Защита от электро статического разряда

      Схема защиты от ЭСР на основе диодов и изолирующего резистора между ними является одной из самых распространенных схем, которая может гарантированно держать уровень ЭСР до 2 кВ (рис. 3).

      Для обеспечения более  высокого уровня защиты нужно увеличивать  площади защитных диодов, что топологически реализуется в виде многопальцевого транзистора. Во время ЭСР все секции такого транзистора не могут открыться одновременно, что приводит к повышению локальной плотности тока и, в конечном счете, к пробою. Поэтому часто получается низкий уровень стойкости к ЭСР даже при большой площади защитных диодов.

      Рис. 3. Схема защиты выводов ИС на основе диодов. 

      Если  в качестве защитного  элемента применяется  КУД (рис. 4), то в роли вспомогательного каскада можно использовать n-МОП транзистор с заземленным затвором. Однако напряжение включения КУД достаточно высоко, что приводит к необходимости вводить дополнительные элементы в схему защиты для уменьшения времени его срабатывания [4]. Это, в свою очередь, увеличивает площадь интерфейсной схемы и вносит дополнительные паразитные элементы.

      Для высокочастотных АИС использование  изоляционного резистора в схеме  защиты неприемлемо. Вместо резистора  возможно применение транзистора с  зазем-ленным затвором, имеющего увеличенную ширину канала. Но увеличение ширины ка-нала транзистора приводит к росту паразитной емкости стока, подключенного ко вход-ной КП. Эта паразитная емкость pn-перехода может значительно исказить аналоговый сигнал.

      Рис. 4. Кремниевый управляемый диод.

      Одним из недостатков всех схем защиты от ЭСР  является невозможность  их применения не только в различных технологиях, но и в разных классах  аналоговых схем, выполненных  по одинаковой технологии. На механизм работы защитной схемы оказывает  влияние защищаемая схема, что приводит к ситуации, когда изделие успешно проходит тест на 4 кВ, но не проходит на 2 кВ. Поэтому при проектировании схем защиты необходимо принимать во внимание внутреннюю структуру изделия.

      На  рис. 6 приведены сравнительные  характеристики различных  элементов за-щиты. Оптимальным для применения в аналоговых схемах является КУД (максимальная степень защиты при умеренной паразитной емкости).

      . Рис. 6. Сравнительные характеристики некоторых элементов защиты.  

      Схема с использованием КУД является перспективной  для получения  высокого уровня защиты от ЭСР при соответствующем  уменьшении времени срабатывания. Если вспомогательные элементы, вводимые для этого в схему, не очень значительно увеличат площадь схемы, то такая схема может стать основной при проектировании защиты входных КП аналоговых ИС от ЭСР уровня 4 кВ.

Схему на основе КУД необходимо модифицировать следующим образом: избавиться от изолирующего резистора и сделать ее симметричной относительно выводов земли и питания (рис. 7). Для увеличения скорости включения КУД вводится схема управления (СУ). В качестве вспомогательных элементов предлагается использовать транзисторы в диодном включении для первоначального токоотвода перед запуском основного защитного элемента.

      Рис. 7. Модифицированная схема защиты на основе КУД.  

      Таким образом, рассмотрев типовые схемы  защиты выводов аналоговых ИС от ЭСР можно  выделить схемы, основанные на применении кремниевого  управляемого диода  как перспективные  с точки зрения повышения уровня стойкости к ЭСР  до 4 кВ.

Схемы на кремниевом управляемом  диоде необходимо модифицировать с  це-лью увеличения скорости включения и исключения изолирующего резистора. 
 
 
 
 
 
 
 

4. Примеры схемотехнических и технологических реализаций схем защиты от ESD

Важно обеспечить равномерное  распределение стрессового  тока после пробоя, своевременное включение  защитного элемента и быстрый отвод  тока с наименьшим рассеиванием тепла. Схема защиты должна иметь минимальное  паразитное сопротивление  и емкость, чтобы  минимизировать падение  напряжения на этом элементе и уменьшить  дополнительную нагрузочную  емкость защищаемого  устройства в случае её использования  в выходном буфере.

Всего этого можно добиться различными путями, один из которых - совмещение в защитном элементе управляемого диода  с низким напряжением  защелкивания (Low-Voltage-Threshold Silicon-Controlled Rectifier, LVTSCR) и n-МОП транзистора с затвором, связанным с контактной площадкой через конденсатор (Gate-Coupled NMOS, GCNMOS). Использование LVTSCR позволяет минимизировать площадь защитного элемента, снижает напряжение защелкивания до напряжения вступления в низкоомную область n-МОП транзистора входного/выходного буфера. Использование этого варианта обеспечивает равномерное распределение тока после защелкивания, что дела-ет возможным использование такого элемента в силицидных технологиях. GCNMOS не стоит использовать как основной элемент ESD-защиты, так как для пропускания большого стрессового тока через устройство необходимо делать его слишком большим по сравнению, например, с SCR.

Описание  устройства GC-NTLSCR/PTLSCR: 

Реализация  защитного элемента, объединяющего SCR и GCNMOS, представлена на рис. 1a.

На  рис. 1б представлена комплементарная защита входной/выходной площадки с помощью LVTSCR n- и p-типа. Затворы n-МОП и p-МОП связаны с контактной площадкой через конденсаторы Cn и Cp, образованные поликремнием и самой контактной площадкой. Поэтому создание конденсаторов не требует дополнительного пространства, что является большим преимуществом. Напряжения защелкивания двух управляемых диодов равны напряжениям пробоя между диффузионной n+ областью и подложкой и диффузионной p+ областью и n-карманом для NTLSCR и PLTSCR, соответственно. Это напряжение соответствует напряжению вступления в snapback-область ВАХ для n-МОП и p-МОП. Использование n-кармана дополнительно к n+ диффузии для катодов NTLSCR и PTLSCR увеличивает эффективность соответствующих эмиттеров, то есть позволяет пропускать через устройство больший стрессовый ток.

Принцип работы устройства GC-NTLSCR/PTLSCR

Описание  элемента PDNMOS

Описание  устройства WCFOD