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功率快恢复二极管(FRD)是应用最广泛的功率器件之一。除用于高频整流外,在电力电子电路中还常与其他功率开关器件反并联,作为续流二极管使用,其可靠性将极大影响整个电路甚至系统的正常工作及可靠性。静电放电(ESD)是对所有电子元器件都有影响的现象,除了造成氧化层击穿之外,还常常会在器件内部形成丝化电流和局部热点,在几十ns以内将器件瞬间烧毁。在集成电路领域,ESD保护的问题早已备受重视,研究得也相对充分,但高压FRD中ESD的情况与低压器件和电路有较大差别,在改善其抗ESD能力(主要是反偏情况)时不能简单地将其经验借用过来。目前国际上关于功率FRD的ESD问题的文献非常稀少,更未见到有系统研究的报道。本文试图利用器件仿真工具对FRD经受ESD时包括电流集中现象在内部物理量的演变过程进行探讨和分析,为FRD的抗ESD设计提供基本的物理理解、基础数据和方向指导。
本文采用符合国标GB/T17626.2(人体静电模型的一种)的分段线性的电流源激励模拟ESD冲击,利用ISE-TCAD器件仿真软件进行热电耦合的瞬态仿真分析,用计算出的电流集中程度来判断其发生ESD烧毁的可能性大小。仿真首先针对一个耐压为400V左右具有P+N-N+结构及场板型结终端参考FRD进行,发现在ESD过程中,器件主要经历了过耗尽、负阻及振荡、“平稳”发展三个阶段。在1ns以内,从负阻阶段开始,在P+N-结及N-N+结处都发生了局部的雪崩注入,出现了电流集中现象。随后,又在参考FRD基础上改变结构参数,进行了一系列的ESD测试过程仿真。结果表明,不同结构参数对电流集中及热点的位置和强度有很大影响,发现适当保持较高的P区掺杂浓度避免P区在ESD过程中发生“动态穿通”以及在N-区与N+区之间添加缓冲层,对于弱化电流集中有重要作用(本文中二者分别使N-N+结电流集中处的最大电流密度值降低约30％和70％),有利于提高FRD的抗ESD能力。这些发现及其他相关仿真结果对后续的提高FRD抗ESD能力的研究将有重要的参考意义。