ESD防護-ESD保護電路優缺點分析-KIA MOS管

根據ESD防護器件的TLP I-V特性我們可將ESD器件分為回滯類和非回滯類兩種；

回滯類的ESD器件包括NPN三極管、柵極接地 NMOS ( GGNMOS, Gate-grounded NMOS )、可控硅(SCR, siliconcontrolled rectifier)等。

非回滯類的ESD器件包括二極管、二極管串、溝道工作的MOS管、PNP三極管、柵極接電源的PMOS(GDPMOS)等，與回滯類ESD器件相比，其TLP曲線沒有負阻區的存在。

常用于ESD防護的器件包括PN結二極管、GGNMOS結構和 SCR 結構等。

常用ESD保護電路優缺點

二極管

二極管是最簡單的ESD防護器件，寄生效應少，版圖布局容易在傳統的集成電路中，二極管結構是使用最多的ESD防護結構，能夠滿足常規的ESD防護需求。

主要劣勢：

正向二極管開啟電壓較低。二極管正向導通電壓約為0.7V,而芯片的工作電壓可以低至IV,當使用正向導通的二極管對芯片進行ESD防護時，為了在芯片上電時不產生漏電流，往往需要串聯多個二極管才能使用，導致導通電阻和版圖面積相應成倍增大，并且二極管串高溫下漏電流較大。

反向工作的二極管電流耐受能力較低。反向擊穿后的二極管雖然開啟電壓較高，與PN結摻雜濃度有關，但反向擊穿的二極管其電流泄放能力很弱，導通電阻也較大。

主要優勢：

寄生電容較小。二極管的主要寄生電容為PN結電容和金屬布線電容，相比MOS結構電容更小，常常使用在高速、射頻電路中。

開啟速度快。PN結二極管只存在一個PN結的勢查區，相比三極管結構，沒有基區渡越時間。因此其響應速度快，對CDM類ESD應力有很好的防護效果。

GGNMOS

ESD防護中最常用的方式是將NMOS柵、源、體端一起接陰極，漏極接至陽極，這種接法的NMOS稱為GGNMOS。因為GGNMOS結構簡單，有現成的spice模型，寄生參數可以帶入電路仿真，因此電路工程師常用作ESD防護器件。

GGNMOS主要利用漏襯反向PN結雪崩擊穿后，MOS管內部的寄生NPN三極管導通，來泄放大量的ESD電流。

主要劣勢：

觸發電壓過高。由于依靠NMOS漏襯結雪崩擊穿來開啟寄生三極管工作，在某些工藝下其雪崩擊穿電壓過高，可能導致內部電路先被擊穿的情況。

導通電阻過高。由于GGNMOS通常需要較長的漏極到柵極距離來增強其魯棒性，在泄放ESD電流時導通電阻過高。

單位面積魯棒性較差。GGNMOS依靠寄生NPNBJT進行ESD電流泄放，相比二極管和可控硅而言，電流泄放能力較差。

主要優勢：

與CMOS工藝結構兼容，結構簡單，不需要額外設計器件結構。

有現成的準確的spice模型，可以同功能電路一起進行功能仿真驗證。

可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier, SCR )

最早是功率器件的一種。應用于ESD防護的SCR結構利用了集成電路工藝中的各種濃度的N型和P型阱以及注入區形成PNPN結構。SCR導通的正反饋屬性決定了其更大的電流放大能力，開啟后的深回滯特性也帶來了更低的箝位電壓。

主要劣勢：

觸發電壓過高。CMOS工藝上的SCR主要依靠反向PN結雪崩擊穿來開啟SCR，其雪崩電壓很高（通常為P阱/N胖結反向擊穿電壓）。

回滯后的維持電壓非常低（可以低于2V)。過低的維持電壓不符合ESD設計窗口電壓下限要求，容易引起電路的栓鎖效應。

開啟速度慢。由于SCR雪崩擊穿后，NPN和PNP BJT導通并形成正反饋所需時間較長，降低了 SCR的開啟速度。

主要優勢：

SCR的電流泄放能力較強，遠高于GGNMOS和三極管，單位面積魯棒性強。

寄生電容較小。SCR的寄生電容主要來自于其多個PN結的結電容，相對GGNMOS電容更小。可以減小ESD器件寄生效應對高速、射頻信號的影響。

SCR的深回滯特性，使得SCR箱位電壓較低，同時由于SCR工作時的電導調制效應，SCR導通電阻較低。

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