ESD笔记（三）_常用ESD保护电路优缺点

根据ESD防护器件的TLP I-V特性我们可将ESD器件分为回滞类和非回滞类两种；

回滞类的ESD器件包括NPN三极管、栅极接地 NMOS ( GGNMOS, Gate-grounded NMOS )、可控桂(SCR, siliconcontrolled rectifier)等。
非回滞类的ESD器件包括二极管、二极管串、沟道工作的MOS管、PNP三极管、栅极接电源的PMOS(GDPMOS)等，与回滞类ESD器件相比，其TLP曲线没有负阻区的存在。

常用于ESD防护的器件包括PN结二极管、GGNMOS结构和 SCR 结构等。它们均有各自的优势和劣势，现列举如下：

文章目录

二极管
GGNMOS
可控桂整流器（Silicon Controlled Rectifier, SCR )

二极管

二极管是最简单的ESD防护器件，寄生效应少，版图布局容易在传统的集成电路中，二极管结构是使用最多的ESD防护结构，能够满足常规的ESD防护需求。

主要劣势：

正向二极管开启电压较低。二极管正向导通电压约为0.7V,而芯片的工作电压可以低至IV,当使用正向导通的二极管对芯片进行ESD防护时，为了在芯片上电时不产生漏电流，往往需要串联多个二极管才能使用，导致导通电阻和版图面积相应成倍增大，并且二极管串高温下漏电流较大。
反向工作的二极管电流耐受能力较低。反向击穿后的二极管虽然开启电压较高，与PN结掺杂浓度有关，但反向击穿的二极管其电流泄放能力很弱，导通电阻也较大。

主要优势：

寄生电容较小。二极管的主要寄生电容为PN结电容和金属布线电容，相比MOS结构电容更小，常常使用在高速、射频电路中。
开启速度快。PN结二极管只存在一个PN结的势查区，相比三极管结构，没有基区渡越时间。因此其响应速度快，对CDM类ESD应力有很好的防护效果。

GGNMOS

ESD防护中最常用的方式是将NMOS栅、源、体端一起接阴极，漏极接至阳极，这种接法的NMOS称为GGNMOS。因为GGNMOS结构简单，有现成的spice模型，寄生参数可以带入电路仿真，因此电路工程师常用作ESD防护器件。GGNMOS主要利用漏衬反向PN结雪崩击穿后，MOS管内部的寄生NPN三极管导通，来泄放大量的ESD电流。

主要劣势：

触发电压过高。由于依靠NMOS漏衬结雪崩击穿来开启寄生三极管工作，在某些工艺下其雪崩击穿电压过高，可能导致内部电路先被击穿的情况。
导通电阻过高。由于GGNMOS通常需要较长的漏极到栅极距离来增强其鲁棒性，在泄放ESD电流时导通电阻过高。
单位面积鲁棒性较差。GGNMOS依靠寄生NPNBJT进行ESD电流泄放，相比二极管和可控桂而言，电流泄放能力较差。

主要优势：

与CMOS工艺结构兼容，结构简单，不需要额外设计器件结构。
有现成的准确的spice模型，可以同功能电路一起进行功能仿真验证。

可控桂整流器（Silicon Controlled Rectifier, SCR )

最早是功率器件的一种。应用于ESD防护的SCR结构利用了集成电路工艺中的各种浓度的N型和P型阱以及注入区形成PNPN结构。SCR导通的正反馈属性决定了其更大的电流放大能力，开启后的深回滞特性也带来了更低的箝位电压。
主要劣势：

触发电压过高。CMOS工艺上的SCR主要依靠反向PN结雪崩击穿来开启SCR，其雪崩电压很高（通常为P阱/N胖结反向击穿电压）。
回滞后的维持电压非常低（可以低于2V)。过低的维持电压不符合ESD设计窗口电压下限要求，容易引起电路的栓锁效应。
开启速度慢。由于SCR雪崩击穿后，NPN和PNP BJT导通并形成正反馈所需时间较长，降低了 SCR的开启速度。

主要优势：

SCR的电流泄放能力较强，远高于GGNMOS和三极管，单位面积鲁棒性强。
寄生电容较小。SCR的寄生电容主要来自于其多个PN结的结电容，相对GGNMOS电容更小。可以减小ESD器件寄生效应对高速、射频信号的影响。
SCR的深回滞特性，使得SCR箱位电压较低，同时由于SCR工作时的电导调制效应，SCR导通电阻较低。

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