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新一代ESD保护器件不再需要VCC连接

作者:时间:2018-09-03来源:网络收藏

引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/388300.htm

由于其不断减少的处理节点,数字和模拟IC越来越容易受到静电放电 () 的损坏,因此为了保证充分的系统级保护,离散式保护二极管成为一种必需组件。过去,我们把连接添加至二极管,目的是降低其结电容。随着新型二极管技术的出现,现在却不再需要。本文将向您介绍过去为什么需要连接,并解释现在却不使用它的一些原因。

ESD是两个不同电势的物体接触时出现的静电释放现象。例如,在天气干燥的冬天,在把印刷电路板(PCB) 封装到填充有泡沫的箱子里时,最高可产生20 kV 的ESD 。为了确保电子终端设备不受日常ESD 现象的损害,通常要求使用离散式二极管,其拥有比标准2kV人体模型 (HBM) 更稳健的ESD额定值。离散二极管的ESD额定值直接与二极管的p-n结点面积成比例关系;但是,结点越大,寄生电容就越大。为了不影响二极管的ESD额定值,添加一个连接是一种IC设计方法,它可以有效降低二极管的寄生电容,但有可能会损坏连接至VCC的所有其他器件。然而,工艺技术的最新进展,让二极管设计人员不再需要VCC连接,并同时能够保证低电容和高ESD额定值。

二极管特性

二极管是最为基本的半导体器件。它由一个p型和一个n型结点组成,具有两个端头:一个p型端的阳极和一个n型端的阴极(请参见图1)。当从阴极向阴极(反向偏置)施加一个足够大的电压时,二极管进入其击穿区域。理论上讲,电阻为零时,它可以传导无限数量的电流。使用另一个方向(正向偏置)施加电压,会使二极管进入其正向导电区域。图2显示了一个基本二极管的IV曲线,它的阴极接地,电压穿过阴极。尽管针对不同应用有许多不同类型的二极连接管,但这里要讨论的是ESD保护应用的超快速响应二极管。这些二极管可以非常快速地对高ESD电压做出响应,并通过分流ESD电流至接地,在几纳秒时间内便可把数千伏电压降低至仅仅数十伏。

影响二极管寄生电容的因素有两个:结电容(由于过渡层内的电荷变化)和扩散电容(由于中性区域内的过剩载流子)。在反向偏置区域由结电容主导,其为ESD二极管的正常应用区。二极管的结电容描述如下:

其中:

A为结面积。εSi为硅的介电常数。q为一个库仑电荷。NA为受主掺杂浓度。ND为施主掺杂浓度。φ0为结点的内建电压。VA为在结点上施加的偏置电压。

在应用级,VA越高,结电容越低(请参见图3)。这是因为,以前的二极管技术要求一个VCC偏置来稳压VA,-从而降低寄生电容。使用VCC连接还让系统工程师可以在VCC节点添加一个大电容(请参见图4),它起到一个电荷库的作用,目的是吸收一些过多的ESD能量,从而逐渐增加ESD保护。

把高速二极管用于ESD保护

为了设计出一种高ESD额定值、低电容的二极管结构,通常使用三二级管方法(参见图5和6),原因有三个:

1、相比在反向击穿区域,二极管在正向导电区域可以承受更强的电流。

2、隐藏式 (hiding) 二极管1和齐纳二极管可抵制正ESD电击。

3、隐藏式二极管2可抵制负ESD电击。

两个更小的“隐藏式”二极管与一个更大的齐纳二极管串联。由于其串行结构,隐藏式二极管的电容更小,可有效隐藏齐纳二极管的大电容。在正ESD电击期间,隐藏式二极管1进入其正向导电区域。齐纳二极管进入其反向击穿区域,从而形成一条通路,让ESD 电流被分流至接地,而不会进入受保护器件内部。大齐纳二极管的大尺寸,让其能够在击穿区域承受大电流。在负ESD电击期间,隐藏式二极管2进入其正向导电区域,把ESD 能量直接引导至接地。在上面任何一种电击事件中,隐藏式二极管都可处理大量的ESD 电流,因为它们绝对不会击穿,只会进入正向导电区域。

不使用VCC连接的好处

过去几年,二极管制造技术取得了巨大的进步,实现了更低的结电容,并且没有牺牲高ESD额定值。这些进步包括:

. 从横向二极管结构变为纵向二极管结构

. 更高的单位面积ESD性能

. NA和ND掺杂更少,却可以达到相同的正向击穿电压

这些进步意味着,在降低结电容来支持高速接口时-不再需要使用VCC连接。不使用VCC连接,给系统工程师带来如下三方面的好处:

1、没有泄露电流进入内部电源

如果一个高压输入信号通过低VCC电平连接ESD二极管-I/O,则信号电流可能会通过隐藏式二极管1泄露进入到VCC以及该节点上连接的其他器件内(图7)。这可能会损坏连接它的电源或者器件。如果VCC没有连接ESD二极管,则无需有这方面的担心。

2、不会对内部电源造成ESD损坏

在正ESD电击期间,VCC 沿着ESD电流的放电路径,并且它的电压水平为I/O 处箝位电压以下一个VF(~0.5到0.7 V)。尽管由于分流电容的使用,在面对ESD时电源已经非常稳健,但这种升高的电压水平非常可能会损坏由VCC 驱动的器件(图8)。情况一样,如果VCC不连接至ESD二极管,则无需担心。

3、无需外部电容

德州仪器公司(TI)的ESD二极管工艺开发重点加强整体p-n结构,以便让其能够承受更大的ESD 电压。由于TI的新一代ESD 保护二极管拥有高达30 kV的额定值,因此使用一个附加电容仅可提高少许总ESD额定值。使用一个便会达到“收益递减”点。不使用电容,可减少材料数目清单,节省成本,并为其他重要器件留出更多的PCB空间。

TI新一代ESD保护器件例子

TI的TPD2E2U06 ESD保护器件便是二极管技术进步的一个重要例子。与它的前辈不同,TPD2E001 不要求VCC 连接,但保持相同的电容,电压更低,并且ESD额定值增加了两倍。(参见表1)其他TI的类似ESD保护器件还包括TPD4E1U06、TPD4E1U06和TPD4E05U06。

表1 TPD2E001 和TPD2E2U06规范对比表

结论

不要求VCC 连接的ESD 保护二极管带来了许多好处。VCC引脚不需要电容来增加ESD额定值。它减少了组件-数目,简化了布局,并且降低了布局成本。不使用VCC 连接,还保证了没有漏电流进入到电源中,同时不会对本应通过VCC连接至电源的内部节点造成ESD损坏。



关键词: ESD VCC

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