ESD物理与器件

作者简介

译者序

前言

致谢

第1章静电和热电物理学1

1.1引言1

1.2时间常数法4

1.2.1ESD时间常数4

1.2.2时间常数的层次结构8

1.2.3热学时间常数8

1.2.4热扩散8

1.2.5绝热、热扩散的时间尺度和稳定状态9

1.2.6电准静态场和磁准静态场10

1.3不稳定性11

1.3.1电气不稳定性11

1.3.2热电不稳定性12

1.3.3空间不稳定性与电流收缩14

1.4击穿17

1.4.1帕邢击穿理论17

1.4.2汤森理论17

1.4.3托普勒定律18

1.5雪崩击穿18

1.5.1空气击穿19

1.5.2空气击穿和峰值电流21

1.5.3空气击穿和上升时间22

1.5.4中等离子体和微等离子体23

1.5.5中等离子体现象23

习题24

参考文献24

第2章热电方法和ESD模型26

2.1热电方法26

2.1.1格林函数和镜像方法26

2.1.2热传导方程的积分变换29

2.1.3流势传递关系矩阵方法学32

2.1.4可变热导率热方程34

2.1.5Duhamel公式37

2.2电热模型38

2.2.1 Tasca模型38

2.2.2 Wunsch-Bell模型40

2.2.3 Smith-Littau 模型43

2.2.4 Arkhipov-Astvatsaturyan-Godovosyn-Rudenko模型45

2.2.5 Vlasov-Sinkevitch模型45

2.2.6 Dwyer-Franklin-Campbell模型45

2.2.7 Greve模型50

2.2.8 负微分电阻模型50

2.2.9 Ash模型51

2.2.10统计模型53

习题55

参考文献56

第3章半导体器件和ESD57

3.1器件物理57

3.1.1非等温仿真58

3.2二极管59

3.2.1二极管方程59

3.2.2复合和产生机制64

3.3双极型大电流器件的物理71

3.3.1双极型晶体管特性方程71

3.3.2基区扩展效应（Kirk Effect）72

3.3.3 Johnson 限制73

3.4晶闸管75

3.4.1再生反馈77

3.5电阻81

3.6MOSFET大电流器件物理84

3.6.1寄生双极型晶体管方程84

3.6.2雪崩击穿和恢复87

3.6.3不稳定和电流约束模型88

3.6.4介质击穿89

3.6.5栅致漏电（GIDL）91

习题92

参考文献92

第4章衬底和ESD97

4.1衬底分析方法97

4.2视作半无限域的衬底97

4.3采用传输矩阵方法表征层状介质的衬底99

4.4衬底传输线模型101

4.5衬底损耗的传输线模型103

4.6衬底吸收、反射和传输105

4.7衬底电气和温度离散化106

4.8衬底效应：电气传输阻抗109

4.9衬底效应：热传输阻抗111

4.10衬底温度阻抗模型113

4.10.1可变横截面模型113

4.10.2可变椭圆横截面模型115

4.10.3背面衬底集总分析模型117

4.11重掺杂衬底117

4.12轻掺杂衬底118

习题120

参考文献120

第5章阱、衬底集电极和ESD122

5.1扩散阱122

5.2倒阱及纵向调制的阱126

5.2.1倒阱126

5.2.2倒阱衬底调制129

5.2.3倒阱及ESD缩放131

5.3三阱及隔离的MOSFET134

5.4整流电阻136

5.5衬底集电极138

习题142

参考文献143

第6章隔离结构和ESD145

6.1隔离结构145

6.1.1局部氧化（LOCOS）隔离145

6.1.2局部氧化（LOCOS）界ESD结构147

6.2浅沟隔离150

6.2.1浅沟隔离下拉151

6.2.2浅沟隔离界ESD结构152

6.3深沟隔离158

6.3.1深沟保护环结构159

6.3.2深沟及闩锁160

6.3.3深沟及ESD结构160

习题161

参考文献162

第7章漏工程、自对准硅化物与ESD164

7.1结164

7.1.1突变结165

7.1.2低掺杂漏166

7.1.3扩展注入167

7.2自对准硅化物及ESD168

7.2.1自对准硅化物电阻模型169

7.2.2硅化钛170

7.2.3钛、钼金属硅化物176

7.2.4硅化钴177

习题178

参考文献179

第8章电介质与ESD181

8.1Fong和Hu模型182

8.2Lin模型184

8.3击穿电荷185

8.4临界介质厚度188

8.5ESD脉冲事件与击穿电荷介电模型189

8.6瞬时脉冲事件与击穿电荷介电模型190

8.7超薄介质192

习题193

参考文献193

第9章互连和ESD196

9.1铝互连197

9.2铜互连203

9.2.1铜通孔208

9.3低k材料和互连210

9.4抛光终止和互连215

9.5填充物和互连218

9.6铜薄膜应力和电迁移219

9.7互连故障和空洞221

9.8绝缘结构机械应力222

习题224

参考文献224

第10章绝缘体上硅（SOI）与ESD227

10.1SOI的电热模型228

10.1.1SOI电热传输线模型230

10.1.2SOI电热传输线模型级数解231

10.2SOI ESD二极管及元件232

10.2.1突变结工艺232

10.2.2外延注入工艺235

10.2.3Halo注入技术237

10.3SOI的互连线237

10.3.1铝互连线237

10.3.2SOI和铜互连238

10.3.3等比例缩放240

10.4非主流器件241

10.4.1双衬底掺杂的SOI二极管241

10.4.2栅金属未覆盖SOI二极管结构241

10.5SOI动态阈值MOSFET与ESD241

10.5.1SOI动态阈值的ESD结构242

10.6 未来的SOI 及ESD245

习题246

参考文献246

第11章硅锗与ESD249

11.1Si-Ge249

11.1.1SiGe结构249

11.1.2SiGe器件物理252

11.2SiGe ESD 测试255

11.2.1SiGe与Si的比较257

11.2.2SiGe电热模拟：集电极-发射极260

11.2.3SiGe发射器-发射极-基极260

11.3Si-Ge-C265

11.3.1Si-Ge-C器件物理265

11.4Si-Ge-C ESD测试267

11.4.1SiGeC集电极-发射极测试267

11.4.2SiGeC器件退化269

习题272

参考文献272

第12章微结构与ESD277

12.1FinFET（鳍式晶体管）277

12.2应变硅器件与ESD280

12.3纳米管与ESD283

12.4未来新器件286

习题286

参考文献286

ⅩⅦ双馈感应电机在风力发电中的建模与控制前言目录目录

译者序

前言

第1章风力发电系统概述1.1引言1

1.2恒速风力机（FSWT）的基本概念

1.2.1风力机的基本介绍

1.2.2风力机的功率控制

1.2.3风力机空气动力学

1.2.4商用风力机实例

1.3变速风力机(VSWTs)

1.3.1变速风力机的建模

1.3.2变速风力机的控制系统

1.3.3变速风力机的电气系统

1.4基于DFIMVSWT的风力发电系统

1.4.1DFIM VSWT的电气配置

1.4.2风电场的电气配置

1.4.3WEGS控制结构

1.5并网导则要求

1.5.1频率与电压运行范围

1.5.2无功功率与电压控制能力

1.5.3有功功率控制

1.5.4电力系统稳定器功能

1.5.5低电压穿越（LVRT）

1.6电压跌落与LVRT

1.6.1电力系统

1.6.2电压跌落

1.6.3西班牙的验证程序

1.7DFIMVSWT制造商

1.7.1工业解决方案：风力机制造商

1.7.2一台2.4MW风力机的建模

1.7.3发电机稳态运行点与功率变换器容量

1.8对后续各章的介绍

参考文献

第2章背靠背电力电子变换器

2.1引言

2.2基于两电平拓扑的背靠背变换器

2.2.1网侧系统

2.2.2转子侧变换器及dv/dt滤波器

2.2.3直流母线

2.2.4可控开关驱动脉冲的产生方法

2.3多电平VSC拓扑结构

2.3.1三电平中点钳位式VSC拓扑结构(3L-NPC)

2.4网侧系统的控制

2.4.1网侧系统的稳态模型

2.4.2网侧系统的动态模型

2.4.3网侧系统的矢量控制

2.5总结

参考文献

第3章DFIM稳态模型

3.1引言

3.2稳态等效电路

3.2.1DFIM基本概念

3.2.2稳态等效电路

3.2.3相量图

3.3不同运行工况下的速度和功率流向

3.3.1有功功率的基本关系

3.3.2转矩表达式

3.3.3无功功率表达式

3.3.4有功功率、转矩和速度之间的近似关系

3.3.5四象限运行

3.4标幺化

3.4.1基准值

3.4.2变量和参数标幺化

3.4.3标幺制下的DFIM稳态方程

3.4.4例3.1：一台2MWDFIM参数

3.4.5例3.2：不同功率等级的DFIM参数

3.4.6例3.3：2MWDFIM相量图以及标幺化分析

3.5稳态工作曲线：性能评估

3.5.1转子电压比：频率、幅值和相位

3.5.2转子电压比：电压幅值、频率比值（V-F）恒定

3.5.3转子电压改变：控制定子侧无功和转矩

3.6DFIM应用于风力发电设备的设计要求

3.7总结

参考文献

第4章DFIM动态模型

4.1引言

4.2DFIM动态建模

4.2.1αβ坐标系下模型

4.2.2dq坐标系下模型

4.2.3αβ模型的状态空间表示

4.2.4dq模型的状态空间表示

4.2.5稳态模型和动态模型间的关系

4.3总结

参考文献

第5章DFIM测试

5.1引言

5.2DFIM模型参数的离线估算

5.2.1对DFIM模型参数的考虑

5.2.2采用VSC估算定转子电阻

5.2.3基于VSC的漏感估算

5.2.4空载条件下采用VSC估测励磁电感和铁损

5.3总结

参考文献

第6章电压跌落时DFIM的特性分析

6.1引言

6.2转子感应电动势

6.3正常工况运行特性

6.4三相电压跌落

6.4.1转子开路电压完全跌落的情况

6.4.2转子开路部分电压跌落的情况

6.5不对称电压跌落

6.5.1对称分量法基本原理

6.5.2对称分量法应用于DFIM

6.5.3单相电压跌落

6.5.4相间电压跌落

6.6转子电流的影响

6.6.1三相电压完全跌落时转子电流的影响

6.6.2一般情况下的转子电压

6.7电压跌落期间双馈感应电机的等效模型

6.7.1线性等效模型

6.7.2非线性等效模型

6.7.3电网模型

6.8小结

参考文献

第7章并网DFIM风电机组的矢量控制策略

7.1引言

7.2矢量控制

7.2.1电流指令值的计算

7.2.2电流指令值的限制

7.2.3电流控制环

7.2.4坐标定向

7.2.5完整控制系统

7.3矢量控制的小信号稳定性

7.3.1坐标定向的影响

7.3.2控制器调节的影响

7.4电网电压不平衡条件下矢量控制的行为

7.4.1坐标定向

7.4.2转子侧变换器的饱和

7.4.3定子电流和电磁转矩的振荡

7.5电压跌落下矢量控制的行为

7.5.1轻微电压跌落

7.5.2严重电压跌落

7.6电网扰动下的控制方案

7.6.1去磁电流

7.6.2双重控制策略

7.7总结

参考文献

第8章DFIM直接控制技术

8.1引言

8.2DFIM直接转矩控制（DTC）

8.2.1基本原理

8.2.2控制框图

8.2.3例8.1:2MWDFIM直接转矩控制

8.2.4转子电压矢量对DFIM影响的研究

8.2.5例8.2:采用DTC下2MWDFIM的频谱分析

8.2.6转子磁链幅值参考值的产生

8.3DFIM直接功率控制（DPC）

8.3.1基本原理

8.3.2控制框图

8.3.3例8.3:2MWDFIM直接功率控制

8.3.4转子电压矢量对DFIM影响的研究

8.4DFIM定开关频率的预测直接转矩控制（P-DTC）

8.4.1基本原理

8.4.2控制框图

8.4.3例8.4：开关频率800Hz时，15kW和2MWDFIM的P-DTC

8.4.4例8.5：4kHz开关频率下15kWDFIM的P-DTC策略

8.5DFIM定开关频率的预测直接功率控制（P-DPC）

8.5.1基本原理

8.5.2控制框图

8.5.3例8.6：定开关频率1kHz下15kWDFIM的P-DPC

8.6基于多电平变换器的DFIM定开关频率P-DPC和P-DTC54

8.6.1前言

8.6.2基于3L-NPCVSC的DFIMP-DPC

8.6.3基于3L-NPCVSC的DFIMP-DTC

8.7电网电压扰动下基于直接控制技术的控制解决方案

8.7.1前言

8.7.2不平衡电网电压下的DPC策略

8.7.3不平衡电网电压下的DTC策略

8.7.4电压跌落下的DTC

8.8总结

参考文献

第9章低电压穿越（LVRT）的硬件解决方案

9.1引言

9.2与LVRT相关的并网导则

9.3Crowbar

9.3.1主动型Crowbar的设计

9.3.2三相电压跌落的响应特性

9.3.3不对称跌落的响应特性

9.3.4Crowbar和控制算法的协调

9.4制动斩波器

9.4.1独立安装的制动斩波器性能

9.4.2Crowbar和制动斩波器的配合

9.5其他保护技术

9.5.1负载代替

9.5.2风电场解决方案

9.6总结

参考文献

第10章其他控制问题：估算结构和并网DFIM的起动

10.1简介

10.2估算器和观测器结构

10.2.1一般考虑

10.2.2用于转子侧DPC的定子有功和无功功率估算

10.2.3转子侧矢量控制中基于定子电压的定子磁链估算器

10.2.4转子侧矢量控制中基于定子电压的定子磁链同步

10.2.5转子侧DPC、DTC和矢量控制所需的定转子磁链估算器

10.2.6定转子磁链全阶观测器

10.3DFIM风电机组的起动

10.3.1编码器整定

10.3.2与电网同步

10.3.3DFIM风电机组序列化起动过程

10.4总结

参考文献

第11章基于DFIM的独立发电系统

11.1引言

11.1.1独立运行DFIM系统的要求

11.1.2直流侧带储能装置的DFIM特性

11.1.3滤波电容的选择

11.2独立运行下DFIM系统的数学描述

11.2.1独立运行下DFIM模型

11.2.2基于电流源馈电的独立运行DFIM模型

11.2.3独立运行DFIM的极坐标模型

11.2.4基于电流源馈电的独立运行DFIM的极坐标模型

11.3定子电压控制

11.3.1基于PLL的幅值和频率控制

11.3.2不平衡负载条件下独立运行系统电压不对称校正

11.3.3非线性负载条件下电压谐波抑制

11.4并网前独立运行系统采用PLL控制同步

11.5总结

参考文献

第12章风力发电新趋势

12.1引言

12.2风力发电未来的挑战：什么是必须创新的

12.2.1风电场位置的选取

12.2.2能量、效率与可靠性的增加

12.2.3电网一体化

12.2.4环境问题

12.3技术趋势：如何实现

12.3.1风电机组的机械结构

12.3.2功率传输技术

12.4总结

参考文献

风电机制造商列表

附录

A.1空间矢量表达

A.1.1空间矢量表示法

A.1.2不同坐标系之间的变换

A.1.3功率表达

A.2考虑铁损的DFIM动态建模

A.2.1αβ坐标系中的模型

A.2.2dq坐标系中的模型

A.2.3用状态空间表示的αβ模型

参考文献

机械工业出版社《ESD物理与器件》系统地介绍了静电放电（ESD）物理理论及器件设计，并给出了大量实例，将ESD理论工程化。本《ESD物理与器件》主要内容有：ESD中的静电及热电物理学理论及模型，ESD用半导体器件物理及结构，ESD中衬底、阱、隔离结构，电介质、互连及SOI等相关技术及应用。
　　《ESD物理与器件》为作者的ESD系列专著的第一本，对于专业模拟集成电路及射频集成电路设计工程师，以及系统ESD工程师具有较高的参考价值。本书可以作为电路设计、工艺、质量、可靠性和误差分析工程师的工具书，也可以作为电子科学与技术、微电子科学与工程和集成电路设计，尤其是模拟集成电路设计及射频集成电路设计专业高年级本科生及研究生的参考书。

“国际电气工程先进技术译丛”是机械工业出版社集中优势资源精心打造的中高端产品，所有图书都是精选的国外优秀电气工程著作，主要针对新能源、智能电网、电力电子、自动控制及新能源汽车等电气工程热点领域。这些图书都是由经验丰富的业内人士编著，并由国内知名专家翻译，具有很高的实用性。
　　 “国际电气工程先进技术译丛”的出版目的主要是为广大国内读者提供一个展示国外先进技术成果的窗口，使国内读者有一个可以更好地了解国外技术的平台。“国际电气工程先进技术译丛”可供电气工程及相关专业工程技术人员、科研人员及大专院校相关专业师生参考。