集成功率器件设计及TCAD仿真 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

内容简介

《集成功率器件设计及TCAD仿真》从电力电子到功率集成电路（PIC）、智能功率技术、器件等方面给电源管理和半导体产业提供了一个完整的描述。《集成功率器件设计及TCAD仿真》不仅介绍了集成功率半导体器件，如横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（LDMOSFET）、横向绝缘栅双极型晶体管（LIGBT）和超结LDMOSFET的内部物理现象，还对电源管理系统进行了一个简单的介绍。《集成功率器件设计及TCAD仿真》运用计算机辅助设计技术（TCAD）仿真实例讲解集成功率半导体器件的设计，代替抽象的理论处理和令人生畏的方程，并且还探讨了下一代功率器件，如氮化镓高电子迁移率功率晶体管（GaN功率HEMT）。《集成功率器件设计及TCAD仿真》内容有助于填补功率器件工程和电源管理系统之间的空白。书中包括智能PIC的一个典型的工艺流程以及很难在其他同类书中找到的技术开发组织图，通过对本书的阅读，可以使学生和年轻的工程师在功率半导体器件领域领先一步。

目录

译者序
原书前言
作者简介
第１章　电力电子，可以实现绿色的技术１
　１.１　电力电子介绍１
　１.２　电力电子的发展历程３
　１.３　ＤＣ／ＤＣ变换器４
　１.４　线性稳压器４
　１.５　开关电容ＤＣ／ＤＣ变换器（电荷泵） ５
　１.６　开关模式ＤＣ／ＤＣ变换器６
　１.７　线性稳压器、电荷泵和开关调节器的比较８
　１.８　非隔离ＤＣ／ＤＣ开关变换器的拓扑结构８
　　１.８.１　Ｂｕｃｋ变换器９
　　１.８.２　Ｂｏｏｓｔ变换器１１
　　１.８.３　Ｂｕｃｋ－ｂｏｏｓｔ变换器１２
　　１.８.４　Ｃｕｋ变换器１４
　　１.８.５　非隔离式变换器额外的话题１４
　１.９　隔离的开关变换器拓扑结构１６
　　１.９.１　反激式变换器１６
　　１.９.２　正激式变换器１７
　　１.９.３　全桥变换器１８
　　１.９.４　半桥变换器１９
　　１.９.５　推挽变换器２０
　　１.９.６　隔离ＤＣ／ＤＣ变换器其他话题２０
　　１.９.７　隔离ＤＣ／ＤＣ变换器拓扑结构的比较２２
　１.１０　ＳＰＩＣＥ电路仿真２２
　１.１１　对于电池供电器件的电源管理系统２３
　１.１２　小结２４
第２章　功率变换器和电源管理芯片２５
　２.１　用于ＶＬＳＩ电源管理的动态电压调节２５
　２.２　集成的ＤＣ／ＤＣ变换器２７
　　２.２.１　分段的输出级２９
　　２.２.２　一个辅助级的瞬态抑制３２
　２.３　小结３６
第３章　半导体产业和超摩尔定律３７
　３.１　半导体产业３７
　３.２　半导体产业的历史３８
　　３.２.１　一个简要的时间表３８
　　３.２.２　八叛逆３８
　　３.２.３　半导体产业的历史路线图３９
　３.３　半导体产业的食物链金字塔４０
　　３.３.１　第１层：晶圆和ＥＤＡ工具４１
　　３.３.２　第２层：器件工程４２
　　３.３.３　第３层：ＩＣ设计４２
　　３.３.４　第４层：制造、封装和测试４３
　　３.３.５　第５层：系统和软件４３
　　３.３.６　第６层：市场营销４４
　３.４　半导体公司４５
　３.５　超摩尔定律４６
第４章　智能功率ＩＣ技术４９
　４.１　智能功率ＩＣ技术基础４９
　４.２　智能功率ＩＣ技术：历史展望５０
　４.３　智能功率ＩＣ技术：产业展望５２
　　４.３.１　智能功率ＩＣ技术的工程组５２
　　４.３.２　智能功率ＩＣ技术开发流程５５
　　４.３.３　计划阶段５６
　　４.３.４　工艺集成和器件设计５７
　　４.３.５　布图、投片、制造和测试５８
　　４.３.６　可靠性和标准５９
　　４.３.７　目前智能功率技术的概述６０
　４.４　智能功率ＩＣ技术：技术展望６１
　　４.４.１　智能功率技术中的器件６２
　　４.４.２　智能功率ＩＣ技术的设计考虑６２
　　４.４.３　隔离方法６５
第５章　ＴＣＡＤ工艺仿真介绍６７
　５.１　概述６７
　５.２　网格设置和初始化６７
　５.３　离子注入６９
　　５.３.１分析模型７０
　　５.３.２　多层注入７１
目　　录Ⅸ　
　　５.３.３　ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ模拟７１
　５.４　淀积７２
　５.５　氧化７３
　　５.５.１　干氧氧化７３
　　５.５.２　湿氧氧化７４
　　５.５.３　氧化模型７４
　５.６　刻蚀７６
　５.７　扩散７７
　　５.７.１　扩散机制７８
　　５.７.２　扩散模型７９
　５.８　分凝８０
　５.９　工艺模拟器模型的校准８３
　５.１０　３Ｄ ＴＣＡＤ工艺仿真介绍８４
　５.１１　ＧＰＵ仿真８５
第６章　ＴＣＡＤ器件仿真介绍８７
　６.１　概述８７
　６.２　器件仿真基础８７
　　６.２.１　漂移－扩散模型８７
　　６.２.２　离散化８８
　　６.２.３　Ｎｅｗｔｏｎ方法８９
　　６.２.４　初始猜测和自适应偏置步长８９
　　６.２.５　收敛问题９０
　　６.２.６　边界条件９１
　　６.２.７　瞬态仿真９３
　　６.２.８　网格问题９３
　６.３　物理模型９３
　　６.３.１　载流子统计９４
　　６.３.２　杂质的不完全电离９４
　　６.３.３　重掺杂效应９４
　　６.３.４　ＳＲＨ和Ａｕｇｅｒ复合９４
　　６.３.５　雪崩击穿和碰撞电离９５
　　６.３.６　载流子迁移率１０１
　　６.３.７　热和自加热１０６
　　６.３.８　带隙变窄效应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 集成功率器件设计及ＴＣＡＤ仿真
　６.５　在ＴＣＡＤ仿真中的陷阱模型１１１
　　６.５.１　陷阱电荷的状态１１１
　　６.５.２　陷阱动力学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仿真的基本隧穿理论１１６
　　６.６.３　隧穿的非平衡Ｇｒｅｅｎ函数的介绍１１８
　６.７　器件仿真器模型的校准１１９
第７章　功率ＩＣ工艺流程的ＴＣＡＤ仿真１２０
　７.１　概述１２０
　７.２　一个模拟的功率ＩＣ工艺流程１２０
　　７.２.１　工艺流程步骤１２０
　　７.２.２　模拟的工艺流程的结构视图１２１
　７.３　智能功率ＩＣ工艺流程模拟１２２
　　７.３.１　Ｐ＋衬底１２２
　　７.３.２　Ｎ型掩埋层１２３
　　７.３.３　外延层生长和深Ｎ连接１２５
　　７.３.４　高压双阱１２７
　　７.３.５　Ｎ－ＬＤＭＯＳ的Ｐ型体注入１２８
　　７.３.６　有源区面积／浅沟槽隔离（ＳＴＩ） １２９
　　７.３.７　Ｎ阱和Ｐ阱１３４
　　７.３.８　低压双阱１３５
　　７.３.９　厚栅氧层和薄栅氧层１３６
　　７.３.１０　多晶栅１３９
　　７.３.１１　ＮＬＤＤ和ＰＬＤＤ １３９
　　７.３.１２　侧墙１４１
　　７.３.１３　ＮＳＤ和ＰＳＤ １４２
　　７.３.１４　后端工序１４４
第８章　集成功率半导体器件的ＴＣＡＤ仿真１５０
　８.１　ＰＮ结二极管１５０
　　８.１.１　ＰＮ结基础１５０
　　８.１.２　在平衡时的横向ＰＮ结二极管１５１
　　８.１.３　正向导通（导通态） １５３
　　８.１.４　一个ＰＮ结二极管的反向偏置１５６
　　８.１.５　具有ＮＢＬ的横向ＰＮ结二极管１５６
　　８.１.６　ＰＮ结二极管的击穿电压增强１５８
　　８.１.７　反向恢复１６６
　　８.１.８　Ｓｃｈｏｔｔｋｙ二极管１６９
目　　录Ⅺ　
　　８.１.９　Ｚｅｎｅｒ二极管１７０
　　８.１.１０　ＰＮ结二极管的小信号模型１７３
　８.２　双极结型晶体管１７４
　　８.２.１　ＮＰＮ型ＢＪＴ的基本工作原理１７５
　　８.２.２　ＮＰＮ型ＢＪＴ的击穿１７８
　　８.２.３　ＢＪＴ的Ｉ－Ｖ曲线族１８２
　　８.２.４　Ｋｉｒｋ效应１８２
　　８.２.５　ＢＪＴ热失控和二次击穿的仿真１８６
　　８.２.６　ＢＪＴ的小信号模型和截止频率的仿真１８８
　８.３　ＬＤＭＯＳ １９１
　　８.３.１　击穿电压的提高１９１
　　８.３.２　ＬＤＭＯＳ中的寄生ＮＰＮＢＪＴ ２２０
　　８.３.３　ＬＤＭＯＳ的导通电阻２２２
　　８.３.４　ＬＤＭＯＳ的阈值电压２２６
　　８.３.５　ＬＤＭＯＳ的辐照加固设计２２７
　　８.３.６　ＬＤＭＯＳ的Ｉ－Ｖ曲线族２２８
　　８.３.７　ＬＤＭＯＳ的自加热２３０
　　８.３.８　ＬＤＭＯＳ的寄生电容２３１
　　８.３.９　ＬＤＭＯＳ的栅电荷２３４
　　８.３.１０　ＬＤＭＯＳ非钳位感应开关（ＵＩＳ） ２３５
　　８.３.１１　ＬＤＭＯＳ的简洁模型２３６
第９章　集成的功率半导体器件的３ＤＴＣＡＤ模拟２３８
　９.１　３Ｄ器件的布局效应２３８
　９.２　ＬＩＧＢＴ的３Ｄ仿真２４１
　　９.２.１　关于ＬＩＧＢＴ ２４１
　　９.２.２　分段阳极ＬＩＧＢＴ ２４１
　　９.２.３　分段阳极ＬＩＧＢＴ３Ｄ工艺仿真２４４
　　９.２.４　分段阳极ＬＩＧＢＴ的３Ｄ器件仿真２４６
　９.３　超结ＬＤＭＯＳ ２５４
　　９.３.１　基本概念２５４
　　９.３.２　超结ＬＤＭＯＳ的结构２６１
　　９.３.３　超结ＬＤＭＯＳ的３Ｄ仿真２６１
　　９.３.４　超结ＬＤＭＯＳ的３Ｄ器件仿真２６４
　　９.３.５　一个具有相同的Ｎ漂移区掺杂的标准ＬＤＭＯＳ的３Ｄ仿真２６５
　　９.３.６　一个Ｎ漂移区掺杂降低的标准ＬＤＭＯＳ的３Ｄ仿真２６５
　　９.３.７　超结ＬＤＭＯＳ和标准ＬＤＭＯＳ的比较２６６
　９.４　超结功率ＦｉｎＦＥＴ ２６７
　　９.４.１　超结功率ＦｉｎＦＥＴ的工艺流程２６９
　Ⅻ 集成功率器件设计及ＴＣＡＤ仿真
　　９.４.２　超结功率ＦｉｎＦＥＴ的测量结果２７０
　　９.４.３　超结功率ＦｉｎＦＥＴ的３Ｄ仿真２７１
　９.５　大的互连仿真２７３
　　９.５.１　大的互连的３Ｄ工艺仿真２７５
　　９.５.２　大的互连的３Ｄ器件仿真２７９
第１０章　ＧａＮ器件介绍２８１
　１０.１　化合物材料与硅２８１
　１０.２　ＧａＮ器件的衬底材料２８２
　１０.３　Ⅲ －氮族纤锌矿结构的极化特性２８３
　　１０.３.１　微观偶极子与极化矢量２８３
　　１０.３.２　晶体结构与极化２８４
　　１０.３.３　零净极化的理想ｃ０／ａ０比２８４
　１０.４　ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结２８７
　　１０.４.１　具有固定铝摩尔分数的能带图２８８
　　１０.４.２　具有一个固定的ＡｌＧａＮ层厚度的能带图２８９
　　１０.４.３　具有掺杂的ＡｌＧａＮ或ＧａＮ层的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ结构２９１
　　１０.４.４　具有金属接触的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ结构２９２
　１０.５　在ＡｌＧａＮ／ＧａＮ结构中的陷阱２９３
　１０.６　一个简单的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ ２９４
　　１０.６.１　器件结构２９４
　　１０.６.２　ＧａＮ ＨＥＭＴ的ＩＤ －ＶＧ曲线２９６
　　１０.６.３　小结２９７
　１０.７　ＧａＮ功率ＨＥＭＴ例子Ⅰ ２９８
　　１０.７.１　器件结构２９８
　　１０.７.２　ＧａＮ材料的碰撞电离系数３００
　　１０.７.３　ＧａＮＨＥＭＴ器件的击穿仿真３００
　１０.８　ＧａＮ功率ＨＥＭＴ范例Ⅱ ３０１
　１０.９　ＧａＮ ＨＥＭＴ器件的栅极漏电流的仿真３０２
　　１０.９.１　器件结构３０２
　　１０.９.２　模型和仿真设置３０３
　　１０.９.３　栅极泄漏电流仿真３０５
　１０.１０　化合物半导体电力应用的市场前景３０６
附录Ａ　载流子统计３０８
附录Ｂ　载流子统计３０９
附录Ｃ　陷阱动力学和ＡＣ分析３２０

前言/序言

从２０世纪４０年代末晶体管的发明开始，晶体管主要沿着两个方向，即器件的小型化以及性能改进发展。性能改进的关键参数之一是晶体管的额定功率，它的发展导致功率半导体领域的产生。因为所有的电子器件都需要一个合适工作的电源和电源管理电路，功率半导体领域是过去几十年晶体管发展的一个重要领域。
近年来，器件小型化使得最小特征尺寸接近纳米级，而目前的超大规模集成电路（ＵＬＳＩ）技术能够把数十亿个晶体管集成在一个芯片上，这在芯片供电时会产生严重的问题。此外，由于环境问题需要更高的功率效率，也给系统的电源管理和电源电路带来了沉重的负担。这些和其他相关问题推动了功率半导体器件与技术领域的持续研究。
功率半导体领域发展的重点是针对高额定功率的分立功率器件。典型结构是双极型功率晶体管和晶闸管。由于这些器件缓慢的开关速度和较大的开关损耗，发明了快速开关器件，如垂直双扩散ＭＯＳ（ＶＤＭＯＳ） 晶体管，而应对较小的功率损耗，发明了绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）。随着集成电路（ＩＣ）技术应用越来越普遍，推动了集成功率晶体管与控制ＩＣ的低成本、结构紧凑和高性能的应用。为了实现这一目标，开发了横向双扩散ＭＯＳ（ＬＤＭＯＳ） 晶体管和横向绝缘栅双极型晶体管（ＬＩＧＢＴ）。这是功率ＩＣ （ＰＩＣ） 技术发展的黄金时代，并开发出了不同的双极ＣＭＯＳＤＭＯＳ（ＢＣＤ）技术。
伴随如今发达的ＵＬＳＩ和ＰＩＣ技术，预计片上功率系统（ＰｏｗｅｒＳＯＣ）的发展对未来的消费和工业应用将是一个非常有前途的方向。当然，要实现这一目标，实现高性能单片无源元件的各种其他技术，也需要有效的无源元件和ＩＣ集成以及有效的功耗技术。
ＰＩＣ技术的开发，无论是高性能的横向功率晶体管还是工艺技术都是必需的。对半导体器件和工艺技术的高效设计，在业界常用到计算机辅助设计技术（ＴＣＡＤ）工具。市面上已经出版了一些关于功率器件设计和工艺开发的书籍，但没有特别关注如何利用ＴＣＡＤ工具设计和开发功率器件和ＰＩＣ的。本书目的是满足这方面的需要，特别是刚刚进入功率半导体领域的工程师，对采用ＴＣＡＤ工具对器件和工艺进行设计和开发提供一个快速入门的途径。
本书采用了自上而下的方法，引领新的工程师进入到该领域。它从基本的电力电子系统开始，同时介绍了功率ＩＣ，并在进入智能功率集成电路技术之前引导读者探索半导体产业，然后解释基本工艺和器件模拟的ＴＣＡＤ建模，并讨论了具体制造过程的精确和可靠模拟结果的模型校准，然后对如何利用ＴＣＡＤ工具进行功率ＩＣ工艺开发和功率器件设计进行了详细介绍，这包括许多实际功率器件和工艺技术与工业设计有关的ＴＣＡＤ方法和过程的仿真实例。超过３００张的图示有效地说明了功率器件和设计的关键概念和技术。最后，简要介绍了ＧａＮ功率器件的ＴＣＡＤ仿真，特别是对那些具有硅技术背景的，刚开始从事这一领域的读者非常有帮助。
在本书的写作过程中，作者得到了很多人的帮助和支持。要对他们每一个人慷慨的帮助和支持表示衷心的感谢。特别要感谢ＣｒｏｓｓｌｉｇｈｔＳｏｆｔｗａｒｅ的ＭｉｃｈｅｌＬｅｓｔｒａｄｅ，在审阅和校对工作中做出了重要贡献；感谢不列颠哥伦比亚大学Ｍａｇ�玻纾椋澹兀椋岷停模颍�ＹｕａｎｗｅｉＤｏｎｇ教授对第７章工艺仿真和其他章节的审阅；感谢浙江大学ＧａｎｇＸｉｅ教授对第１０章关于ＧａＮ器件仿真模拟的审阅；感谢ＭｅｇａＨｅｒｔｚＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ公司首席执行官ＲｏｂｅｒｔＴａｙｌｏｒ和ＧｒｅｅｃｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司的Ｒｏｕ�玻恚澹睿校澹簦耄铮霾┦慷缘冢闭碌纳笤暮徒ㄒ椋桓行环烧装氲继骞�司（ＵＳＡ） ＧａｒｙＤｏｌ�玻睿�博士和伊利诺理工大学的ＪｏｈｎＳｈｅｎ教授对全书初步审阅和建议。
最后，特别感谢Ｔａｙｌｏｒ＆ Ｆｒａｎｃｉｓ的ＮｏｒａＫｏｎｏｐｋａ、ＭｉｃｈｅｌｅＳｍｉｔｈ、ＫａｔｈｒｙｎＥｖｅｒｅｔｔ、ＩｒｉｓＦａｈｒｅｒ和ＴｈｅｒｅｓａＤｅｌｆｏｒｎ专业和热情的帮助。