常用的ESD保護器件及性能比較分享-KIA MOS管

常用的ESD保護器件主要有Diode、Resistor、P/NMOS、BJT、SCR等，因其具有雪崩擊穿、雪崩與注入等特性，能夠瞬間進(jìn)入低阻態(tài)，故具有良好的電流泄放能力，可以作為ESD防護器件。

這類(lèi)器件在電應力下的I-V特性示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 常用ESD器件的I-V曲線(xiàn)示意圖

1. Diode

在ESD設計中，Diode是一種常見(jiàn)的器件。

圖2為Diode的一種典型應用情況，在VDD相對于VSS發(fā)生Positive ESD Pulse時(shí)，Diode發(fā)生雪崩擊穿并釋放ESD電流，從而保護內部電路不受ESD影響。

但由于二極管完全通過(guò)雪崩擊穿釋放ESD電流，在大電流下器件的功耗很大，因此這種模式下二極管的抗ESD能力往往很低，器件的微分電阻也較大；

而在VDD相對于VSS發(fā)生Negative ESD Pulse時(shí)，該Diode為正偏并釋放ESD電流，由于二極管的正向導通電壓很小，此模式下器件的功耗很小，因此其抗ESD能力非常強。

圖2 Diode保護電路圖

由于Diode在正偏和反偏兩種狀態(tài)下的ESD能力差別非常大，因此目前在使用二極管作ESD保護器件時(shí)往往會(huì )采用非常大的器件面積提升二極管反偏狀態(tài)下的ESD能力，如此一來(lái)，缺點(diǎn)是非常明顯的，它增大了ESD器件的面積占用，更為嚴重的是，對于高頻引腳而言，此方式會(huì )帶來(lái)較大的寄生電容，使引腳的頻率特性變差。

2. MOS & BJT

圖3 MOS器件作為ESD防護器件電路圖   圖4 GG-NMOS結構及等效線(xiàn)路圖

MOS與BJT用于ESD放電保護原理基本上是一樣的，均是通過(guò)寄生的BJT來(lái)釋放ESD電流。因CMOS使用最為廣泛的工藝之一，所以MOS器件成使用最為普遍的ESD保護器件。

采用MOS器件作為芯片的ESD防護架構示例如圖3所示。

為防止ESD器件在芯片正常工作時(shí)導通，MOS的柵極總是采用關(guān)斷的連接方式，即柵接地的NMOS（Gate-Grounded NMOS，GG-NMOS）和柵接電源的PMOS（Gate-VDD PMOS，GD-PMOS）。

GG-NMOS的等效電路如圖4所示，其ESD應力下的I-V曲線(xiàn)示意圖如圖1所示。

當漏端相對于源端發(fā)生Positive ESD Pulse時(shí)，漏端N+/Pwell結雪崩擊穿，擊穿產(chǎn)生的空穴電流將通過(guò)Pwell流至P+，并在Pwell的等效電阻Rpw上產(chǎn)生壓降，當該壓降大于寄生NPN器件的BE結正向導通電壓時(shí)，寄生的NPN器件即可導通，此時(shí)的電壓即為器件的觸發(fā)電壓Vt1，在此之后，由于寄生NPN器件的導通及其放大作用，使器件漏端電壓不需要很高的電壓即可維持大的電流，因此I-V曲線(xiàn)會(huì )出現折回（snapback）現象和負微分電阻現象，即在某段電流范圍內，器件兩端電壓隨著(zhù)電流的增大反而減小。

當電流增大到某一值時(shí)，由于器件兩端的電壓不可能無(wú)限下降，以及器件內部的寄生電阻作用，負阻現象轉變?yōu)檎瑁@一轉變過(guò)程中器件兩端的最低電壓即為器件的維持電壓Vh，它表征器件能將ESD Pulse鉗位的最低電壓。

在電流非常大時(shí)，器件內部產(chǎn)生的熱量將使器件內部由熱產(chǎn)生的載流子數遠大于雪崩擊穿和注入的載流子數，并且溫度越高，熱產(chǎn)生的載流子數量越大，進(jìn)而形成正反饋，因此曲線(xiàn)會(huì )再次出現折回，該點(diǎn)的電壓和電流分別為器件的二次擊穿（熱擊穿）電壓Vt2和二次擊穿電流lt2，它們分別表征器件發(fā)生損毀時(shí)的電壓和器件最大耐受電流。

最終，器件將由于溫度過(guò)高而導致永久性損壞。而在漏端相對于源端發(fā)生Negative ESD Pulse時(shí)，電流可通過(guò)正偏的源端P+/Pwell/漏端N+二極管釋放。

與NMOS相比，PMOS通過(guò)體內寄生的PNP型BJT器件進(jìn)行電流泄放，其電流放大系數遠低于NMOS中寄生的NPN型器件。

因此，如圖所示，PMOS器件可能沒(méi)有折回現象，考慮到器件的防護效率，PMOS的使用遠沒(méi)有NMOS普及，一般只作為電源VDD與I/O引腳之間的防護。

3. Resistor

圖5 保護方案中的限流電阻   圖6 GG-NMOS結構中的柵極電阻

Resistor不單獨用于芯片的ESD保護，它往往用于輔助的ESD保護，如芯片Input第一級保護和第二級保護之間的限流電阻。

如圖5，當ESD電流過(guò)大，第一級ESD器件難以將電壓鉗位至安全區域時(shí)，第二級ESD器件的導通將使其與電阻分壓，從而進(jìn)一步降低進(jìn)入內部電路的電壓。

又如用于GG-NMOS的柵電阻，如圖6所示，NMOS的柵極通過(guò)一電阻接地，而非直接接地。

如此一來(lái)，在NMOS漏端發(fā)生正向的ESD脈沖時(shí)，由于NMOS的漏一柵電容，會(huì )使得器件的柵極耦合出一正的電勢，該電勢會(huì )促使NMOS的溝道開(kāi)啟，從而起到降低NMOS在ESD應力下觸發(fā)電壓的目的。

4. SCR

圖7 SCR結構及等效線(xiàn)路圖

SCR器件是除正向Diode外抗ESD能力最強的器件。

它的結構如圖7所示，當陽(yáng)極出現Positive ESD Pulse時(shí)，Nwell/Pwell結發(fā)生雪崩擊穿，擊穿產(chǎn)生的電子電流和空穴電流分別流過(guò)電阻RNw和Rpw，使PNP器件和NPN器件開(kāi)啟，陽(yáng)極的P+注入大量空穴，陰極的N+注入大量電子，注入的空穴成為NPN器件的基極電流，注入的電子成為PNP器件的基極電流，正反饋過(guò)程得以形成，使Nwell和Pwell均出現強烈的電導調制效應，繼而降低器件兩端的壓降。

因此，SCR器件的維持電壓往往很低，并由此導致其抗ESD能力非常強，微分電阻也非常小。在陽(yáng)極出現Negative ESD Pulse時(shí)，電流可通過(guò)正偏的陰極P+/陽(yáng)極N+釋放。

由于這種SCR的觸發(fā)要靠Nwell和Pwell結的擊穿來(lái)實(shí)現，在CMOS工藝中，其擊穿電壓大約有幾十伏，遠高于一般器件的柵氧擊穿電壓，達不到ESD防護的效果。因此對于低壓CMOS芯片而言，SCR的觸發(fā)電壓需要通過(guò)一些方法降低，以滿(mǎn)足芯片的保護要求。

SCR的高It2使得器件可以以很小的寬度達到芯片的抗ESD要求，因此使用SCR器件可以有效的降低由ESD器件帶來(lái)的寄生電容，這一點(diǎn)對于RF芯片的ESD設計非常有利。

5. 各種器件的ESD性能比較

基于普及度較高的CMOS/BCD工藝，無(wú)論是低壓或者高壓應用來(lái)說(shuō)，單位面積的ESD防護能力大致如下：SCR＞MOS＞Diode（反向擊穿）

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