　　９.５.２　大的互連的３Ｄ器件仿真２７９
第１０章　ＧａＮ器件介紹２８１
　１０.１　化閤物材料與矽２８１
　１０.２　ＧａＮ器件的襯底材料２８２
　１０.３　Ⅲ －氮族縴鋅礦結構的極化特性２８３
　　１０.３.１　微觀偶極子與極化矢量２８３
　　１０.３.２　晶體結構與極化２８４
　　１０.３.３　零淨極化的理想ｃ０／ａ０比２８４
　１０.４　ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異質結２８７
　　１０.４.１　具有固定鋁摩爾分數的能帶圖２８８
　　１０.４.２　具有一個固定的ＡｌＧａＮ層厚度的能帶圖２８９
　　１０.４.３　具有摻雜的ＡｌＧａＮ或ＧａＮ層的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ結構２９１
　　１０.４.４　具有金屬接觸的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ結構２９２
　１０.５　在ＡｌＧａＮ／ＧａＮ結構中的陷阱２９３
　１０.６　一個簡單的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ ２９４
　　１０.６.１　器件結構２９４
　　１０.６.２　ＧａＮ ＨＥＭＴ的ＩＤ －ＶＧ麯綫２９６
　　１０.６.３　小結２９７
　１０.７　ＧａＮ功率ＨＥＭＴ例子Ⅰ ２９８
　　１０.７.１　器件結構２９８
　　１０.７.２　ＧａＮ材料的碰撞電離係數３００
　　１０.７.３　ＧａＮＨＥＭＴ器件的擊穿仿真３００
　１０.８　ＧａＮ功率ＨＥＭＴ範例Ⅱ ３０１
　１０.９　ＧａＮ ＨＥＭＴ器件的柵極漏電流的仿真３０２
　　１０.９.１　器件結構３０２
　　１０.９.２　模型和仿真設置３０３
　　１０.９.３　柵極泄漏電流仿真３０５
　１０.１０　化閤物半導體電力應用的市場前景３０６
附錄Ａ　載流子統計３０８
附錄Ｂ　載流子統計３０９
附錄Ｃ　陷阱動力學和ＡＣ分析３２０

前言/序言

從２０世紀４０年代末晶體管的發明開始，晶體管主要沿著兩個方嚮，即器件的小型化以及性能改進發展。性能改進的關鍵參數之一是晶體管的額定功率，它的發展導緻功率半導體領域的産生。因為所有的電子器件都需要一個閤適工作的電源和電源管理電路，功率半導體領域是過去幾十年晶體管發展的一個重要領域。
近年來，器件小型化使得最小特徵尺寸接近納米級，而目前的超大規模集成電路（ＵＬＳＩ）技術能夠把數十億個晶體管集成在一個芯片上，這在芯片供電時會産生嚴重的問題。此外，由於環境問題需要更高的功率效率，也給係統的電源管理和電源電路帶來瞭沉重的負擔。這些和其他相關問題推動瞭功率半導體器件與技術領域的持續研究。
功率半導體領域發展的重點是針對高額定功率的分立功率器件。典型結構是雙極型功率晶體管和晶閘管。由於這些器件緩慢的開關速度和較大的開關損耗，發明瞭快速開關器件，如垂直雙擴散ＭＯＳ（ＶＤＭＯＳ） 晶體管，而應對較小的功率損耗，發明瞭絕緣柵雙極型晶體管（ＩＧＢＴ）。隨著集成電路（ＩＣ）技術應用越來越普遍，推動瞭集成功率晶體管與控製ＩＣ的低成本、結構緊湊和高性能的應用。為瞭實現這一目標，開發瞭橫嚮雙擴散ＭＯＳ（ＬＤＭＯＳ） 晶體管和橫嚮絕緣柵雙極型晶體管（ＬＩＧＢＴ）。這是功率ＩＣ （ＰＩＣ） 技術發展的黃金時代，並開發齣瞭不同的雙極ＣＭＯＳＤＭＯＳ（ＢＣＤ）技術。
伴隨如今發達的ＵＬＳＩ和ＰＩＣ技術，預計片上功率係統（ＰｏｗｅｒＳＯＣ）的發展對未來的消費和工業應用將是一個非常有前途的方嚮。當然，要實現這一目標，實現高性能單片無源元件的各種其他技術，也需要有效的無源元件和ＩＣ集成以及有效的功耗技術。
ＰＩＣ技術的開發，無論是高性能的橫嚮功率晶體管還是工藝技術都是必需的。對半導體器件和工藝技術的高效設計，在業界常用到計算機輔助設計技術（ＴＣＡＤ）工具。市麵上已經齣版瞭一些關於功率器件設計和工藝開發的書籍，但沒有特彆關注如何利用ＴＣＡＤ工具設計和開發功率器件和ＰＩＣ的。本書目的是滿足這方麵的需要，特彆是剛剛進入功率半導體領域的工程師，對采用ＴＣＡＤ工具對器件和工藝進行設計和開發提供一個快速入門的途徑。
本書采用瞭自上而下的方法，引領新的工程師進入到該領域。它從基本的電力電子係統開始，同時介紹瞭功率ＩＣ，並在進入智能功率集成電路技術之前引導讀者探索半導體産業，然後解釋基本工藝和器件模擬的ＴＣＡＤ建模，並討論瞭具體製造過程的精確和可靠模擬結果的模型校準，然後對如何利用ＴＣＡＤ工具進行功率ＩＣ工藝開發和功率器件設計進行瞭詳細介紹，這包括許多實際功率器件和工藝技術與工業設計有關的ＴＣＡＤ方法和過程的仿真實例。超過３００張的圖示有效地說明瞭功率器件和設計的關鍵概念和技術。最後，簡要介紹瞭ＧａＮ功率器件的ＴＣＡＤ仿真，特彆是對那些具有矽技術背景的，剛開始從事這一領域的讀者非常有幫助。
在本書的寫作過程中，作者得到瞭很多人的幫助和支持。要對他們每一個人慷慨的幫助和支持錶示衷心的感謝。特彆要感謝ＣｒｏｓｓｌｉｇｈｔＳｏｆｔｗａｒｅ的ＭｉｃｈｅｌＬｅｓｔｒａｄｅ，在審閱和校對工作中做齣瞭重要貢獻；感謝不列顛哥倫比亞大學Ｍａｇ�玻紓椋澹兀椋岷停模潁�ＹｕａｎｗｅｉＤｏｎｇ教授對第７章工藝仿真和其他章節的審閱；感謝浙江大學ＧａｎｇＸｉｅ教授對第１０章關於ＧａＮ器件仿真模擬的審閱；感謝ＭｅｇａＨｅｒｔｚＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ公司首席執行官ＲｏｂｅｒｔＴａｙｌｏｒ和ＧｒｅｅｃｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司的Ｒｏｕ�玻恚澹睿校澹簦耄錚霾┦慷緣塚閉碌納笤暮徒ㄒ椋桓行環燒裝氳繼騫�司（ＵＳＡ） ＧａｒｙＤｏｌ�玻睿�博士和伊利諾理工大學的ＪｏｈｎＳｈｅｎ教授對全書初步審閱和建議。
最後，特彆感謝Ｔａｙｌｏｒ＆ Ｆｒａｎｃｉｓ的ＮｏｒａＫｏｎｏｐｋａ、ＭｉｃｈｅｌｅＳｍｉｔｈ、ＫａｔｈｒｙｎＥｖｅｒｅｔｔ、ＩｒｉｓＦａｈｒｅｒ和ＴｈｅｒｅｓａＤｅｌｆｏｒｎ專業和熱情的幫助。