引 言 快恢復(fù)二極管（簡稱FRD）是一種具有開關(guān)特性好,、反向恢復(fù)時(shí)間短的半導(dǎo)體二極管,，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)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(shù)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(jié)保證實(shí)現(xiàn)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(jié)面彎曲效應(yīng)而影響擊穿電壓,，使得器件實(shí)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(jié)終端技術(shù)來消除結(jié)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(shù)的同時(shí)，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(shí)，還要防止圓片打火問題的發(fā)生,。

1場限環(huán)的基本結(jié)構(gòu)

 圖1：場限環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：多個(gè)場限環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

場限環(huán)的基本結(jié)構(gòu)見圖1,，圖2.。就是在被保護(hù)的主結(jié)周圍間隔一定距離,，擴(kuò)散形成一定大小的同心環(huán),。擴(kuò)散環(huán)改變了主結(jié)邊緣空間電荷分布,，減輕了電場集中效應(yīng)。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(gè)環(huán)來達(dá)到預(yù)定的電壓。

2 場板的基本結(jié)構(gòu)分析

圖3：場板結(jié)構(gòu)示意圖
 

場板的基本結(jié)構(gòu)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(shí)的擊穿電壓為擊穿時(shí)半導(dǎo)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(nèi)部耗盡層還大，N+P結(jié)的場板有電力線從板向半導(dǎo)體發(fā)出,，在半導(dǎo)體表面有電力線進(jìn)入,，這等效于半導(dǎo)體表面有正電荷，他對電場的影響可看做是無窮大的半導(dǎo)體中間增加了一層電荷,，這些正電荷產(chǎn)生垂直于表面的場外,，也將產(chǎn)生平行于表面的場，每一正電荷在其左邊產(chǎn)生指向左的場,，在其右邊產(chǎn)生指向右的場,。所以在場版下面的多數(shù)區(qū)域，正電荷產(chǎn)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(chǎn)生的橫向場是互相加強(qiáng)的，結(jié)果在那里造成一個(gè)橫向場的峰值,。如果場板很短或者無場板時(shí),，在PN結(jié)的邊緣就有很強(qiáng)的電場，場板上所有正電荷都是使這點(diǎn)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(guān),，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(dāng)S不過于小時(shí)（S>1cm）， 均勻空氣中的電場強(qiáng)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(diǎn)是不能形成穩(wěn)定的電暈放電,，電場不對稱時(shí),，有極性效應(yīng)，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(guān)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(yīng),，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(qiáng)正棒和負(fù)板間約4.5KV/cm,，負(fù)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(nèi)，擊穿電壓與間隙距離呈線性關(guān)系,。球與球間隙之間存在鄰近效應(yīng),，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(guān)系
 
4 實(shí)驗(yàn)過程

4.1失效現(xiàn)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(dāng)電壓加到幾百伏時(shí),，可開始看到有嚴(yán)重的打火現(xiàn)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(gè)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(gè)金屬場板,，在最外圍的一個(gè)是截止環(huán)的金屬。從失效現(xiàn)象來看,，打火應(yīng)該是最外圍的兩個(gè)金屬之間進(jìn)行的,。工藝上，當(dāng)初為了節(jié)省成本,，金屬完成后沒有加鈍化層次,，因此兩個(gè)金屬之間是沒有氧化等介質(zhì)的。檢查版上數(shù)據(jù),，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(zhì),，因此導(dǎo)致金屬之間電場過強(qiáng),，引起打火，為了驗(yàn)證,，特對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬,。
4.2原結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果
如圖7所示原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)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(dān)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(qiáng),，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(qiáng)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(jù)此推斷失效的原因應(yīng)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(xiàn)象,。
圖7：FRD 原版結(jié)構(gòu)                    

   
圖8 FRD原版模擬結(jié)果電勢分布圖

圖9 FRD原版模擬結(jié)果表面電場分布圖

 
4.3 新設(shè)計(jì)模擬

由以上分析認(rèn)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(jìn)行了以下模擬。

4.3.1增加兩個(gè)環(huán)

考慮在金屬場板前再增加兩個(gè)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(jié)果如下,，F(xiàn)RD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(gè)環(huán)后結(jié)構(gòu)             
  

圖11  FRD增加兩個(gè)環(huán)后電勢分布圖

 
圖12 FRD增加兩個(gè)環(huán)后表面電場分布圖

 
4.3.2增加三個(gè)環(huán)
從增加兩個(gè)環(huán)的結(jié)果看,，增加環(huán)后電勢和電場都有改善,，于是考慮增加三個(gè)環(huán)，模擬結(jié)果如下,，F(xiàn)RD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(gè)環(huán)后結(jié)構(gòu)                     
 

圖14 增加三個(gè)環(huán)后電勢分布圖
 
圖15 增加三個(gè)環(huán)后表面電場分布圖
 
4 結(jié)論分析
從以上模擬結(jié)果可以看到,，通過優(yōu)化終端結(jié)構(gòu),，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(xiàn)象,。同時(shí)，工藝上可考慮在增加環(huán)的同時(shí)增加金屬后鈍化層,，以更好的改善產(chǎn)品性能,。