内容简介
本书是关于宽禁带(WBG)半导体器件及其设计、应用等主题的综合性参考书籍，能够满足读者对基础及前沿知识的需求。本书内容以实用性为出发点，阐释了氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体的原理、制造工艺、特性表征、市场现状以及针对关键应用的设计方法。针对GaN器件，从材料特性、芯片设计、制造工艺和外特性各方面深入分析，重点介绍了仿真手段和各种典型应用，最后还介绍了目前主流的技术和GaN公司。针对SiC器件，主要介绍了芯片工艺、芯片技术、可靠性等，并对核心应用，如新能源汽车、储能等方面进行了介绍。
本书既适合电力电子、微电子、功率器件设计与制造等领域的研究及技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业本科生和研究生的教学参考书。此外，也适合对半导体、电力电子等技术感兴趣的管理者、投资者阅读，以拓宽视野。
目录
第1章 功率变换 001～006
1.1 引言001
1.2 变流技术002
1.3 电力电子变流器002
1.4 效率003
1.5 应用005
参考文献005
第2章 硅功率器件 007～013
2.1 材料和器件008
2.2 MOSFET 008
2.3 功率MOSFET 的电气特性009
2.4 功率MOSFET 的损耗012
参考文献013
第3章 宽禁带材料 014～025
3.1 引言014
3.2 碳化硅（SiC） 015
3.3 氮化镓（GaN） 018
3.3.1 GaN 的特性019
3.3.2 横向与纵向GaN 结构021
3.4 SiC 和GaN 的晶体结构021
3.5 金刚石与氧化镓023
参考文献025
第4章 GaN 026～034
4.1 GaN 的特性026
4.2 衬底与材料027
4.2.1 蓝宝石衬底028
4.2.2 Si 衬底029
4.2.3 Qromis 衬底技术（QST） 030
4.3 传输特性030
4.4 GaN 的缺陷与杂质032
参考文献033
第5章 GaN 功率器件 035～066
5.1 GaN 功率器件概述035
5.2 电学特性037
5.3 GaN 建模039
5.4 外延与掺杂040
5.5 远程外延技术在GaN 与SiC 薄膜领域的潜力041
5.6 GaN HEMT 的制造046
5.7 拓扑结构050
5.8 驱动特性056
5.9 平面型GaN 器件057
5.10 垂直型GaN 器件058
5.11 可靠性059
5.12 动态导通电阻061
5.13 栅极退化062
5.14 封装063
5.15 热管理065
参考文献066
第6章 GaN 应用 067～087
6.1 探索汽车产业067
6.1.1 功率模块068
6.1.2 逆变模块069
6.1.3 直流-直流变换器070
6.1.4 电机控制070
6.2 GaN 增强激光雷达（LiDAR）的工作性能070
6.2.1 飞行时间LiDAR 070
6.2.2 GaN 半导体在LiDAR 中的应用072
6.3 GaN 在RF 领域的革新072
6.3.1 GaN 在军事中的应用072
6.3.2 GaN 在电信业中的应用073
6.4 太空应用074
6.4.1 GaN 中的辐射效应074
6.4.2 电气性能075
6.4.3 太空用DC-DC 设计075
6.4.4 电机控制077
6.4.5 挑战与竞争格局078
6.5 电机驱动080
6.5.1 典型解决方案080
6.5.2 GaN 在电机驱动中的优势082
6.6 隔离式GaN 驱动器082
6.7 电源供应：数字控制083
6.8 低温应用083
6.9 LED 技术084
6.10 无线充电技术085
参考文献087
第7章 SiC 088～104
7.1 引言088
7.2 SiC 的特性088
7.3 SiC 晶圆制造与缺陷分析093
7.4 器件工艺098
7.5 沟槽栅MOSFET 和平面栅MOSFET 101
7.6 器件可靠性102
参考文献103
第8章 SiC 功率器件 105～119
8.1 SiC MOSFET 105
8.2 SiC 模块112
8.3 SiC 肖特基二极管117
参考文献119
第9章 SiC 应用 120～135
9.1 电动汽车120
9.1.1 电动汽车动力系统120
9.1.2 电动汽车充电器121
9.1.3 电动汽车逆变器122
9.1.4 高压保护123
9.2 SiC 技术案例124
9.2.1 微芯科技（Microchip Technology）的SiC 技术124
9.2.2 安森美（onsemi）的SiC 技术125
9.3 可再生能源125
9.3.1 太阳能逆变器126
9.3.2 风力机127
9.4 储能技术128
9.5 并网储能129
9.6 光伏电池的效率130
9.7 电机驱动技术131
9.7.1 电机控制基础概述131
9.7.2 伺服驱动132
9.8 工业驱动领域133
9.9 其他应用领域134
参考文献135
第10章 宽禁带器件仿真 136～150
10.1 使用LTspice 估算SiC MOSFET 的开关损耗136
10.1.1 开关损耗136
10.1.2 静态分析137
10.1.3 动态分析138
10.2 GaN 器件的LTspice 仿真140
10.2.1 GaN 器件测试实例一：GaN System GS61008P 140
10.2.2 制造商提供的库141
10.2.3 LTspice 上的符号141
10.2.4 开关速度测试142
10.2.5 GaN 器件测试实例二：eGaN FET EPC2001 144
10.3 SiC 二极管的仿真146
10.3.1 SiC 二极管146
10.3.2 正向电压147
10.3.3 容抗148
参考文献150
第11章 宽禁带半导体市场及解决方案 151～181
11.1 BelGaN 151
11.2 Cambridge GaN Devices 153
11.3 EPC 154
11.4 英飞凌（Infineon Technologies） 155
11.5 英诺赛科（Innoscience） 156
11.6 安世半导体（Nexperia） 157
11.7 Odyssey Semiconductor Technologies 159
11.8 Tago
前言/序言
在不断革新的功率器件及技术发展领域，人们持续追求高效率、高可靠性和高性能。宽禁带(Wide-band Gap，WBG)材料，尤其是氮化镓(Gallium Nitride，GaN)和碳化硅(Silicon Carbide，SiC)对功率变换和电子器件开创新时代的重要意义不容忽视。这些材料已成为创新的先锋，促进了功率器件的发展，不仅满足了当今严格的能源需求，更为可持续和电气化的未来铺平了道路。
本书深入探讨了宽禁带器件及其应用的复杂性，提供了从基本原理到应用实施以及市场动态的全面信息。介绍了功率变换和电子器件的核心内容，强调了GaN 和SiC在重塑功率器件及其系统方面发挥的关键作用。本书总结了我过去几年的编辑工作，虽然涵盖了许多概念，但有些概念可能没有详细探讨。对于部分没有详细探究的概念，建议参考其他资料。
在每章最后，都会提供推荐的参考文献，它们可提供宝贵的见解以及未来对相关主题扩展的探究。鉴于该主题的宽泛性，强烈建议读者在个人书单中收录几本关于GaN 和SiC的关键书籍。这些重要书籍将成为深入了解这些材料及其应用的宝贵资源。
本书前两章介绍了功率变换和硅(Si)基功率器件的基本原理。这是因为要想全面理解宽禁带材料带来的变革潜力，就必须理解传统技术。
第3章深入探讨宽禁带材料，了解GaN 和SiC独特的材料性质和优势，对于理解这些材料为何近些年得到重点关注和投资至关重要。
第4章探讨了GaN材料性质和潜在应用，为第5章做引入。第5章重点介绍GaN 功率器件，并剖析其结构设计、制造和性能表现。
第6章重点展现了GaN不仅仅是实验室的珍贵品，而在现实世界已经有应用。从功率器件和射频应用到功率变换等领域，GaN正在众多行业得到关注。
同样地，第7章介绍了另一种具有革命性潜力的宽禁带材料SiC。然后，第8章介绍了SiC器件及其功能和应用。第9章重点展示了SiC在各行各业的应用价值。
第10章讨论了现代电子设计的基石———仿真技术，从总体上阐明了计算机工具和建模如何帮助工程师充分发挥GaN和SiC的潜力，也将对基本的仿真进行概述。第11章以鸟瞰视角审视了宽禁带市场，研究该行业的当前趋势、挑战和机遇。
在第12章中，我们将思考“功率器件的未来”，这段旅程远未结束，正在不断发展，令人振奋。该章将介绍一些致力于宽禁带器件研发的公司。GaN 和SiC有望在塑造下一代功率变换技术方面发挥关键作用。
我希望这本书能成为学生、工程师和行业专业人士理解宽禁带材料的宝贵资源。当我们开始这项智力工作时，希望它能成为创造性思维的催化剂，为促进合作而努力，激发那些和我一样致力于突破功率变换和电子器件极限的人的创造力。
宽禁带半导体行业正在投入大量资源来开发可靠且极高效的技术，以推动能源革命朝着可持续和更环保的方向发展。
我们必须向所有在功率器件领域运营的公司致以特别的认可和衷心的祝贺，特别是那些从事GaN和SiC技术的公司，祝贺他们取得的卓越成就和优异成绩。
功率器件是应对气候危机的唯一解决方案，因为它可通过提高能源生产和运输效率来显著减少二氧化碳排放。
———Frank Heidemann，SET公司(NI旗下)副总裁
Maurizio Di Paolo Emilio博士，科技作家、编辑
意大利，佩斯卡拉
