原创 ESD防护元件之选用

防护元件之选用
　　在积体电路中加入ESD防护电路，该ESD防护电路要发挥防护效果，以避免积体电路内的元件被ESD所损伤。当ESD 电压出现在I/O脚位上时，籹作于该I/O Pad旁的ESD 防护电路必须要能够及早地导通来排放ESD放电电流。因此，ESD防护电路内所使用的元件必须要具有较低的放电电压(breakdown voltage) 或较快的导通速度。

　  在CMOS积体电路中，可用来做ESD防护的元件如下列：

(1)电阻 (Diffusion or poly resistor) ;

(2)二极体 (p-n junction) ;

(3)(MOS)元件 (NMOS or PMOS) ;

(4)多层元件 (Field-oxide device) ;

(5)双载子元件 (Bipolar junction transistor) ;

(6)整流器元件 (SCR device, p-n-p-n structure) .

　　这些元件可以用来设计舱合成各式各样的静电放电防护电路，因此各式各样的专利也已被提出来。

　　接下来我们先了解一下上述各种元件的特性，其中电阻具有阻挡电流的能力，因此经常与其他元件共同使用以提狜该元件的ESD耐受能力。各种元件的I-V 特性如图。虽然积体电路的ESD规格上都是标ボ电压值，ㄒ如HBM ESD要2000V，但在实际测试上ESD放电现象是接近电流源(current source)的性质，放电电流的大小在第二章已有叙述。因此，一ESD防护元件在ESD stress之下，如果具有较低的工作电压(operating voltage)，则在该ESD防护元件上所产生的电能(power) 就会较小，也就是因静电放电而产生的热量就会较小。这些热量就由该ESD防护元件来承受，当静电放电所产生的热量大于该ESD防护元件所能承受的极限值，该ESD防护元件便会烧毁，如果要能承受更大的ESD放电电流，则必惠增加该ESD防护元件的元件尺寸及局面积以提狜其承受能力。

从图可知，各种ESD防护元件在顺向偏压及逆向偏压之下，其工作电压是不相同的，ㄒ如二极体元件在顺向偏压之下的工作电压约在0.8 ~ 1.2V左右，但是该二极体元件在逆向偏压之下的工作电压约在-13 ~ -15V左右。因此，当相同大小的ESD放电电流流经该二极体元件时，在逆向偏压情形下所产生的热量远大于该二极体元件在顺向偏压情形下的热量，也就是说在相同元件尺寸大小的前提之下，二极体元件在顺向偏压之下所能承受的ESD电压将远大于该元件在逆向偏压之下所能承受的ESD电压值。因此，如何设计一个具有高ESD承受能力但只占用小局面积的ESD防护电路，必须要考虑元件在不同偏压之下的特性。

　　至于MOS元件或厚化层 (Field-oxide)元件的ESD承受能力，跟该元件的第二次盰检点电流(It2, secondary- breakdown current)有关。当ESD放电电流大于该元件的It2，该元件便会造成不可回复性的损伤。有关MOS元件或厚化层(Field-oxide)元件的 It2量测方法，我们在将有详细介绍。

　　在各种ESD防护元件之中，由于SCR元件在顺向偏压与逆向偏压之下的工作电压都只有 ~ 1V左右，因此SCR元件可在更小的局面积之下承受极高的ESD电压。有关使用SCR元件来设计ESD防护电路，在第六章将有详细介绍。