Advanced Power MOSFET Concepts

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出版者:Springer
作者:B. Jayant Baliga
出品人:
页数:580
译者:
出版时间:2010-07-07
价格:USD 229.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9781441959164
丛书系列:
图书标签:
  • 英文原版
  • 微电子
  • IC
  • Power MOSFET
  • MOSFET
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具体描述

《器件物理与新型功率半导体》 内容简介 本书旨在全面、深入地探讨当前电力电子领域最为核心的功率半导体器件的物理基础、先进制造工艺及其在现代电力系统中的应用。本书内容横跨基础半导体物理到尖端材料科学,为读者提供了一个理解和设计下一代高效能功率模块的坚实理论框架。 第一部分:功率半导体器件的物理基础与建模 本部分将从半导体物理的微观视角出发,系统梳理功率器件的本征特性。首先,深入剖析PN结、肖特基结以及金属-氧化物-半导体(MOS)结构的能带图、载流子输运机制(漂移、扩散和陷阱辅助输运)。重点阐述载流子在不同掺杂浓度、温度和电场强度下的行为,这是理解器件开关损耗和导通损耗的关键。 接着,本书详细介绍了关键器件单元的物理机制。对于传统的双极型功率晶体管(如GTR、IGBT),我们将分析其电流增益、饱和电压的温度依赖性,并引入先进的少子注入与复合模型,以精确预测其动态性能。对于MOSFET家族,我们将详细探讨沟道电场的建立、阈值电压的控制以及亚阈区导电机制,特别是如何通过栅氧化层厚度和沟道工程来优化导通电阻$R_{DS(on)}$。 为实现精确的系统级仿真,本书提供了多种尺度的器件模型。这包括基于物理的解析模型(如Ebers-Moll模型及其改进)和基于有限元分析(FEA)的数值模型。我们将讨论如何利用这些模型来预测器件的热点分布、瞬态响应,以及在非线性负载下的可靠性问题。特别关注了陷阱态密度(Trap Density)对高频开关性能的影响。 第二部分:关键功率半导体材料的结构与特性 功率器件的性能极限往往受限于所采用的半导体材料。本书对几种主流和新兴的宽禁带(WBG)半导体材料进行了详尽的比较和分析。 碳化硅(SiC): 详细介绍了3C-SiC和4H-SiC晶体结构的差异及其对电子迁移率、热导率的影响。重点分析了SiC MOSFET的工作原理,特别是其高临界击穿电场如何使得器件能够在更高的电压等级下工作,同时保持较低的导通损耗。本书将探讨SiC器件面临的主要挑战,包括高温工作下的栅氧化层界面缺陷(如界面态密度$D_{it}$)对阈值电压稳定性的影响,以及其在衬底生长和外延层缺陷控制方面的最新进展。 氮化镓(GaN): 聚焦于横向结构的增强型HEMT(E-mode HEMT)。通过分析AlGaN/GaN异质结的量子阱结构,解释了二维电子气(2DEG)的形成机制及其高载流子浓度特性。我们将深入探讨GaN器件的动态导通电阻(Dynamic $R_{DS(on)}$)现象,分析其背后的陷阱效应(如穿透深度、陷阱能级),并提出通过优化缓冲层设计来缓解这些效应的策略。此外,本书还将涵盖GaN在射频和高密度功率转换中的独特优势。 其他新兴材料: 简要介绍如氧化镓(Ga2O3)等超宽禁带材料的潜力和挑战,特别是其在实现数千伏高压应用方面的潜力分析。 第三部分:先进工艺技术与可靠性工程 器件的性能不仅仅依赖于材料本身,更依赖于精密的制造工艺。本部分详细介绍了构建高性能功率模块的关键技术。 电场管理与阻挡结构: 深入探讨了如何通过场限区(Field Plate)、Junction Termination Extension (JTE) 或 P-body 结构来均匀分布器件边缘的电场,从而有效提高器件的击穿电压,突破朗格定律(Lang's Limit)的限制。我们将对不同终止结构(如环形栅、滑动栅)的电场分布进行数值模拟和对比分析。 互联与封装: 功率模块的封装是决定其热阻和电感特性的核心环节。本书讨论了先进的互连技术,包括传统的引线键合(Wire Bonding)、倒装芯片(Flip Chip)以及铜柱(Copper Pillar)技术。重点分析了热界面材料(TIMs)的选择、烧结(Sintering)银浆的应用及其对长期热循环可靠性的影响。对于高频应用,本书还探讨了低电感封装设计和嵌入式无源元件的集成技术。 可靠性与故障分析: 功率半导体器件的可靠性是工业应用的基础。本部分系统阐述了主要的失效模式,包括电迁移(Electromigration)、热循环疲劳、电致击穿(Electrical Breakdown)和静电放电(ESD)。特别是针对WBG器件,我们将分析其在极端温度和高 $ ext{d}V/ ext{d}t$ 条件下的长期老化行为,并介绍加速寿命测试(ALT)的原理和方法。 第四部分:功率器件在现代电力电子中的集成与应用 最后一部分将理论知识与实际应用相结合,展示先进功率器件如何推动电力电子系统向更高频率、更高效率和更小体积发展。 开关性能优化: 详细分析了栅极驱动电路的设计对MOSFET和HEMT开关损耗的决定性影响。讨论了开关频率、死区时间(Dead Time)与系统效率之间的权衡。引入了零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)技术在高频变换器中的应用案例,并分析了器件在这些拓扑结构下的损耗机制。 系统级挑战: 讨论了高功率密度系统中的热管理策略,包括强制风冷、液冷回路设计及其对器件寿命的约束。此外,还探讨了模块化多电平变流器(MMC)等先进拓扑中对器件同步性和均流控制的要求。 应用实例: 选取电动汽车(EV)的牵引逆变器、高密度数据中心电源以及可再生能源并网系统作为案例,展示不同电压等级和频率要求下,SiC和GaN器件相对于传统硅基器件所带来的系统级效率提升和体积缩小。 本书内容严谨,图文并茂,旨在为从事电力电子、微电子设计、半导体制造以及相关领域的研究人员、工程师和高年级学生提供一本权威且实用的参考著作。它不仅是理论探索的工具,更是工程实践的指南。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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我选购《Advanced Power MOSFET Concepts》这本书,主要是因为我目前正在负责一个需要高频率、高效率开关设计的项目,而功率MOSFET是这个项目的核心器件。我在实践中发现,虽然MOSFET在很多应用中表现出色,但对其内部工作机制的理解仍有不足,尤其是在面对快速开关、高功率密度等挑战时,如何充分发挥其性能潜力,同时保证系统的稳定性和可靠性,是我一直在探索的问题。我希望这本书能够提供关于功率MOSFET在高频开关过程中的损耗机制的深入分析,包括导通损耗、开关损耗(上升时间损耗、下降时间损耗、关断损耗)以及如何通过选择合适的器件和优化栅极驱动来最小化这些损耗。我对书中关于MOSFET的栅极电荷(Qg)及其各个分量(Qgs, Qgd, Qrr)的详细解析抱有很大期待,了解它们如何影响开关速度和驱动需求,以及如何通过外部电路进行有效管理。此外,书中关于MOSFET的结温特性、热阻模型、以及如何进行精确的热管理和仿真分析,对我来说将是至关重要的。我希望能够从书中学习到如何应对MOSFET在高功率密度应用中的散热挑战,确保器件在长期运行中的可靠性。

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我之所以选择《Advanced Power MOSFET Concepts》,很大程度上是因为我在一个涉及高频开关电源的项目中,发现对功率MOSFET的理解仍有提升空间。在项目推进过程中,我们面临着如何进一步提高效率、降低发热以及控制EMI辐射的挑战,而这些都与功率MOSFET的性能密切相关。我希望这本书能深入解析功率MOSFET的各种损耗机制,特别是开关损耗,以及如何通过优化栅极驱动电路来最小化这些损耗。我期待书中能详细介绍当前市场上主流的功率MOSFET类型,如Trench MOSFET、Super Junction MOSFET等,并对其结构、优劣势以及适用场景进行深入分析。我尤其关注书中关于MOSFET栅极电荷(Qg)及其对开关速度的影响,以及如何通过选择合适的驱动器和优化栅极电阻来达到最佳的开关性能。此外,我也非常希望能从书中学习到如何进行精确的MOSFET热模型建立和仿真,以应对高功率密度设计中的散热挑战。我希望这本书能为我提供实用的指导,帮助我更好地理解和应用功率MOSFET,从而设计出更高效、更可靠的电力电子产品。

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我当时选择《Advanced Power MOSFET Concepts》这本书,纯粹是因为我工作的单位正在大力推广使用功率MOSFET来替代传统的IGBT,以寻求更高的效率和更低的成本。作为负责器件选型和初步电路设计的工程师,我感到前所未有的压力,因为我对MOSFET的认识还停留在初级的层面,尤其是在高压、高功率应用领域,我对其可靠性和性能上限存在很多疑问。我急切地需要一本能够系统地介绍功率MOSFET在各种复杂工况下的工作原理和性能表现的书籍。我特别希望书中能有关于MOSFET的各种先进结构,比如Super Junction MOSFET、Trench MOSFET,以及它们如何通过改变内部设计来降低导通电阻和提高电压耐受能力的详细解析。我期待书中能够深入探讨MOSFET的寄生效应,如寄生电感、寄生电容,以及它们在高频开关过程中产生的振铃和过冲,并提供相应的抑制方法。另外,对于MOSFET的栅极驱动电路的设计,特别是如何平衡开关速度、栅极损耗和安全性,我也希望书中能有深入的讲解,包括各种驱动IC的特点和应用场景。我非常关注MOSFET的可靠性,希望书中能有关于各种失效机理,如热失控、电应力失效、以及过压失效的详细分析,以及如何通过设计和测试来避免这些失效。

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我之所以选择《Advanced Power MOSFET Concepts》,很大程度上是出于我对功率半导体器件的浓厚兴趣,以及希望能够更深入地理解功率MOSFET这一关键元件的内在机理。我之前在学习和工作中,接触过一些功率MOSFET的应用,但总觉得对它的理解不够透彻,尤其是在面对一些复杂的应用场景时,例如在电动汽车的电机驱动、太阳能逆变器、或者高功率LED驱动等领域,我希望能够对MOSFET的性能极限和设计优化有更深刻的认识。我期待书中能够详细阐述功率MOSFET的各种先进结构,比如Trench MOSFET、Super Junction MOSFET等,以及它们是如何通过结构上的改进来降低导通电阻、提高击穿电压、并提升开关速度的。我尤其关注书中关于MOSFET栅极驱动的章节,希望能够学习到如何设计出高效、低损耗、且能抑制振铃和过冲的驱动电路,这对于实现功率MOSFET的最佳性能至关重要。此外,我对MOSFET的寄生参数,如Cgd、Cds、Cgs等,以及它们在不同工作状态下对电路性能的影响,也希望能有详细的分析和讲解。我希望通过阅读这本书,能够提升自己对功率MOSFET的建模能力,并能更好地理解和应用各种器件参数,从而在实际设计中做出更明智的器件选择。

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这本书的名字叫《Advanced Power MOSFET Concepts》,我大概是被这个名字吸引,觉得名字听起来很专业,应该能挖到不少干货。我当时的需求是想深入理解功率MOSFET的那些“进阶”的原理,特别是那些在实际应用中,尤其是在高频、高功率密度设计中经常遇到的挑战和解决方案。我记得自己当时是在为一个新能源汽车逆变器项目寻找更优化的功率器件方案,对MOSFET的开关损耗、导通损耗,以及它们的温度特性、栅极驱动特性、击穿机理、可靠性等都充满了疑问。我希望这本书能够像一本武林秘籍一样,把我从功率MOSFET的初学者提升到能够独当一面的高手。我特别期待书中能详细讲解诸如SiC和GaN器件与传统Si MOSFET的异同,它们在何种应用场景下更具优势,以及在驱动和保护电路设计上需要注意的细节。另外,对于一些新兴的功率MOSFET技术,比如Trench MOSFET的改进、Super Junction MOSFET的下一代发展、以及可能出现的新型材料和结构,如果书中能有所涉及,那将是锦上添花。我对于书中可能包含的详细理论推导、仿真分析、以及实际测试数据都抱有极大的兴趣,希望能从中学习到如何通过理论分析来指导工程实践,如何通过仿真来验证设计思路,以及如何解读和应用实验数据来优化产品性能。我非常看重书籍的实用性,希望它不仅能提供理论知识,更能教会我如何将这些知识应用到实际的工程问题中,例如如何选择合适的MOSFET型号、如何设计高效的栅极驱动电路、如何进行热管理、以及如何应对EMI问题等等。

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说实话,拿到《Advanced Power MOSFET Concepts》这本书,我的第一感觉就是它的厚重感,这通常预示着内容的深度和广度。作为一名在电力电子领域摸爬滚打了多年的工程师,我一直对功率MOSFET这个基础但又至关重要的元件有着浓厚的兴趣,并希望不断深化自己的理解。我之前的工作经历涉及了多个应用领域,从工业电源到通信电源,再到现在的可再生能源领域,功率MOSFET无处不在,但越是基础的东西,越容易被忽视其中的精妙之处。我尤其关注那些在极端工作条件下,比如高温、高湿、强电磁干扰等环境下的MOSFET性能表现,以及如何通过器件设计和外围电路的优化来保证系统的稳定性和可靠性。这本书的名字正好点出了我的需求——“Advanced”意味着它不会停留在基础的PN结理论,而是会深入探讨那些影响器件性能的关键因素,比如沟道调制效应、载流子复合、表面陷阱态、以及不同工艺技术对器件电特性的影响。我期待书中能有关于先进MOSFET结构(如 Trench Gate, V-MOS, Planar Gate 的对比分析,以及不同栅极材料和氧化层技术的优劣势)的详细阐述,包括它们在降低导通电阻、提高开关速度、以及提升耐压能力方面的作用。此外,对于MOSFET的寄生参数,如栅源电容、漏源电容、以及这些电容如何影响开关过程和EMI特性,我也希望有深入的解析。对MOSFET可靠性方面的内容,特别是热过载、雪崩击穿、以及热失效机理的深入探讨,也是我非常期待的,这直接关系到产品的寿命和安全性。

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我购买《Advanced Power MOSFET Concepts》的动机,是源于我最近在研究下一代的高效率开关电源设计。在这一过程中,我发现传统的功率MOSFET在某些极限应用场景下已经难以满足日益严苛的性能要求,尤其是在效率、功率密度以及工作频率方面。我迫切地希望这本书能够提供关于当前功率MOSFET技术最前沿的知识,包括新型材料(如SiC、GaN)的特性、优势以及应用前景,以及它们在设计和应用上与传统硅基MOSFET的显著区别。我期待书中能有关于MOSFET栅极电荷(Qg)的详细分析,以及如何通过优化栅极驱动电路来最小化Qg,从而提高开关速度并降低开关损耗。我对书中关于MOSFET的结温特性、热阻计算、以及如何进行精确的热建模和仿真分析抱有浓厚的兴趣,这对于设计高功率密度、高可靠性的产品至关重要。我希望书中能提供关于MOSFET可靠性评估和失效分析的实用方法,特别是针对高温、高压、高频等极端工作条件下的失效模式。我非常看重书籍的理论深度,希望书中能包含详细的半导体物理模型、器件电学行为的数学推导,以及相关的仿真模型参数的提取和应用方法,这将有助于我更深入地理解器件的工作原理,并指导我的设计工作。

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我选购《Advanced Power MOSFET Concepts》这本专著,主要是想填补我在功率MOSFET领域的一些知识空白,尤其是那些关于器件物理原理和先进制造工艺的内容。我一直对半导体器件的“黑箱”操作感到一丝不安,总想弄清楚它们到底是如何工作的,特别是那些决定其性能的关键因素。我记得自己曾经在调试一个高性能电机驱动时,多次因为对MOSFET的开关特性理解不够深入而遇到麻烦,比如开关时的瞬态过电压、EMI辐射超标,以及在高频下效率骤降等问题。我希望这本书能够提供对MOSFET内部结构的详细剖析,包括沟道区域、源区、漏区、栅极氧化层、以及栅极本身的材料和结构对电子流动的动力学行为的影响。我期待书中能有关于雪崩击穿机理、热失效模式、以及各种可靠性测试方法(如高加速寿命测试 HALT/HASS)的详细介绍,这对于确保我们产品的长期稳定运行至关重要。另外,我也非常想了解不同类型的功率MOSFET,比如Planar、Trench、VMOS等结构的优劣势,以及它们在导通电阻、击穿电压、开关速度、以及抗EMI能力方面的权衡。书中关于MOSFET参数(如Qg、Qgd、Qgs、Eoss)的详细解释及其对实际应用的影响,对我来说会非常有帮助。我希望通过阅读这本书,能够掌握更精确的器件建模技术,从而在设计阶段就能预测和优化电路性能,减少原型验证的迭代次数。

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我购买《Advanced Power MOSFET Concepts》这本书的初衷,很大程度上是源于我当前负责的一个高功率密度DC-DC转换器项目。在项目推进过程中,我们遇到了瓶颈,主要是关于如何进一步提升转换效率和降低发热量。我意识到,仅仅依靠现有的设计经验和对功率MOSFET的浅层理解,已经不足以应对这些挑战了。我希望这本书能够提供更深入的理论指导,帮助我理解功率MOSFET在不同工作状态下的损耗机制,特别是如何精确地量化导通损耗和开关损耗,以及它们与器件参数(如RDS(on), Qg, Coss, Crss)之间的复杂关系。我尤其希望书中能有关于新型宽禁带半导体材料(如SiC和GaN)功率MOSFET的详细比较和分析,它们在高性能应用中的优势和面临的挑战,以及相应的驱动和保护电路设计策略。我期待书中能有关于如何优化栅极驱动电路以实现快速、高效开关,同时最小化栅极损耗和过冲/振铃现象的深入探讨。此外,对于MOSFET的结温特性、热阻模型、以及如何结合热仿真进行有效的散热设计,我也抱有很高的期望。书中关于MOSFET的电热耦合效应的分析,以及如何通过器件设计和封装技术来改善散热性能,对我来说将非常有价值。我对书中可能包含的详细理论推导、半导体物理模型、以及基于实际数据的器件模型参数提取方法都非常感兴趣,希望能借此提升自己对功率MOSFET的建模和仿真能力。

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我购买《Advanced Power MOSFET Concepts》这本书,是因为我在从事电力电子系统设计过程中,遇到了关于功率MOSFET在高功率、高电压应用中的一些性能瓶颈。我深知,要突破这些瓶颈,必须对MOSFET的深层原理有更透彻的理解。我期待书中能够详细介绍当前最先进的功率MOSFET技术,比如关于新型沟道结构、栅极材料、以及封装技术如何进一步提升器件的性能,包括降低导通电阻、提高击穿电压、以及改善开关特性。我尤其关注书中对MOSFET的体二极管(body diode)特性的分析,这在很多应用中(如升压和桥式拓扑)是至关重要的,我希望能了解其反向恢复特性以及如何选择合适的MOSFET来优化这方面的性能。我同样对书中关于MOSFET的寄生参数,如Ciss、Coss、Crss,以及它们如何影响电路的EMI性能和稳定性抱有浓厚的兴趣,并希望能从中学习到有效的抑制措施。我希望通过阅读这本书,能够提升自己对功率MOSFET的仿真建模能力,并能更精准地预测和优化电路的动态性能。

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