17-功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)教學(xué)大綱

1、功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱課程編號：課程名稱：功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)/ Fundamentals of Power Semiconductor Devices課程總學(xué)時/學(xué)分：48/3.0 （其中理論36學(xué)時，實驗12學(xué)時）適用專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)一、教學(xué)目的和任務(wù)功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)是電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)必修的一門專業(yè)核心課程。功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)講述功率半導(dǎo)體器件的原理、結(jié)構(gòu)、特性和可靠性技術(shù)，在此基礎(chǔ)上分析當(dāng)前電力電子技術(shù)中使用的各種類型功率半導(dǎo)體器件，包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT和功率集成器件，并包含了制造工藝、測試技術(shù)和損壞機(jī)理分析。根據(jù)電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的特點和

2、應(yīng)用需要，使學(xué)生對功率半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)理論和最新發(fā)展有一個全面而系統(tǒng)的認(rèn)識，并培養(yǎng)學(xué)生在工程實踐中的應(yīng)用能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。二、教學(xué)基本要求通過對計算機(jī)控制技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生：（1）了解如何使用和選擇功率半導(dǎo)體，以及半導(dǎo)體和PN結(jié)的物理特性以及功率器件的工藝。（2）熟悉功率器件的可靠性和封裝，以及在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。（3）掌握pin二極管、雙極型晶體管、晶閘管、MOS晶體管、IGBT的結(jié)構(gòu)與功能模式及物理特性。三、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時分配第一章（知識領(lǐng)域1）：功率半導(dǎo)體器件概述（2學(xué)時）。（1）知識點：裝置、電力變流器和功率半導(dǎo)體器件；使用和選擇功率半導(dǎo)體；功率半導(dǎo)體的應(yīng)用。（2）重

3、點與難點： 重點是裝置、電力變流器和功率半導(dǎo)體器件；使用和選擇功率半導(dǎo)體；功率半導(dǎo)體的應(yīng)用。第二章（知識領(lǐng)域2）：半導(dǎo)體的性質(zhì)（2學(xué)時）。（1）知識點：晶體結(jié)構(gòu)；禁帶和本征濃度；能帶結(jié)構(gòu)和載流子的粒子性質(zhì)；摻雜的半導(dǎo)體；電流的輸運；半導(dǎo)體器件的基本功式。（2）難點與重點： 重點是晶體結(jié)構(gòu)、禁帶和本征濃度和載流子的粒子性質(zhì)第三章（知識領(lǐng)域3）：PN結(jié)（2學(xué)時）。（1）知識點：熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)；PN結(jié)的I-V特性；PN結(jié)的阻斷特性和擊穿；發(fā)射區(qū)的注入效率；PN結(jié)的電容。（2）難點與重點： 重點是熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)；PN結(jié)的I-V特性；PN結(jié)的阻斷特性和擊穿；發(fā)射區(qū)的注入效率；PN結(jié)的電容。第

4、四章（知識領(lǐng)域4）：功率器件和功率（2學(xué)時）。（1）知識點：晶體生長；通過中子嬗變來調(diào)整晶片的參雜；外延生長、擴(kuò)散和離子注入；氧化和掩蔽、邊緣終端。（2）重點與難點：重點是晶體生長、通過中子嬗變來調(diào)整晶片的參雜、外延生長和擴(kuò)散和離子注入。第五章（知識領(lǐng)域5）：Pin二極管（2學(xué)時）。（1）知識點：Pin二極管的結(jié)構(gòu)和I-V特性；Pin二極管的設(shè)計和阻斷電壓；Pin二極管的正向?qū)ㄌ匦?；儲存電荷和正向電壓之間的關(guān)系；功率二極管的開通特性和反向恢復(fù)。（2）重點與難點：重點是Pin二極管的結(jié)構(gòu)和I-V特性和Pin二極管的設(shè)計和阻斷電壓。難點是功率二極管的開通特性和反向恢復(fù)。第六章（知識領(lǐng)域6）：Si

5、lvaco TCAD仿真軟件（2學(xué)時）。（1）知識點：Silvaco TCAD軟件的使用方法。（2）重點與難點： 重點是Silvaco TCAD軟件的使用方法。第七章（知識領(lǐng)域7）：雙極型晶體管（4學(xué)時）。（1）知識點：雙極型晶體管的工作原理；功率雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)；功率晶體管的I-V特性；雙極型晶體管的阻斷特性；雙極型晶體管的電流增益；基區(qū)展寬、電場再分布和二次擊穿；硅雙極型晶體管的局限性；SiC雙極型晶體管。（2）重點與難點：重點是功率雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)、功率晶體管的I-V特性和雙極型晶體管的阻斷特性。難點是雙極型晶體管的電流增益、基區(qū)展寬和電場再分布。第八章（知識領(lǐng)域8）：晶閘管（4學(xué)時

6、）。（1）知識點：結(jié)構(gòu)與功能模型；晶閘管的I-V特性和阻斷特性；發(fā)射極短路點的作用；晶閘管的觸發(fā)方式和前沿擴(kuò)展；晶閘管關(guān)斷和恢復(fù)時間。（2）重點與難點：重點是晶閘管的I-V特性和阻斷特性和發(fā)射極短路點的作用。難點是晶閘管的觸發(fā)方式和前沿擴(kuò)展。第九章（知識領(lǐng)域9）：MOS晶體管（4學(xué)時）。（1）知識點：MOSFET的基本工作原理；功率MOSFET的I-V特性；MOSFET溝道的特性；MOSFET的開關(guān)特性和開關(guān)損耗。（2）重點與難點： 重點是功率MOSFET的I-V特性和MOSFET溝道的特性。難點是MOSFET的開關(guān)特性和開關(guān)損耗。第十章（知識領(lǐng)域10）：IGBT（4學(xué)時）。（1）知識點：IG

7、BT的I-V特性；IGBT的開關(guān)特性；IGBT中的等離子體分布；提高載流子濃度的現(xiàn)代IGBT。（2）重點與難點：重點是 IGBT的I-V特性和IGBT的開關(guān)特性。難點是IGBT中的等離子體分布。第十一章（知識領(lǐng)域11）：功率器件的封裝和可靠性（6學(xué)時）。（1）知識點：封裝類型；材料的物理特性；熱仿真和熱等效電路；提高可靠性的要求；提高可靠性的策略。（2）重點與難點： 重點是封裝類型；材料的物理特性；熱仿真和熱等效電路；提高可靠性的要求；提高可靠性的策略。第十二章（知識領(lǐng)域12）：電力電子系統(tǒng)（2學(xué)時）。（1）知識點：單片集成系統(tǒng)功率IC；印刷電路板上的系統(tǒng)集成；混合集成。（2）重點與難點： 重

8、點是印刷電路板上的系統(tǒng)集成。四、教學(xué)方法及手段本課程要采取知識與能力并重的教學(xué)方法。1課堂教學(xué)：實行啟發(fā)式教學(xué)，主要突出重點、難點。主要抓住功率半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)功能及物理特性重點教學(xué)，在教學(xué)過程中注重引入實例。2實驗教學(xué)：基于Silvaco TCAD仿真軟件，模擬半導(dǎo)體器件電學(xué)性能，和半導(dǎo)體工藝流程仿真， 加強(qiáng)學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)。3采用多媒體教室、校園網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代教學(xué)手段，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。五、實驗或上機(jī)內(nèi)容實驗一：功率二極管仿真，2學(xué)時。實驗?zāi)康模赫莆展β识O管原理和特性，并會使用Silvaco軟件仿真功率二極管器件。實驗內(nèi)容與方法：學(xué)習(xí)Silvaco仿真半導(dǎo)體器件的方法，用altlas

9、語句模擬功率二極管的二維器件，并給出器件特性的數(shù)值分析。實驗二：雙極型晶體管仿真，2學(xué)時。實驗?zāi)康模赫莆针p極型晶體管原理和特性，并會使用Silvaco軟件仿真雙極型晶體管。實驗內(nèi)容與方法：學(xué)習(xí)Silvaco仿真半導(dǎo)體器件的方法，用altlas語句模擬雙極型晶體管的二維器件，并給出器件特性的數(shù)值分析。實驗三：MOSFET器件及工藝仿真，4學(xué)時實驗?zāi)康模赫莆誐OSFET原理和特性，并會使用Silvaco軟件仿真MOSFET器件和工藝。實驗內(nèi)容與方法：學(xué)會Silvaco仿真半導(dǎo)體器件工藝的方法，用altlas語句模擬MOSFET的二維器件，用ATHENA組件仿真MOSFET的工藝，并給出器件特性的數(shù)

10、值分析。實驗四：IGBT器件及工藝仿真，4學(xué)時。實驗?zāi)康模赫莆誌GBT原理和特性，并會使用Silvaco軟件仿真IGBT器件和工藝。實驗內(nèi)容與方法：學(xué)會Silvaco仿真半導(dǎo)體器件工藝的方法，用altlas語句模擬IGBT的二維器件，用ATHENA組件仿真IGBT的工藝，并給出器件特性的數(shù)值分析。六、先修課程、后續(xù)課程先修課程：模擬電子技術(shù)及實驗，數(shù)字電子技術(shù)及實驗，微電子器件基礎(chǔ)，半導(dǎo)體物理學(xué)。 后續(xù)課程：電力電子學(xué)，微電子學(xué)，功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用。七、考核方式本課程的考核包括知識考核和能力考核，采用期末考試與平時考核相結(jié)合的方式。計分方式：期評成績=期末考試成績*70%+平時成績*30%。八

11、、教材及主要參考資料1.巴利加（美）. 功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ). 北京，電子工業(yè)出版社，2013.2. Josef Lutz, Heinrich Schlangenotto 等. 功率半導(dǎo)體器件原理、特性和可靠性. 北京，機(jī)械工業(yè)出版社，國際電氣工程先進(jìn)技術(shù)譯叢，2013.3. 維捷斯拉夫.本達(dá)（捷克），約翰.戈沃（英），鄧肯 A.格蘭特（英）功率半導(dǎo)體器件理論及應(yīng)用. 北京，化學(xué)工業(yè)出版社，20054. 郭小軍. 電子電路仿真:Multisim2001電子電路設(shè)計與應(yīng)用. 北京，北京理工大學(xué)出版社，2009.5. 唐龍谷. 半導(dǎo)體工藝和器件仿真工具 Silvaco TCAD實用教程唐龍谷.北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2011.6. 劉敏軍，宋平崗等. 軌道交通車輛電力牽引控制系統(tǒng). 北京，清華大學(xué)出版社，2014.7. 徐安. 城市軌道交通電力牽引. 北