最後更新:2026年10月8日功率半導體功率元件・電力電子

保護環是什麼

Guard Ring

保護環是以環狀圍繞元件或接面的雜質區域,有2種意義。在功率半導體中,它是在主接面外側配置浮接電位p型環(FLR),以緩和晶片邊緣的電場集中、取得高耐壓的終端結構。在CMOS中,則是以高濃度區域圍繞電路來收集基板電流,防止閂鎖效應與雜訊傳遞。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

保護環是指在半導體晶片中,以環狀圍繞元件或接面所形成的雜質區域。在半導體領域主要有2種意義。1種是功率半導體中用來取得高耐壓的終端結構,另1種是CMOS電路中用來防止閂鎖效應與雜訊的佈局結構。

功率半導體的pn接面,與平坦部分相比,晶片邊緣的彎曲部分容易發生電場集中,會在比原本耐壓低得多的電壓下崩潰。因此會在主接面外側,以同心圓方式形成數條電氣上不連接任何地方的p型環(場限環,FLR)。施加電壓時,空乏區會沿著這些環向外擴展,緩和電場集中,得到接近平坦接面的耐壓。環的數量、寬度與間距設計會左右耐壓,耐壓越高的元件,晶片周圍需要越寬的終端區域。此外還有使雜質濃度階段性降低的接面終端延伸(JTE),以及讓電極延伸到絕緣膜上方的場板等終端結構,SiC功率元件常用FLR與JTE。

在CMOS佈局中,以與基板或井同型的高濃度區域圍繞電晶體或電路區塊,並連接至電源或接地的結構稱為保護環。它可收集流入基板的電流,防止寄生閘流體導通所引起的閂鎖效應,或抑制數位電路的雜訊傳到類比電路。在輸入輸出電路以及類比與數位混合的晶片中特別重要。另外,圍繞晶片外圍、防止水分侵入及晶圓切割裂紋延伸的結構,則稱為密封環(seal ring)以示區別。

保護環的常見問題

為什麼功率半導體需要保護環?
因為pn接面在晶片邊緣的彎曲部分會發生電場集中,在比平坦部分低的電壓下就會崩潰。在主接面外側配置浮接電位的環,空乏區就會沿著環向外擴展,緩和電場集中,得到符合設計的高耐壓。
保護環與密封環有什麼不同?
保護環是確保功率元件耐壓的終端結構,或CMOS電路中防止閂鎖效應與雜訊的結構,屬於電氣目的的結構。密封環則是以金屬與絕緣膜構成的牆圍繞晶片最外圍,防止水分侵入及晶圓切割時裂紋延伸,屬於機械性・環境性保護的結構。

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