《CMOS集成电路闩锁效应》第十一章课件.pptx

《《CMOS集成电路闩锁效应》第十一章课件.pptx》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、ESDNMOS寄生NPNNMOS自身存在一个寄生的横向NPN，该寄生NPN可以承受非常大的电流，当它导通时可以提供低阻旁路通路快速泄放大量的ESD静电电流。NMOS源极是寄生NPN发射极，漏极是NPN集电极，衬底PW是NPN基极。在NMOS正常工作电压偏置条件下，寄生NPN是处于截止状态，因为Ib（衬底电流）几乎等于零，也就是它的反馈电压Vb=Ib*Rp几乎等于零，发射结是零偏，集电结是反偏。雪崩击穿当PN结反偏时，PN结反向漏电流主要是由耗尽区自由移动的热载流子和在中性区扩散的载流子组成。随着VDD电压不断升高，加载在反偏漏

2、极与衬底之间的PN结反向电场也不断升高，当反偏电场大于105V/cm时，漏极反偏的PN结发生雪崩击穿，并产生雪崩倍増效应。产生雪崩倍増效应时，耗尽区的热载流子可以从晶格碰撞获得足够的能量挣脱化学键的束缚，产生电子-空穴对形成自由电子和空穴，自由电子在电场中被加速，再与晶格碰撞，产生更多的自由电子和空穴。自由电子会沿着电场方向漂移到漏极，因为漏极的电位最高。空穴会流向衬底形成Ib，因为衬底的电位最低。ESDNMOS的版图ESDNMOS寄生NPN的性能决定了ESDNMOS的ESD鲁棒性，目前有几种方法可以提高寄生NPN的ESD鲁棒

3、性：第一种方法是增大衬底的等效电阻Rp；第二种方法是增大衬底的衬底电流Ib；第三种方法是增大寄生NPN的发射区和收集区的面积。寄生NPN非均匀导通问题虽然可以通过增大单个NMOS的沟道宽度和并联多个NMOS来增大NMOS寄生NPN的发射区和集电区的面积，从而提升寄生NPN的ESD鲁棒性，但是这种并联多个NMOS的器件结构存在寄生NPN非均匀导通的问题。GTNMOS电源钳位保护电路GTNMOS（GateTriggerNMOS）是RC栅触发NMOS电源钳位电路。电路加载电源电压正常工作时，A点的电压等于B点的电压，反向器C点的电压

4、等于D点的电压VSS，ESDNMOS栅压Vgs等于0V，ESDNMOS依然处于关闭状态。所以该电源钳位ESD保护电路一直工作在关闭状态。当正的ESD脉冲+VESD发生在VDD管脚时，+VESD电压大于0V，因为RC延时此时B点电位依然是0V，A点的电位是+VESD，C点的电位等于A点的电位，所以ESDNMOS栅压Vgs等于+VESD，此时ESDNMOS导通泄放ESD静电电流。当负的ESD脉冲-VESD发生在VDD管脚时，ESDNMOS寄生N型二极管开启泄放ESD静电电流。GTNMOS电源钳位保护电路RC栅触发ESD保护电路可以

5、降低ESDNMOS的Vt1。栅电压Vgs越大，ESDNMOS沟道的宽度越宽，电流越大，形成更多的热电子撞击漏极耗尽区的电子空穴对，产生的雪崩电流也越大，雪崩电流流经PW的等效电阻Rp，形成的反馈电压也越大。Vg越大，ESDNMOS的雪崩击穿电压越小。GTNMOS电源钳位保护电路ESDNMOS开启后沟道电子被加速成热电子，热电子撞击电子空穴对形成雪崩电流，空穴被PW接触收集，形成电流Ip，Ip流经PW的等效电阻Rp，形成压降Ip*Rp，当Ip*Rp大于0.6V，ESDNMOS寄生的NPN开启导通。直流偏置条件下，雪崩击穿电压BV

6、随Vg变化的曲线，ESDNMOSBV随着栅电压Vg的增大而降低。当栅压Vg大于0.5*3.3V=1.67V时，BV几乎不会随着Vg的变化而变化。也就是Vg小于1/2倍器件的电源电压时，BV随着Vg的变化最明显。GTNMOS电源钳位保护电路ESDNMOS的总沟道宽度是800um，Vt1是6.57V，It2是3.58A，它可以承受的HBMESD电压是It2*1.5k=3.58*1.5=5.37KV，1.5Kohm是HBM模型人体等效电阻。添加的内容STNMOS电源钳位保护电路STNMOS（SubstrateTriggerNMOS）

7、是衬底触发NMOS电源钳位电路。电路加载电源电压正常工作时，A点的电压等于B点的电压，反向器C点的电压等于D点的电压VSS，ESDNMOS栅压Vgs等于0V，衬底的电压也等于0V，此时ESDNMOS依然处于关闭状态，所以该电源钳位ESD保护电路一直工作在关闭状态。当正的ESD脉冲+VESD发生在VDD管脚时，+VESD电压大于0V，因为存在RC延时，此时B点电位依然是0V，A点的电位是+VESD，C点的电位等于A点的电位，所以ESDNMOS衬底电压Vb等于+VESD，Vb与VSS之间产生电流Ib，Ib会在PW的等效电阻Rp上形

8、成压降Ib*Rp，当Ib*Rp>0.6V，该反馈电压会使寄生NPN发射结正偏，从而导致寄生NPN导通。当负的ESD脉冲-VESD发生在VDD管脚时，ESDNMOS衬底PW与漏极之间的寄生二极管正偏，所以ESDNMOS寄生的NPN导通泄放ESD静电电流。STNMOS电源钳位保护