原書(shū)前言
1977年，當(dāng)我在為通用電氣（GE）公司工作時(shí)，提交過(guò)一份專利申請(qǐng)，披露一個(gè)包含基本IGBT結(jié)構(gòu)的垂直MOS柵控晶閘管。為了做出這一結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)V-grove工藝，并在1978年11月到1979年7月之間完成了器件的制造。除了閂鎖式的晶閘管工作模式之外，我的測(cè)試清楚地顯示了IGBT的工作模式。針對(duì)通用電氣公司需要有應(yīng)用于熱泵的可調(diào)速開(kāi)關(guān)，我在1980年9月準(zhǔn)備了一個(gè)專利披露，描述了我們現(xiàn)在認(rèn)為是理所當(dāng)然的IGBT的所有特征。很快就顯而易見(jiàn)的是，這個(gè)新器件對(duì)公司小電器、大電器、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化和照明事業(yè)部的所有產(chǎn)品都有廣泛的影響。由于這一影響橫跨了整個(gè)公司，我的提案引起了主席Jack Welch的注意，他支持了它的商業(yè)化。我很幸運(yùn)能在一年之內(nèi)，完成了包括對(duì)寄生晶閘管閂鎖抑制的芯片與工藝設(shè)計(jì)，用現(xiàn)有的功率MOSFET產(chǎn)品生產(chǎn)線制造出了一個(gè)600V､10A的IGBT器件。我同時(shí)開(kāi)發(fā)了一個(gè)用輻照控制電子壽命的工藝，外帶一個(gè)獨(dú)特的退火步驟來(lái)恢復(fù)電子輻照帶給柵氧化層的損傷。這使得IGBT產(chǎn)品在開(kāi)關(guān)頻率和應(yīng)用方面得到了廣泛的優(yōu)化。這些IGBT的獲得鞭策著通用電氣公司的電力電子設(shè)計(jì)師們將它們快速大量地應(yīng)用到各類產(chǎn)品之中。通用電氣公司最終宣布可在1983年獲得這些IGBT商品。1985年后，這一器件的生產(chǎn)也導(dǎo)致了其他公司的產(chǎn)品問(wèn)世，促進(jìn)了世界范圍內(nèi)的利益增長(zhǎng)。
幾年前，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的新任院長(zhǎng)，建議我準(zhǔn)備一個(gè)關(guān)于我的IGBT工作影響力的報(bào)告，發(fā)布在我們的網(wǎng)站上。我努力的產(chǎn)出是一個(gè)140頁(yè)的文檔，與300多篇參考文獻(xiàn)，題為：“IGBT綱要：應(yīng)用與社會(huì)影響”。通用電氣公司在我關(guān)于器件的發(fā)明之后立即就認(rèn)可了IGBT對(duì)公司大部分產(chǎn)品部門的影響。我親自參與了IGBT的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)適用于通用電氣公司空調(diào)（熱泵） 的可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器、適用于通用電氣創(chuàng)造更高效照明產(chǎn)品的早期努力，以及各種小型、大型電器的控制。然而，在一個(gè)30年的時(shí)間跨度之后準(zhǔn)備這樣一份報(bào)告是一個(gè)發(fā)現(xiàn)之旅。很明顯，IGBT已經(jīng)滲透到了經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，給全球數(shù)十億人口帶來(lái)了舒適、方便和健康的生活。
提高電源管理和產(chǎn)出的效率是電力電子學(xué)的本質(zhì)，大家都認(rèn)識(shí)到功率半導(dǎo)體器件在這一成果的實(shí)現(xiàn)上扮演著主要的角色。然而，節(jié)能效率提高的影響還沒(méi)有能夠用一個(gè)嚴(yán)格的方法來(lái)量化。沒(méi)有這個(gè)度量，評(píng)估這一技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響是不可能的。因?yàn)槭澜缟想娏Φ?/3被用于讓電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，我決定量化來(lái)自基于IGBT調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的能量節(jié)約。此外，由于世界上1/5的電力用于照明，我決定量化緊湊型熒光燈（CFL）的影響，因?yàn)槠潆娮渔?zhèn)流器使用了IGBT。第三個(gè)從IGBT受益的經(jīng)濟(jì)部門是運(yùn)輸部門。很明顯，在20世紀(jì)80年代末有了IGBT器件后，電子打火系統(tǒng)得以出現(xiàn)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的火花塞進(jìn)行控制使得汽車和卡車的燃油效率得到提高。隨著世界各地大量的汽油消耗，量化這一創(chuàng)新的影響變得很重要。只是IGBT的這三個(gè)應(yīng)用，我認(rèn)為社會(huì)節(jié)約了50000MW•h以上的電能消耗（相當(dāng)于少建600座火力發(fā)電廠）和超過(guò)1萬(wàn)億US gal的汽油消費(fèi)。這不僅在從1990年到2010年間為全世界消費(fèi)者節(jié)省了超過(guò)15萬(wàn)億美元，而且減少了二氧化碳排放量超過(guò)75萬(wàn)億lb。
2012年，我被同事鼓勵(lì)以上面的報(bào)告為基礎(chǔ)寫(xiě)一本IGBT的書(shū)｡我的反應(yīng)是創(chuàng)造出一本易于理解的IGBT書(shū)的提議，《IGBT器件——物理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用》這本書(shū)首次包括器件工作原理、器件芯片設(shè)計(jì)、器件制造工藝、器件封裝和柵極驅(qū)動(dòng)電路，然后提供了一個(gè)關(guān)于它在所有經(jīng)濟(jì)部門應(yīng)用的廣泛討論，細(xì)化在每個(gè)案例中使用的電路拓?fù)浜凸β拾雽?dǎo)體工業(yè)界為每一種應(yīng)用開(kāi)發(fā)的優(yōu)化過(guò)的IGBT器件結(jié)構(gòu)。我很高興愛(ài)思唯爾（Elsevier）公司的編輯發(fā)現(xiàn)我的建議引人注目，評(píng)審人員對(duì)我IGBT書(shū)提案的反饋也非常積極，建議我再包括一個(gè)討論，即IGBT是如何被我在20世紀(jì)80年代初期發(fā)明、開(kāi)發(fā)和成功商業(yè)化的。
《IGBT器件——物理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用》是我兩年努力的結(jié)果，給讀者創(chuàng)建一個(gè)關(guān)于IGBT工作原理、設(shè)計(jì)以及社會(huì)影響的單一來(lái)源。第1章提供了一個(gè)IGBT應(yīng)用和其功率等級(jí)的高層次視角，它包括一個(gè)器件概念及其商業(yè)化背后的歷史。第2章描述了各種經(jīng)過(guò)多年進(jìn)化的IGBT結(jié)構(gòu)。我1981年在通用電氣開(kāi)發(fā)的第一個(gè)IGBT是600V的對(duì)稱阻斷型器件，隨后是600V非對(duì)稱阻斷型器件。在接下來(lái)的20年，功率半導(dǎo)體制造商們的注意力集中在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。最近由于在電流源逆變器和矩陣轉(zhuǎn)換器上的使用又產(chǎn)生了對(duì)對(duì)稱阻斷型IGBT的興趣。第一個(gè)IGBT利用了平面柵結(jié)構(gòu)，后來(lái)通過(guò)使用溝槽柵器件在通態(tài)電壓降和開(kāi)關(guān)損耗之間獲得了折中曲線的重大改善。透明集電極IGBT結(jié)構(gòu)在縮放IGBT的電壓等級(jí)從而允許IGBT應(yīng)用于牽引驅(qū)動(dòng)中起到了重要的作用。
第3章提供了一個(gè)IGBT結(jié)構(gòu)的原理描述以允許其使用分析模型來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)稱、非對(duì)稱和透明集電極結(jié)構(gòu)用阻塞特性、通態(tài)電壓降和功率損耗折中曲線這些術(shù)語(yǔ)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析。雖然還沒(méi)有商業(yè)化的器件可用，但為了完整性，還是把碳化硅IGBT也包含在其中。
從應(yīng)用角度來(lái)看，IGBT優(yōu)異的堅(jiān)固性與寬廣的安全工作區(qū)已成為它的基本特征之一。
第4章為設(shè)計(jì)IGBT的安全工作區(qū)提供了分析模型，它包括負(fù)責(zé)防止內(nèi)部寄生晶閘管閂鎖的器件元胞創(chuàng)新。當(dāng)我最初提出IGBT時(shí)，這被認(rèn)為是令人印象深刻之處。
第5章實(shí)際描述了IGBT芯片和其邊緣終端的有源區(qū)布局。這里還描述了過(guò)電流、過(guò)電壓和過(guò)溫保護(hù)技術(shù)。調(diào)整IGBT開(kāi)關(guān)速度而又不傷害其柵氧化層的載流子壽命的控制工藝也在這里給出了描述。
第6章描述了分立IGBT和打包成模塊的IGBT的封裝技術(shù)。功率模塊的設(shè)計(jì)范圍從低功率到高功率水平。在第7章中,提供了各種門驅(qū)動(dòng)電路控制回饋二極管的反向恢復(fù)和IGBT本身的開(kāi)關(guān)損耗。第8章則提供了用于在功率電路中對(duì)IGBT進(jìn)行仿真的模型。
在接下來(lái)的第9～18章，對(duì)IGBT在各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。這些章節(jié)展示了這非凡的創(chuàng)新對(duì)社會(huì)影響的寬度。在每一章中都給出了電路拓?fù)�，如硬開(kāi)關(guān)與諧振開(kāi)關(guān)的對(duì)比，確保IGBT在這些電路中高效工作的說(shuō)明等。同時(shí)也給出了器件制造商為減少各種情況下的功率損耗而對(duì)IGBT結(jié)構(gòu)所做的優(yōu)化。
在第9章中討論的交通行業(yè)，就個(gè)體消費(fèi)者而言，在燃油汽車中使用內(nèi)燃機(jī)、在電動(dòng)汽車或者混合動(dòng)力汽車中驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，IGBT都是必不可少的。對(duì)公交系統(tǒng)而言，從電動(dòng)公交車和電車到世界各地的高鐵網(wǎng)絡(luò)，IGBT也是必不可少的。隨著IGBT功率級(jí)別的增長(zhǎng)，它甚至滲透到大型船舶的推進(jìn)系統(tǒng)中，并使得全電動(dòng)飛機(jī)成為可能。
第10章討論的工業(yè)領(lǐng)域包括可調(diào)速的電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)、工廠自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)器人、焊接、感應(yīng)加熱、銑削和鉆孔、造紙、紡織、金屬加工廠和采礦。
第11章討論了照明部門，提供各種廣泛應(yīng)用于這個(gè)高容量領(lǐng)域的應(yīng)用電路。此外，也描述了IGBT在照相機(jī)的閃光燈、汽車的氙弧燈和電影放映機(jī)中的應(yīng)用。
第12章講解了IGBT在消費(fèi)類電子領(lǐng)域的多種應(yīng)用。在大量的應(yīng)用中，最普遍的是我們家庭中的空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐、電磁爐和洗碗機(jī)。在為準(zhǔn)備食物的廚房提供便利的臺(tái)式小家電中，是便攜式電磁爐、電飯煲、攪拌機(jī)、混合器和榨汁機(jī)。此外，在老一代陰極射線管電視機(jī)和現(xiàn)代等離子電視機(jī)中，IGBT也是一個(gè)重要組件。
社會(huì)極大地受益于應(yīng)用在醫(yī)療部門的IGBT，提高醫(yī)療診斷水平和在心臟驟停事件中拯救生命。它們被用在X光機(jī)、CT掃描儀、核磁共振成像掃描儀和超聲波機(jī)器的電源中，產(chǎn)生高質(zhì)量的醫(yī)療診斷圖像和治療身體創(chuàng)傷。如果沒(méi)有IGBT，外部（便攜式） 自動(dòng)除顫器不可能被做成成本低、重量輕、只有筆記本電腦大小的裝置。這個(gè)器件的誕生，在美國(guó)每年拯救超過(guò)10萬(wàn)人的生命，在世界各地則更多。
第14章描述了美國(guó)防御部門起初很不情愿采用IGBT，現(xiàn)在IGBT在所有軍事力量部署的裝備中都起到了基礎(chǔ)的作用。海軍將它們用在軍艦、航空母艦和核潛艇的配電系統(tǒng)中；陸軍正在開(kāi)發(fā)其逆變器依賴IGBT的電動(dòng)汽車；空軍利用可靠性高、重量輕的IGBT電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)取代液壓系統(tǒng)。
為緩解大氣中碳的增加引起的全球變暖，以化石燃料（碳和天然氣）為動(dòng)力的發(fā)電廠需要增加太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電能力的部署。所有這些可再生能源都在逆變器中使用IGBT以向交流輸電網(wǎng)提供合規(guī)的能量。第15章介紹的電力電子技術(shù)不僅僅只用于這些可再生能源，同樣也用于水力發(fā)電、波浪發(fā)電、潮汐發(fā)電和地?zé)崮堋?br> 第16章描述了IGBT對(duì)電力傳輸部門的滲透。這發(fā)生在最近IGBT模塊的功率等級(jí)被半導(dǎo)體供應(yīng)商增強(qiáng)到可以處理兆瓦級(jí)電力的水平之后。目前已經(jīng)為交流輸電網(wǎng)絡(luò)部署了基于IGBT的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器和靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
如第17章中所討論的那樣，IGBT甚至使得經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的金融部門受益。隨著銀行、信用卡和投資部門之間基于計(jì)算機(jī)的高速交易的出現(xiàn)，任何電力中斷都會(huì)導(dǎo)致每小時(shí)數(shù)以百萬(wàn)美元的損失。對(duì)數(shù)據(jù)中心的保護(hù)，基于IGBT的不間斷電源已成為必不可少的設(shè)備，它不僅對(duì)電力中斷問(wèn)題進(jìn)行保護(hù)，而且對(duì)欠電壓、過(guò)電壓和其他電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行保護(hù)。
第18章寫(xiě)了IGBT所有已掌握的、不適合在前面經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域討論的眾多其他應(yīng)用。這些應(yīng)用包括：①智能家居；②打印機(jī)和復(fù)印機(jī)；③機(jī)場(chǎng)安檢機(jī)；④粒子加速器，包括歐洲核子研究中心用于希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)；⑤食物和水消毒；⑥海水淡化；⑦過(guò)山車；⑧美國(guó)宇航局的航天飛機(jī)與國(guó)際空間站。
IGBT的社會(huì)影響在第19章敘述。在這里給出了三個(gè)研究案例：調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、CFL燈鎮(zhèn)流器和電子點(diǎn)火系統(tǒng)。這三個(gè)應(yīng)用通過(guò)IGBT極大地提升了效率，在1990年到2010年之間減少電力消耗50000MW•h、減少汽油消費(fèi)超過(guò)1萬(wàn)億US gal。這也給消費(fèi)者節(jié)省了超過(guò)15萬(wàn)億美元、減少超過(guò)75萬(wàn)億lb的二氧化碳排放量。
我的目的是寫(xiě)作一本關(guān)于IGBT的書(shū)，不僅提供關(guān)于工作原理和設(shè)計(jì)的全面描述，而且提供它橫跨各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用寬度，并量化其社會(huì)影響。所有功率半導(dǎo)體和電力電子工程師們應(yīng)該會(huì)對(duì)這本書(shū)感興趣。此外，那些關(guān)注技術(shù)對(duì)社會(huì)影響的社會(huì)科學(xué)家們也會(huì)對(duì)它感興趣。
B.Jayant Baliga
2014年12月