新一代ESD保護器件不再需要VCC連接

引言

由于其不斷減少的處理節點(diǎn)，數字和模擬IC越來(lái)越容易受到靜電放電 (ESD) 的損壞，因此為了保證充分的系統級ESD保護，離散式ESD保護二極管成為一種必需組件。過(guò)去，我們把VCC連接添加至二極管，目的是降低其結電容。隨著(zhù)新型二極管技術(shù)的出現，現在卻不再需要。本文將向您介紹過(guò)去為什么需要VCC連接，并解釋現在卻不使用它的一些原因。

ESD是兩個(gè)不同電勢的物體接觸時(shí)出現的靜電釋放現象。例如，在天氣干燥的冬天，在把印刷電路板(PCB) 封裝到填充有泡沫的箱子里時(shí)，最高可產(chǎn)生20 kV 的ESD 。為了確保電子終端設備不受日常ESD 現象的損害，通常要求使用離散式二極管，其擁有比標準2kV人體模型 (HBM) 更穩健的ESD額定值。離散二極管的ESD額定值直接與二極管的p-n結點(diǎn)面積成比例關(guān)系;但是，結點(diǎn)越大，寄生電容就越大。為了不影響二極管的ESD額定值，添加一個(gè)VCC連接是一種IC設計方法，它可以有效降低二極管的寄生電容，但有可能會(huì )損壞連接至VCC的所有其他器件。然而，工藝技術(shù)的最新進(jìn)展，讓二極管設計人員不再需要VCC連接，并同時(shí)能夠保證低電容和高ESD額定值。

二極管特性

二極管是最為基本的半導體器件。它由一個(gè)p型和一個(gè)n型結點(diǎn)組成，具有兩個(gè)端頭：一個(gè)p型端的陽(yáng)極和一個(gè)n型端的陰極(請參見(jiàn)圖1)。當從陰極向陰極(反向偏置)施加一個(gè)足夠大的電壓時(shí)，二極管進(jìn)入其擊穿區域。理論上講，電阻為零時(shí)，它可以傳導無(wú)限數量的電流。使用另一個(gè)方向(正向偏置)施加電壓，會(huì )使二極管進(jìn)入其正向導電區域。圖2顯示了一個(gè)基本二極管的IV曲線(xiàn)，它的陰極接地，電壓穿過(guò)陰極。盡管針對不同應用有許多不同類(lèi)型的二極連接管，但這里要討論的是ESD保護應用的超快速響應二極管。這些二極管可以非?？焖俚貙Ω逧SD電壓做出響應，并通過(guò)分流ESD電流至接地，在幾納秒時(shí)間內便可把數千伏電壓降低至僅僅數十伏。

影響二極管寄生電容的因素有兩個(gè)：結電容(由于過(guò)渡層內的電荷變化)和擴散電容(由于中性區域內的過(guò)剩載流子)。在反向偏置區域由結電容主導，其為ESD二極管的正常應用區。二極管的結電容描述如下：

其中：

A為結面積。εSi為硅的介電常數。q為一個(gè)庫侖電荷。NA為受主摻雜濃度。ND為施主摻雜濃度。φ0為結點(diǎn)的內建電壓。VA為在結點(diǎn)上施加的偏置電壓。

在應用級，VA越高，結電容越低(請參見(jiàn)圖3)。這是因為，以前的二極管技術(shù)要求一個(gè)VCC偏置來(lái)穩壓VA，-從而降低寄生電容。使用VCC連接還讓系統工程師可以在VCC節點(diǎn)添加一個(gè)大電容(請參見(jiàn)圖4)，它起到一個(gè)電荷庫的作用，目的是吸收一些過(guò)多的ESD能量，從而逐漸增加ESD保護。

把高速二極管用于ESD保護

為了設計出一種高ESD額定值、低電容的二極管結構，通常使用三二級管方法(參見(jiàn)圖5和6)，原因有三個(gè)：

1、相比在反向擊穿區域，二極管在正向導電區域可以承受更強的電流。

2、隱藏式 (hiding) 二極管1和齊納二極管可抵制正ESD電擊。

3、隱藏式二極管2可抵制負ESD電擊。

兩個(gè)更小的“隱藏式”二極管與一個(gè)更大的齊納二極管串聯(lián)。由于其串行結構，隱藏式二極管的電容更小，可有效隱藏齊納二極管的大電容。在正ESD電擊期間，隱藏式二極管1進(jìn)入其正向導電區域。齊納二極管進(jìn)入其反向擊穿區域，從而形成一條通路，讓ESD 電流被分流至接地，而不會(huì )進(jìn)入受保護器件內部。大齊納二極管的大尺寸，讓其能夠在擊穿區域承受大電流。在負ESD電擊期間，隱藏式二極管2進(jìn)入其正向導電區域，把ESD 能量直接引導至接地。在上面任何一種電擊事件中，隱藏式二極管都可處理大量的ESD 電流，因為它們絕對不會(huì )擊穿，只會(huì )進(jìn)入正向導電區域。

不使用VCC連接的好處

過(guò)去幾年，二極管制造技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，實(shí)現了更低的結電容，并且沒(méi)有犧牲高ESD額定值。這些進(jìn)步包括：

. 從橫向二極管結構變?yōu)榭v向二極管結構

. 更高的單位面積ESD性能

. NA和ND摻雜更少，卻可以達到相同的正向擊穿電壓

這些進(jìn)步意味著(zhù)，在降低結電容來(lái)支持高速接口時(shí)-不再需要使用VCC連接。不使用VCC連接，給系統工程師帶來(lái)如下三方面的好處：

1、沒(méi)有泄露電流進(jìn)入內部電源

如果一個(gè)高壓輸入信號通過(guò)低VCC電平連接ESD二極管-I/O，則信號電流可能會(huì )通過(guò)隱藏式二極管1泄露進(jìn)入到VCC以及該節點(diǎn)上連接的其他器件內(圖7)。這可能會(huì )損壞連接它的電源或者器件。如果VCC沒(méi)有連接ESD二極管，則無(wú)需有這方面的擔心。

2、不會(huì )對內部電源造成ESD損壞

在正ESD電擊期間，VCC 沿著(zhù)ESD電流的放電路徑，并且它的電壓水平為I/O 處箝位電壓以下一個(gè)VF(~0.5到0.7 V)。盡管由于分流電容的使用，在面對ESD時(shí)電源已經(jīng)非常穩健，但這種升高的電壓水平非?？赡軙?huì )損壞由VCC 驅動(dòng)的器件(圖8)。情況一樣，如果VCC不連接至ESD二極管，則無(wú)需擔心。

3、無(wú)需外部電容

德州儀器公司(TI)的ESD二極管工藝開(kāi)發(fā)重點(diǎn)加強整體p-n結構，以便讓其能夠承受更大的ESD 電壓。由于TI的新一代ESD 保護二極管擁有高達30 kV的額定值，因此使用一個(gè)附加電容僅可提高少許總ESD額定值。使用一個(gè)便會(huì )達到“收益遞減”點(diǎn)。不使用電容，可減少材料數目清單，節省成本，并為其他重要器件留出更多的PCB空間。

TI新一代ESD保護器件例子

TI的TPD2E2U06 ESD保護器件便是二極管技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要例子。與它的前輩不同，TPD2E001 不要求VCC 連接，但保持相同的電容，電壓更低，并且ESD額定值增加了兩倍。(參見(jiàn)表1)其他TI的類(lèi)似ESD保護器件還包括TPD4E1U06、TPD4E1U06和TPD4E05U06。

表1 TPD2E001 和TPD2E2U06規范對比表

結論

不要求VCC 連接的ESD 保護二極管帶來(lái)了許多好處。VCC引腳不需要電容來(lái)增加ESD額定值。它減少了組件-數目，簡(jiǎn)化了布局，并且降低了布局成本。不使用VCC 連接，還保證了沒(méi)有漏電流進(jìn)入到電源中，同時(shí)不會(huì )對本應通過(guò)VCC連接至電源的內部節點(diǎn)造成ESD損壞。