引 言 快恢復二極管（簡稱FRD）是一種具有開關特性好,、反向恢復時間短的半導體二極管,，主要應用于開關電源,、PWM脈寬調制器,、變頻器等電子電路中,，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用,。擊穿電壓是最重要得參數之一,，它和最大電流容量一起決定了電力電子器件的額定功率，其中功率FRD通常是通過大面積PN結保證實現大電流,。但是對于高壓工作的FRD來說,，平面工藝不可避免的存在著結面彎曲效應而影響擊穿電壓，使得器件實際擊穿電壓只有理想情況的10%-30%,。因此為了保證FRD能工作在高電壓下,，就需要使用結終端技術來消除結面彎曲帶來的影響，提高FRD器件的耐壓,。在提高耐壓采用終端技術的同時,，還要兼顧到其它特性的影響和優(yōu)化。如本文后面將要提到的,，在采用金屬場板終端提高耐壓的同時,，還要防止圓片打火問題的發(fā)生,。

1場限環(huán)的基本結構

 圖1：場限環(huán)結構示意圖

圖2：多個場限環(huán)結構示意圖

場限環(huán)的基本結構見圖1，圖2.,。就是在被保護的主結周圍間隔一定距離,，擴散形成一定大小的同心環(huán)。擴散環(huán)改變了主結邊緣空間電荷分布,，減輕了電場集中效應,。提高了耐壓。單環(huán)的作用有限,，一般在高壓下需要通過多個環(huán)來達到預定的電壓,。

2 場板的基本結構分析

圖3：場板結構示意圖
 

場板的基本結構見圖3，也是常用的提高耐壓的方法之一,。場板下除邊緣部分外,，電場分布是一維的，類似于MOS電容,。擊穿時的擊穿電壓為擊穿時半導體的電壓和氧化層的壓降之和,。在場版的邊緣，電力線集中,。如果場板長度比內部耗盡層還大,，N+P結的場板有電力線從板向半導體發(fā)出，在半導體表面有電力線進入,，這等效于半導體表面有正電荷,，他對電場的影響可看做是無窮大的半導體中間增加了一層電荷，這些正電荷產生垂直于表面的場外,，也將產生平行于表面的場,，每一正電荷在其左邊產生指向左的場，在其右邊產生指向右的場,。所以在場版下面的多數區(qū)域,，正電荷產生的橫向電場是互相削弱。然而在場板的邊緣,，所有正電荷產生的橫向場是互相加強的,，結果在那里造成一個橫向場的峰值。如果場板很短或者無場板時,，在PN結的邊緣就有很強的電場,，場板上所有正電荷都是使這點電場減少的，因此場板愈長,，電場峰值愈小,。  

3 氣隙的擊穿特性

我們知道，影響空氣間隙放電電壓的因素有很多,。主要有電場的情況,，比如均勻與不均勻,；電壓的形式，比如直流,，交流還是雷電沖擊,；大氣的條件，比如溫度,，濕度,，氣壓等。較均勻電場氣隙的擊穿電壓與電壓極性無關,，直流,，工頻擊穿電壓（峰值）以及50%沖擊擊穿電壓都相同，分散性很小,。
 
 當S不過于小時（S>1cm）,， 均勻空氣中的電場強度大致等于30KV/cm。稍不均勻的電場氣隙的擊穿電壓,，可以看作球與球之間，球與板之間,，圓柱與棒之間,，同軸圓柱的間隙之間的擊穿。它的特點是不能形成穩(wěn)定的電暈放電,，電場不對稱時,，有極性效應，不很明顯,，直流,，工頻下的擊穿電壓以及50%沖擊擊穿電壓相同，分散性不大,，擊穿電壓和電場均勻程度關系極大,，電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高,。直流電壓下的擊穿電壓具有極性效應,，棒棒電極間的擊穿電壓介于極性不同的棒板電極之間，平均擊穿場強正棒和負板間約4.5KV/cm,，負棒和正板間約10KV/cm,，棒和棒之間約4.8-5KV/cm。擊穿電壓與間隙距離接近正比,，在一定范圍內,，擊穿電壓與間隙距離呈線性關系。球與球間隙之間存在鄰近效應,，對電場會有畸變作用,，使間隙電場分布不對稱,，同一距離下，球直徑越大,，擊穿電壓也越高,。  
圖4 擊穿電壓與間隙距離的關系
 
4 實驗過程

4.1失效現象與分析

FRD在開發(fā)過程中工程批流片出來后測試擊穿電壓，當電壓加到幾百伏時,，可開始看到有嚴重的打火現象,，測試打火曲線如圖5，打火發(fā)生后,，圓片上可看到終端外圍兩個金屬鋁條有明顯發(fā)黑的跡象,，如圖6。
圖5  FRD 圓片擊穿電壓測試曲線

 
圖6 FRD 圓片打火位置圖片

其中距離cell區(qū)較近的金屬是終端的一個金屬場板,，在最外圍的一個是截止環(huán)的金屬,。從失效現象來看，打火應該是最外圍的兩個金屬之間進行的,。工藝上,，當初為了節(jié)省成本，金屬完成后沒有加鈍化層次,，因此兩個金屬之間是沒有氧化等介質的,。檢查版上數據，金屬場板到截止環(huán)金屬之間距離為72um,，懷疑可能此距離太小,，又沒有介質，因此導致金屬之間電場過強,，引起打火,，為了驗證，特對原結構進行了模擬,。
4.2原結構模擬結果
如圖7所示原始結構進行模擬,，結果擊穿電壓約1500V,最外圍的金屬場板與最外圍截止環(huán)金屬之間電勢差約800V，最外圍場板承擔了較大的電壓,，從表面電場分布看,，最外圍金屬場板處表面電場最強，約2.6E5V/cm,，前面其它環(huán)的電場基本在1.6E5V/cm左右,，金屬場板處電場較集中。而空氣的擊穿場強約為30KV/cm,，金屬場環(huán)和截止環(huán)之間距離為72um,，空氣耐壓約220V，據此推斷失效的原因應該是金屬之間距離較近,，電壓較大引起空氣擊穿,，從而發(fā)生打火現象,。
圖7：FRD 原版結構                    

   
圖8 FRD原版模擬結果電勢分布圖

圖9 FRD原版模擬結果表面電場分布圖

 
4.3 新設計模擬

由以上分析認為，圓片測試打火的主要原因在金屬場板和截止環(huán)金屬之間電勢較大,，引起金屬間打火,，下一步主要從考慮降低兩者之間的電勢，減小金屬場板處的表面電場出發(fā),，進行了以下模擬,。

4.3.1增加兩個環(huán)

考慮在金屬場板前再增加兩個場限環(huán)，使得前面的分壓增加,，以減少金屬之間的電勢差,，模擬結果如下，FRD擊穿電壓沒有改變,，仍舊在1500V,金屬場板和截止環(huán)之間的電勢從800V降到約500V,表面電場從2.6E5V/cm降低到1.7E5V/cm,。
圖10：FRD增加兩個環(huán)后結構             
  

圖11  FRD增加兩個環(huán)后電勢分布圖

 
圖12 FRD增加兩個環(huán)后表面電場分布圖

 
4.3.2增加三個環(huán)
從增加兩個環(huán)的結果看，增加環(huán)后電勢和電場都有改善,，于是考慮增加三個環(huán),，模擬結果如下，FRD擊穿電壓沒有改變,，仍舊在1500V, 金屬場板和截止環(huán)之間的電勢降為約400V,表面電場由2.6E5V/cm降低到1.2E5V/cm,。
圖13 增加3個環(huán)后結構                     
 

圖14 增加三個環(huán)后電勢分布圖
 
圖15 增加三個環(huán)后表面電場分布圖
 
4 結論分析
從以上模擬結果可以看到，通過優(yōu)化終端結構,，可以有效減少金屬之間電勢差，改善表面電場分布,，從而改善圓片測試打火現象,。同時，工藝上可考慮在增加環(huán)的同時增加金屬后鈍化層,，以更好的改善產品性能,。